煤矿自燃火灾是煤矿开采中最为严重的热动力灾害之一，具有隐蔽性、突发性、难以控制和易引发瓦斯、煤尘爆炸等次生灾害等特点。放顶煤开采是我国目前特厚煤层高效开采的主要方法，随着开采强度的增大和通风量的增加，自然发火灾害更加严重。特别是对于大倾角、火区下、孤岛等特殊与复杂条件下综放开采采空区自然发火一体化预测与防治成为煤矿安全高效开采的重大科技难题。

　　科技日报记者获悉，近日，由辽宁工程技术大学矿业学院院长齐庆杰教授主持的“复杂开采条件下易自燃厚煤层综放开采自燃预测与防治成套技术”获2017年度辽宁省科技进步一等奖。该项目涉及矿山安全、矿山开采、减灾防灾等科学技术领域。

　　针对复杂开采条件下综放工作面自燃发火防治技术难题，齐庆杰团队历经6年攻关和反复实践改进，建立了复杂开采条件下采空区自燃一体化防治理论与成套技术，取得了一系列重大技术创新成果：实验研究了煤的低温氧化自燃特,提出煤自燃热动力学实验分析方法和煤自然发火期计算方法；创新了煤自然发火定量预测预报方法，建立了基于红外光谱技术和气相色谱分析技术的煤自然发火定量预测预报指标体系；创新研发了大倾角、火区影响和孤岛开采条件下易自燃厚煤层群综采放顶煤开采自燃防治成套技术，优化确定了复杂条件下采空区自燃防治技术关键工艺参数并提出了针对各种复杂情况的防治方案。

　　齐庆杰介绍，该项目技术在阜新矿业集团、辽宁九道岭煤业有限公司、平庄煤业集团、兖州煤业集团的4个矿井成功应用后，又相继在阜新矿业集团、沈阳煤业集团、铁法煤业集团等5个自然发火严重的矿井推广应用，安全开采综放工作面9个，增产原煤1286万吨，创造产值60.11亿元，新增利润17.09亿元，新增税收5.70亿元；保证了工作面安全高效生产，有力地推动了煤炭行业科技进步，取得了较大的经济效益和良好的社会效益。该项目经国家安全生产监督管理总局、中国煤炭工业协会、内蒙古自治区科学技术厅组织的科技成果鉴定，项目研究成果总体达到国际先进水平。

　　自主创新建立复杂开采条件下易自燃厚煤层综放开采自燃预测与防治成套技术

　　煤层大倾角开采、火区影响和孤岛开采等复杂条件开采在易自燃厚煤层群开采中占有很大比例。但是由于复杂条件的影响，综放工作面自然发火的预测预报和防治具有特殊性和复杂性，难度较大。

　　齐庆杰说，要解决以上情况主要存在如下技术难题：煤低温氧化自燃机理认识不清，现有的判定煤自燃难易程度和自燃发火期预测方法准确性不高，传统的采空区自然发火监测和预测预报指标可靠性差；缺少对大倾角煤层、火区影响下和孤岛开采等特殊与复杂条件下易自燃厚煤层群综采放顶煤开采自燃防治技术的研发、优化、筛选和有效集成等。

　　针对复杂开采条件下综放工作面自燃发火防治技术难题，该项目组历经6年攻关和反复实践改进，建立了复杂开采条件下易自燃厚煤层群综放开采采空区自燃一体化防治理论与技术，取得了一系列重大创新。

　　实验研究了煤的低温氧化自燃特性，建立了煤自燃化学反应动力学模型，提出了以煤自燃活化能为指标的煤自燃难易程度判定和自然发火期预测新方法，解决了现有的吸氧法判定煤自燃难易程度准确性不高、现场统计法预测自然发火期指导性不强的技术难题。

　　目前我国煤自燃难易程度的判定方法广泛采用吸氧法，由于只考虑煤的吸氧量大小，受测试条件影响较大，不能从本质上反映煤自燃难易程度。我国煤自燃发火期预测普遍采用现场统计法，由于采用的是现场统计结果，不能有针对性实时指导防灭火工程实际。

　　——项目针对上述不足，该项目采用热重分析技术，实验研究了煤的低温氧化自燃过程，得到了煤自燃的特征温度点，发现不同煤种自燃的特征温度点不同。

　　——建立了煤自燃化学反应动力学模型，提出了以煤自燃活化能为指标的煤自燃难易程度判定新方法和基于化学反应动力学的煤自然发火期预测新方法。

　　——基于煤自燃化学反应动力学模型，分别理论计算各反应阶段的反应时间，反应时间之和即为煤的自然发火期预测值。

　　建立了基于红外光谱技术和气相色谱分析技术的煤自然发火定量预测预报指标体系，研发了采空区束管气体监测和光纤温度监测系统，提出了以氧浓度、漏风风速和浮煤厚度相结合的采空区自燃危险区划分新方法，结合基于变形几何的动态采空区数值模拟方法，获得了复杂开采条件下综采放顶煤工作面采空区自燃“三带”的分布特征和规律，实现了煤炭自燃准确预报。

