礦井火災學-4(6、7節(jié))

第六節(jié)凝膠防滅火20世紀70年代美國原礦山局評估了三種密封堵漏材料，評估結果顯示胍爾膠凝膠是唯一的富有彈性、易于制備、適用于煤礦并且壽命較長的密封堵漏劑，且該凝膠的組分大部分是水，它可以熄滅或冷卻其附近的煤炭自燃。1985年，在俄國，由水玻璃、硫酸氨以及水制成的凝膠溶液被用于礦井采空區(qū)的防滅火，取得較好防滅火效果。

20世紀80年代后期，隨著我國煤礦開始廣泛采用綜采放頂煤開采技術，原有的防滅火技術不能完全滿足安全生產的需要，凝膠防滅火新技術應運而生。1990年西安礦院防滅火課題組和大同礦務局科研人員，把凝膠技術應用在煤礦儲煤場防滅火，獲得較佳效果；隨后凝膠技術又被用在井下“綜采面”、“綜放面”防滅火，也獲得成功，為我國的放頂煤開采提供了一項新技術。1995年，中國礦業(yè)大學研制了凝膠阻化劑，采用水玻璃(xNaCl·ySiO2·2H2O)加速凝劑混合而成，將其噴灑到采空區(qū)后，能夠在浮煤表面形成一層保護凝膠層，隔絕煤氧接觸，有效封堵了煤的裂隙及采空區(qū)的漏風通道，阻止了煤炭的氧化自燃，防火效果優(yōu)于常規(guī)阻化劑。后來耐溫高水膠體和粉煤灰膠體等一些改進后的滅火材料相繼在礦井防滅火中獲得較廣泛使用，在使用效果和節(jié)省成本上都較單純的凝膠材料有很大的提高。2003年，作者根據我國西北地區(qū)缺土少水而山砂較多的特點，研制出了具有懸浮稠化作用的新型凝膠――懸砂稠化劑，使凝膠防滅火技術內容更為豐富。一、凝膠及其特性1、凝膠的定義和特性膠體是指含分散顆粒的尺寸在1~100nm（1nm=10-9m）的水溶液。在適當的條件下，溶膠或高分子溶液中的分散顆粒相互聯(lián)結成為網絡結構，水介質充滿網絡之中，體系成為失去流動性的半固體狀態(tài)的膠凍，處于這種狀態(tài)的物質稱為凝膠。凝膠是膠體的一種特殊存在形式，是介于固體與液體之間的一種特殊狀態(tài)，它既顯示出某些固體的特性，如無流動性，有一定的幾何外形，有彈性、強度和屈服值等。但另一方面它又保留某些液體的特點，例如離子的擴散速率在以水為介質的凝膠中與水溶液中相差不多。2、凝膠的種類根據制備凝膠基料化學性質的不同，凝膠主要可分為有無機凝膠和有機凝膠兩大類。（1）無機凝膠無機凝膠主要由基料、促凝劑和水按照一定比例配置成水溶液，發(fā)生凝膠作用而形成，膠體內充滿著水分子和一部分其它物質，硅凝膠起框架作用，把易流動的水分子固定在硅凝膠內部。成膠的過程是一個吸熱過程。對于由兩種原料在水中經過物理或化學作用形成的膠體，通常把主要成膠原料稱為基料，把促成基料成膠的材料稱為促凝劑或膠凝劑?；虾痛倌齽┌凑找欢ǖ谋壤渲贸伤芤?。在礦井防滅火常用的硅凝膠，水玻璃是基料，碳酸氫銨或硫酸氨或鋁酸鈉為促凝劑。無機凝膠存在失水后會干裂、粉化和滅火后的火區(qū)易復燃的不足。防火時，基料8～10%，促凝劑3～5%；滅火時，基料6～8%，促凝劑2～4%。成膠時間由基料和促凝劑的比例而確定，一般基料與促凝劑在水溶液中的比例越大，成膠時間越短。當基料為90～100kg/m3時，成膠時間為7～8min，促凝劑為20kg/m3；成膠時間為3～4min時，促凝劑比例為30kg/m3；成膠時間為25s時，促凝劑為50kg/m3。