　　目前自然发火严重的矿井煤层自然发火预测预报指标不明确，缺少定量预测预报指标；现有的束管气体监测和温度监测受放煤工艺影响、可靠性差，传统的采空区自燃危险区划分方法对不同赋存和开采及生产工艺条件适用性不强等。

　　——项目创新了煤自然发火定量预测预报指标体系。采用程序升温、傅利叶变换红外光谱分析和气相色谱分析方法，提出了不同煤层自然发火指标气体生成的温度特征值，获得了不同通风条件下自然发火指标气体生成浓度与温度的关系，建立了不同煤层基于CO和C2H4等气体指标的自然发火综合预测指标体系。

　　——集成研发了采空区自燃监测系统。基于强力保护的综放工作面束管气体监测系统和高可靠性的光纤温度监测系统，联合在线监测采空区灾害气体和温度变化，实现了煤炭自燃准确预报。

　　——建立了综采放顶煤工作面采空区自燃危险区划分新方法。针对放顶煤开采采空区遗煤量大的特点，提出了以采空区氧浓度、漏风风速和浮煤厚度相结合的采空区自燃危险区划分新方法，提高了复杂开采条件下采空区自燃危险性预测准确性。

　　——首次提出了采空区自燃“三带”动态预测和优化方法。建立了基于变形几何的动态采空区灾害气体浓度和温度分布数值模拟预测方法，实现了对各类复杂开采条件下综采放顶煤工作面采空区自燃“三带”的分布参数的预测和优化。

　　分类提出了大倾角、火区影响和孤岛开采条件下易自燃厚煤层群综采放顶煤开采自燃防治成套技术，确定了复杂条件下采空区自燃防治技术关键工艺参数，在阜新、北票、平庄、兖州等矿区典型工作面成功应用，实现了复杂条件下综放工作面的安全高效开采。

　　——项目创新研发了大倾角条件下易自燃厚煤层群综采放顶煤开采自燃防治成套技术。针对大倾角煤层（30~45°）综放面采空区上覆岩层冒落及遗煤堆积不均匀、防灭火难度大的特点，研发了以采场风量调控、惰化降氧等关键技术为主体的综合防灭火技术体系。提出了采场风量调控方法，优化了采场风量调控、注氮和灌浆工艺关键技术参数。该成套技术在平庄矿区古山矿065-2综放工作面成功应用和阜新海州立井3315综放工作面成功应用，有效预防了煤层自然发火。

　　——集成创新了火区影响下易自燃厚煤层群综采放顶煤开采自燃防治成套技术。研发了以隐蔽火源超前探测治理、火区风压动态调控、惰化降氧、阻化惰化泡沫等关键技术为主体的综合防灭火技术体系。采用煤矿井下热红外热成像技术和超前探测技术，精准探测和圈定火区范围；建立了上部老火区和回采工作面压力动态平衡调控方法，优化了调控参数；自主研发了液体阻化泡沫制备工艺，采用阻化泡沫和液氮降温惰化技术治理火区。应用该成套技术，平庄古山矿065-2综放工作面探测和圈定火区4个，实现跨越430米连续火区，走向长920米的大倾角特厚煤层综采放顶煤工作面的安全、高效开采。

　　——研发了孤岛开采条件下易自燃厚煤层群综采放顶煤开采自燃防治成套技术。研发了以孤岛工作面大面积复合采空区风压动态平衡调控、液体泡沫固化封堵技术为主体，联合采空区风流阻断隔氧等关键技术的综合防灭火技术体系。优化了回采工作面采场和相邻采空区压力动态平衡调控参数；自主研发了液体泡沫固化方法，实现了孤岛工作面邻近采空区漏风封堵、密闭加固和风流阻断挡墙的快速构建。该成套技术成功应用于兖州天池煤矿102综放孤岛工作面的安全高效开采。

　　国际领跑复杂开采条件下易自燃厚煤层综放开采自燃预测与防治成套技术研究

　　——针对大倾角、火区下、孤岛等复杂开采条件下综放工作面自燃发火防治技术难题，通过本项目的研究，形成了复杂开采条件下采空区自燃一体化防治理论与成套技术成果，丰富和完善了易自燃厚煤层群综放开采自然发火预测和防治技术体系与实践，推动了煤矿安全开采科学技术进步。

　　——提升了煤矿安全生产技术保障水平，有力促进了高产高效矿井和和谐矿区建设。该项技术成果在阜新矿业集团、平庄煤业集团、兖州煤业集团等所属9个矿井推广应用以来，准确预测了矿井火灾，有效预防了矿井火灾，杜绝了自然发火灾害，提升了矿井火区治理、自燃火灾预测与防治整体技术水平和管理水平，提高了矿井抗灾能力，实现了安全高效生产，取得了较大的经济效益和良好的社会效益，有力促进了高产高效矿井建设和和谐矿区建设。