促凝劑為碳酸氫氨的凝膠，防滅火性能好，成本低，但碳酸氫銨在低溫下容易分解，具有很大的刺激性氣味——氨味，對井下工人的健康有危害。采用偏鋁酸鈉等其它促凝劑，可以避免產生有害刺激性氣體，但是形成的凝膠的防滅火性能和穩(wěn)定性稍差，成本也高一些。（2）有機凝膠（高分子凝膠）有機凝膠也稱高分子凝膠。高分子凝膠是指分子量很高（通常為104~106）一類的高分子化合物的溶液。這種高分子化合物吸水能力很強，與水接觸后，短時間內溶脹且凝膠化，最高吸水能力可達自身重量的千倍以上。目前用于礦井的高分子防滅火材料以聚丙稀酰胺、聚丙稀酸鈉為主要成分。這種膠體材料與水玻璃凝膠相比，使用時僅采用單種材料，使用量小，通常為0.3~0.8%，在井下使用方便，且對井下環(huán)境無污染。這種膠體附著力強，可充分包裹煤炭顆粒，隔絕與氧氣的接觸。高分子凝膠材料的不足在于其成本較高，且吸熱與成膠能力均不如由水玻璃與碳酸氫銨構成的銨鹽凝膠。二、凝膠防滅火技術凝膠防滅火技術是將基料、添加劑與水按一定比例混合，然后用泵(或注漿系統(tǒng))壓注到煤層發(fā)火部位，先使注入口附近火源表面降溫，在泵壓和自重作用下，混合液體滲入到煤體裂隙和微小孔隙中，在發(fā)火部位形成凝膠或膠體，阻斷氧擴散，阻止煤體繼續(xù)氧化放熱，進而降低煤體內部溫度，從而達到防滅火的效果。1、凝膠的防滅火特性凝膠防滅火技術作為礦井火災的防治技術之一，依靠其獨有的自身特點在防治“綜采面”、“綜放面”的特殊區(qū)域火災上有明顯的優(yōu)點，總結起來主要有以下四點：（1）凝膠易將流動的水分子固定起來，膠體中90%（質量分數）左右是水，從而充分發(fā)揮了水的防滅火作用。成膠前液態(tài)的溶液能滲入到煤體的裂隙和微小孔隙中，成膠后就堵塞了這些空隙和裂隙，與煤體一起形成一個凝膠整體，封堵煤的裂隙及采空區(qū)的漏風通道，使氧分子無法進入煤體的內部。（2）膠體能在煤的表面形成一層保護凝膠層，隔絕煤氧結合，其水蒸發(fā)形成的水蒸氣，也使采空區(qū)氧氣濃度降低，減少了煤與氧分子的接觸機會。（3）凝膠具有很高的熱穩(wěn)定性，在高溫下膠體仍有很好的完整性而不破滅。（4）凝膠具有很好的阻化性能，促凝劑和基料本身就是一種很好的阻化劑，能夠阻止煤的自燃，所以起到了一般阻化劑的阻化效果。此外，成膠時間可以控制?？梢愿鶕煌陌l(fā)火情況和現場使用的工藝設備，調節(jié)其促凝劑和基料的比例從而控制凝膠的成膠時間。綜上所述，可用八個字來概括凝膠防滅火特性：固水、隔氧、耐熱、阻化。2、材料選取的原則用于防治礦井火災的凝膠目前較多，但是不同的礦井對材料又有不同的要求。根據煤礦火災的特點，礦井防滅火凝膠材料的選擇應遵從以下的原則：（1）無毒無害，對井下工作人員的身體健康沒有危害，對設備無腐蝕，對井下環(huán)境無污染。（2）價格低廉，工藝設備簡單。防滅火材料要有經濟實用性，同時由于受到井下特定工作環(huán)境的限制，因此要求工藝設備簡單，便于在礦井下現場應用。（3）要有良好的堵漏性。將氧氣進入煤層的通道堵塞后，就大大的會降低其空間氧氣的濃度，同時，外界的氧氣很難進入采空區(qū)。（4）具有滲透性好的性能。要能夠很容易的進入松散煤體的內部，從而與煤體形成一有機的整體，使氧分子很難進入煤體內部。（5）要有良好的耐高溫性能。由于在煤炭自燃的區(qū)域，往往有很高的溫度，因此材料在高溫下不分解，保持原有的特性，才能充分發(fā)揮其防滅火效果。（6）吸熱性能好。材料應該具有高的比熱容，這樣就能加速高溫煤層溫度的降低。3、技術參數和性質（1）成膠時間礦井滅火一般選擇成膠體的時間在幾十秒導十分鐘之間的成膠原料，根據不同的使用條件，要求膠體有不同的成膠時間。用于封閉堵漏和撲滅高溫火源點，其成膠時間應控制在混合液體噴出槍頭30秒內；用于阻化浮煤自燃成膠時間應控制在混合液體噴出槍頭5～10分鐘。（2）固水性膠體都有固水性，能夠是一定量的水固定在膠體網狀結構骨架中失去流動性。不同的膠體，固水的能力不同。例如：硅酸凝膠，可以把90％以上的水固定在其網狀結構中，失去流動性。一般來講，膠體的固水量都在80%以上。膠體能夠利用固定在其內的大量水分，充分發(fā)揮水滅火的特性，不僅如此，由于固定水失去了流動性，因而可向高空堆積，撲滅巷道及工作面頂部等高處火災。（4）滲透性在礦井滅火過程中，需把膠體注入到發(fā)火的煤體里。著火的煤體常為破碎的松散煤體，它實際上是包含了大量空隙和裂隙的多孔介質。滲透性是多孔介質傳導流體的性能，其數值的大小不僅與骨架的性質（顆粒成分、分布、大小、充填）有關，還與流體的性質有關。試驗證明，當膠體的濃度為2％時，膠體的屈服值大于其自身的重力，所以可滯留在煤層中。（5）吸熱性膠體的主要成分是水，由于水的比熱容很大，因此水溫的升高可以吸收大量的熱能，從而降低煤層內部溫度。煤的燃燒進入了高溫階段后，膠體中的水分汽化又能吸收大量的熱能?？梢杂嬎?，基料濃度為6％時，1m3膠體汽化后吸收熱量為4×104kJ。（6）耐高溫由于凝膠內固化有大量的水，高溫下的膠體中的水分緩慢蒸發(fā)，因此膠體內部溫度不會升到很高，也就是說凝膠在高溫下不會迅速汽化。此外凝膠防滅火技術還具有材料來源廣泛、滅火工藝相對簡單等特點。4、技術工藝根據礦井具體條件和不同用途可采用不同的工藝。凝膠是由基料A和促凝劑B與水W按一定比例混合均勻而成，采用的工藝有如下幾種：１）單液箱式注膠系統(tǒng)該工藝如圖4-6-2所示。先把B與W混合均勻，再把A加入，混合均勻。然后用泵在混合液成膠前運至使用地點成膠。該工藝適用于成膠時間較長，用量不太大的地點，可采用靜壓或泥漿泵輸送膠體。對火區(qū)密閉巷道的充填，也可用該工藝。工藝缺點是不能連續(xù)運行。圖4-6-2單液箱式系統(tǒng)２）雙箱雙泵注膠系統(tǒng)采用雙箱雙泵工藝系統(tǒng)，如圖4-6-3所示。在該工藝系統(tǒng)中，把基料A和促凝劑B按一定比例與水在礦車（或水箱）內攪拌均勻，然后同時啟動兩臺泵。經兩泵抽出的A液體和B液體在混合器內混合后，由膠管輸送到注膠鉆孔，待兩種溶液輸送完后，用清水稍沖洗泵和管路，重新配制。通過實踐證明，此種注膠工藝簡單易行，膠體質量穩(wěn)定。但配料要求掌握嚴格，而且兩臺泵的壓力和流量要相同，保證注膠配比均勻，否則將發(fā)生膠體凝結堵泵堵管現象（停泵前一定要用清水沖洗泵和管路）。