　　——培养了一支高素质的创新型人才和技术人才队伍。项目研究和实施过程中，培养了一支100余人的煤炭自燃火灾的预测与防治技术专业队伍，提升了煤矿安全技术与管理水平，为企业健康可持续发展奠定了人才基础。

　　形成的复杂开采条件下采空区自燃一体化防治理论与成套技术得到专家高度评价

　　2009年12月29日，国家安全生产监督管理总局组织专家对“采空区液氮降温防灭火工程设计与应用研究”项目进行了鉴定，以中国煤炭科工集团首席科学家宁宇为组长的鉴定委员会认为：“项目成功地解决了3315工作面采空区自燃发火隐患问题，为解决阜矿集团防火降温难题提供了一条新的技术途径”，“为类似条件的矿井采空区防灭火提供了宝贵的可供参考借鉴的经验”，“项目总体达到国内领先水平”。

　　2010年12月22日，内蒙古自治区科学技术厅组织专家对“火区影响下大倾角煤层综放开采自然发火规律与防灭火技术研究”项目进行了鉴定，中国煤炭科工集团火灾防治首席科学家梁云涛为组长由专家组认为：“项目在以着火活化能为指标的煤层自然发火特性研究方法，氧浓度法、漏风风速法和浮煤厚度相结合的采空区自燃 ‘三带’综合划分方法以及应用新型材料的防灭火技术方面具有创新性”，“项目研究获得一整套大倾角特厚煤层综放开采采空区自然发火防治适用技术，丰富和发展大倾角特厚煤层综放开采采空区自然发火预防技术体系与实践，对于其他开采条件类似的矿井采空区防灭火工作具有示范指导意义和很好的推广应用前景”，“项目成果达到国际先进水平”

　　2012年11月22日，中国煤炭工业协会组织专家对“高瓦斯自燃煤层综放孤岛工作面自然发火特征及防灭火技术”项目进行鉴定，鉴定结果认为：“项目通过活化能指标的煤层自然发火特性研究，优选出适合天池煤矿15号煤层的阻化剂”、“研究分析了天池煤矿102综放孤岛工作面采空区自燃 ‘三带’的分布特征，得出了工作面阻化泡沫、固体泡沫挡墙、风量、均压等因素对采空区自燃‘三带’分布的影响规律”，“研究成果达到国际先进水平”。 

　　领军人物

　　齐庆杰，长期从事矿山安全工程、能源与环境领域的科研工作，研究方向为矿井灾害防治、矿山环保和洁净煤燃烧技术。承担和参加国家“973”、国家科技攻关和国家自然科学基金等国家级项目7项，主持省部级项目8项，承担企业委托重大工程项目10余项；获国家科技进步二等奖1项，省部级科技进步一等奖3项，二等奖6项，三等奖8项；授权和受理国家发明专利8项，发表学术论文120余篇。

　　在高瓦斯、易自燃厚煤层群开采领域，提出采用热重联合远红外光谱分析技术研究煤炭自燃过程的方法和无保护层开采条件的突出厚煤层群安全开采技术，建立了近水平和大倾角特厚煤层群综放开采瓦斯和自然发火联合防治技术体系。研究成果处于国际领先水平，并在鹤岗国家示范矿区成功推广应用，创经济效益1.7亿元。在煤炭自燃防治领域，创新性开展了煤层自然发火新理论与预防新技术的研究，将热动力学引入煤炭自燃机理的研究领域，建立了煤炭自然发火判别新方法和行业标准，为有效遏制煤矿重特大灾害事故的发生提供了技术支撑，开发的成套预防技术在神华、大同、阜新等6矿区成功应用，创经济效益2.8亿元，研究成果处于国际领先水平。在矿井粉尘防治理论和技术领域：提出了基于“双流体” 理论的矿井粉尘运动分析方法，开发了矿井井下和地面选煤厂粉尘自动监测监控和防治成套技术，研究成果处于国际先进水平，获省部级科技进步奖4项。

　　曾担任首届国家煤矿安全技术专家，多次参加全国煤矿安全会诊工作。现任第五届全国煤矿安全生产技术专家组专家，中国煤炭工业协会通风和瓦斯防治专家委员会委员，中国煤炭学会安全工程专业委员会委员，教育部高等学校安全工程专业教学指导委员会教学评估分委会委员，中国煤炭学会科普工作委员会委员，2011年获国务院特殊津贴，2012年获辽宁省首批特聘教授。

　　在科研管理，推进科技成果转化，促进地区产业升级和经济转型方面：组织全校师生服务阜新经济转型，在市校会商、科技成果转化政策制定、科技平台建设、学校师生与阜新产业基地对接、联合科技攻关、科学普及和推动学校科技成果在阜新地区应用转化和产业化方面做出了突出贡献。2012年荣获市委、市政府颁发的“阜新市科技创新贡献奖”，2017年荣获 “阜新市科学技术贡献奖”。