圖4-6-3雙箱雙泵系統(tǒng)３）井下移動式注膠系統(tǒng)當井下出現局部高溫區(qū)或火點時，需要輕便靈活的注膠設備及工藝。井下輕便移動式注膠工藝主要是通過多功能膠體壓注機把各種膠體材料按比例混合、攪拌，輸送到火源點。該工藝使用方便靈活，對于局部火區(qū)、高溫區(qū)可進行快速有效處理。如圖4-6-4所示。移動式注膠系統(tǒng)通常注膠的流量不大，因此，對于大面積高溫火區(qū)來說，該工藝系統(tǒng)不能及時快速的解決。井下移動式注膠系統(tǒng)的應用主體是移動式膠體壓注系統(tǒng)，該系統(tǒng)把基料、促凝劑以及增強劑和水按比例混合，并壓注進入松散煤體中?，F場應用的井下移動式注膠系統(tǒng)主要有間歇式注膠系統(tǒng)、連續(xù)式注膠系統(tǒng)、定量配比泵注膠系統(tǒng)和全自動或半自定量配比注膠系統(tǒng)等。圖4-6-4井下移動式注膠系統(tǒng)原理圖5、適用范圍及注意事項凝膠對于高位火點的防治有較好的作用。如高溫點發(fā)生在上部的裂隙中，用一般的防滅火技術措施難以奏效，采用注凝膠方式，可使凝膠在上部的裂隙中堆積，堵塞漏風通道，起到防滅火作用。對于底部的煤炭自燃點，則采用注水、黃泥或粉煤灰漿均能起到很好的作用，漿體的滅火性能會更好，因為漿體的流動性好，只要知道明確的火源，注入的漿體能夠到達火源點，最好采用一般注漿方法。此外，凝膠防滅火的設備操作相對簡單，但對現場人員配料有較高的要求，一般無機凝膠材料的配比為，基料的使用量為漿量的7%～10％，促凝劑為5%～6％，正確掌握其配比，是保證凝膠防滅火技術效果的關鍵。6、應用實例現以棗莊柴里煤礦2321工作面防滅火工作為例，來具體介紹凝膠防滅火的現場應用情況。該工作面為高檔普采工作面，開采煤層氣煤，煤層瓦斯含量低，煤層有爆炸危險性和自然發(fā)火傾向，巷道布置如圖4-6-5所示。圖4-6-5

2321工作面布置圖該工作面一分層于1993年8月開采，1994年2月停采。開采期間，工作面采用單體液壓支柱，鉸接頂梁、金屬菱形網漫頂支護方式，溜子道進風，材料道回風，進風量為450m3/min。2321兩巷于1994年4月開始掘進，采用局部通風機通風。由于停采線冒落不實，造成停采線處漏風，漏風量高達200m3/min左右，封堵工作也十分困難。當二分層溜子道掘至450m、材料道掘進至550m時在材料道停采線附近巷道頂板上出現CO和少量的煙霧，繼而在溜子道停采線處發(fā)現明火。為了消滅此次火災，采取了一邊由救護隊員直接滅火控制火勢，一邊以常規(guī)打鉆注漿為主的滅火措施。共施工鉆孔200個余個，累計進尺2500m，注漿注水10000m3，但由于鉆孔深度不夠、漿水擴散面積有限，致使滅火效果較差，隨后又在停采線外側新掘進了120m長的滅火巷，在滅火巷內向一分層停采線及火點打鉆注水、注漿、后期注凝膠。1）注凝膠工藝系統(tǒng)采用如圖4-6-3所示的雙箱雙泵工藝系統(tǒng)。該注膠方式簡單易行，膠體質量穩(wěn)定。但配料要求掌握嚴格，而且兩臺污水泵壓力和流量必須相同，以保證注膠配比均勻，否則將發(fā)生膠體凝結堵管現象（停泵前一定要用少量清水沖洗泵和管路）。2）注凝膠工藝參數①注凝膠范圍、凝膠量。根據2321工作面現場火災情況分析認為，注凝膠范圍應在溜子道停采線里長30m，寬10m范圍內。根據采空區(qū)壓實程度，確定注膠量為150m3。②凝膠配料。根據流量和輸送管路長短及采空區(qū)空隙率，選用成膠時間為3～4min?？紤]到用于停采線附近采空區(qū)浮煤自燃和堵漏的雙重作用，采用基料為7%左右的配方，具體為：A、B箱中各加水約800kg，在A箱里加基料136kg，在B箱里加促凝劑60kg，攪拌均勻。邊遠鉆孔和采空區(qū)深部注凝膠時，為使混合液在采空區(qū)滲透更大的范圍，選用了6～7min成膠，B箱里加促凝劑50kg。③鉆孔分布。在2321溜子道和防火巷注膠時，利用前期的注漿鉆孔，由停采線外側沿溜子道向里依次注膠，每次注4～6個鉆孔。根據鉆孔的布置密度和凝膠范圍，要保證每個鉆孔注膠量不小于1～2m3。注凝膠鉆孔布置如圖4-6-6所示。圖4-6-6注凝膠鉆孔布置圖3）應用效果1994年12月至1995年1月，先后在2321溜子道、防火巷注凝膠100余個孔，注凝膠120m3。首次注膠后，監(jiān)測取樣點的CO深度逐漸下降，直到下降為零；回風流溫度由注膠前的29℃降到24℃。在正常供風條件下，加強監(jiān)測，自注凝膠后從未查到CO氣體成分。1995年2月恢復了正常掘進生產，達到了較為理想的防治效果。三、稠化砂漿防滅火技術我國西北部地區(qū)地表缺土少水，山砂資源相當豐富，采用常規(guī)的黃泥注漿防滅火技術面臨困難，注砂滅火技術卻正好可以利用這些資源在這些特殊地區(qū)發(fā)揮滅火的功能，但在礦井滅火實踐中發(fā)現，普通的注砂方法需水量大、易脫水、易沉淀、易磨損管路。為克服上述缺陷，作者領導的課題組開發(fā)了一種防治礦井火災制漿用的特殊凝膠――KDC懸砂稠化劑，豐富了我國現有的礦井滅火技術。1、稠化劑材料及其性質稠化砂漿防滅火技術所選用的KDC型稠化劑由天然高分子材料制成，是從天然植物中提取出來的多糖聚合物，其分子結構是甘露糖醛酸（β-1.4-DMannuronicacid）與古羅糖醛酸(α-.4-LGuluronicacid)構成，在線性分子鏈中呈不規(guī)則的嵌段性排列。該添加劑親水性極強，溶于水后呈黏稠狀膠液，含有一價鹽（Na+，K+，NH4+）、鎂鹽、汞鹽及其它一些衍生物。KDC型稠化劑所選取的材料特性突出：（1）在水中形成的三維網狀結構和高粘度特性可以懸浮固相物質制成復合漿體，在水溶液中的溶解性隨pH值的增大而增加，在pH值為5.8～7.5之間的水溶液為均勻透明液體，粘度隨pH的變化成一倒鐘形曲線，在pH＝7時粘度最大；（2）具有屈服假塑性流體特性，在低剪切速率(6～20ｓ-1)下，能達到的粘度為0.33～2.94Pa·s；在0.4%的水溶液濃度條件下，屈服應力約為5～10Ｐａ，其粘度是水的1500多倍；（3）無毒無味無害，不污染環(huán)境，且使用成本低廉；（4）砂漿穩(wěn)定，懸浮時間長。在靜止狀態(tài)下，水砂質量比為2∶1的砂漿懸浮時間大于48h。2、稠化砂漿滅火技術特性稠化砂漿防滅火技術是在原有注砂滅火的技術上，在砂漿中添入天然高分子材料制成的稠化劑，通過加砂攪拌得到稠化砂漿，利用槽車將其運輸至井下，然后通過移動式注漿系統(tǒng)噴射到自燃發(fā)火火煤層表面，通過覆蓋煤層，隔絕氧氣，達到滅火效果。該技術較傳統(tǒng)滅火技術相比：（1）將砂泥懸浮，提高砂了漿粘度，增加了砂量，減小了水砂比；（2）由于砂子懸浮在管道中，且泥漿又有較高的粘度，能極大地降低砂漿對管路的磨損；（3）水溶液具有成膜特性，使砂漿成為連續(xù)密實的覆蓋層，注入采空區(qū)后能夠有效覆蓋遺煤，隔絕浮煤與氧氣的接觸；（4）砂漿中的山砂可捕獲煤炭自燃過程中生成的自由基，從而阻斷煤的低溫氧化過程，具有較強的防滅火作用。圖4-6-7為采用神東礦區(qū)的山砂在實驗室制出稠化砂漿，該稠化砂漿流動性較好、不堵管、堵漏隔氧效果好。

（a）制備過程中的稠化砂漿(b)制備好的稠化砂漿圖4-6-7實驗室制出的稠化砂漿3、懸稠砂漿技術參數(1)粘度粘度是一個很重要的參數，它影響著稠化砂漿在管道內的流動特性。經過實驗室的不斷試驗和改進以及滅現場的實踐證實，稠化砂漿在低剪切速率(6～20ｓ-1)下，能達到的粘度為0.33～2.94Pa·s；在高剪切速率(>500s-1)下的表面粘度<0.28Pa·s。這一參數滿足了現場的滅火要求，較傳統(tǒng)技術相比降低了注漿材料在管道中的流動阻力，具有可泵性好的特點。(2)懸砂特性稠化砂漿防滅火技術的關鍵是將砂漿懸浮，可將砂漿懸浮的最低稠化砂漿濃度則成為衡量該技術是否經濟實用的關鍵指標，實驗證實：其濃度僅為0.4%時就可以完全把砂漿懸浮起來。不僅如此，稠化添加劑還可作為單料使用，不再需要其它的復配物，可在地面或井下一次性添加，形成的稠化砂漿可長距離輸送，使用方便，工藝簡單。4、懸稠砂漿生產工藝懸稠砂漿的生產系統(tǒng)包括以下幾個部分：熱水罐、消化罐、制漿罐、提砂機、加熱系統(tǒng)、泵及配套管路。其生產工藝流程程如下：將原料切碎并在消化罐中浸泡，然后將浸泡水排凈，將熱水缺罐中的熱堿水加入消化罐，使原料分解，然后將消化液加入制漿罐稀釋，并加入觸變劑配置出稠化劑，將山砂加入稠化劑中攪拌均勻，制備出的砂漿即可泵送至井下。工藝流程如圖4-6-8所示。切碎原料浸泡排污水消化注入井下稠化砂漿稀釋、觸變得到稠化劑通入熱堿水加砂攪拌圖4-6-8稠化砂漿的生產工藝流程圖地面制漿系統(tǒng)有稠化劑制系統(tǒng)、砂漿生產系統(tǒng)以及電氣控制系統(tǒng)三部分組成，其中砂漿生產系統(tǒng)如圖4-6-9所示。圖4-6-9在神東礦區(qū)的防滅火稠化砂漿生產系統(tǒng)5、現場應用大柳塔煤礦活雞兔井位于陜西省神木縣中雞鎮(zhèn)境內烏蘭木倫河西岸，井田南北長89km，東西寬74km，面積約63km2。陜西省煤田地質局185隊提供的井田精查地質報告表明，活雞兔井田地質儲量95078萬ｔ，可采儲量62410萬ｔ，可采煤層七層，主采煤層1-2煤、2-2煤和5-2煤。煤種為不粘結煤和長焰煤。該井田煤層埋藏淺，地質構造簡單，開采和賦存條件優(yōu)良，瓦斯含量低，但易自燃，煤塵有爆炸危險?；铍u兔井三盤區(qū)1-2煤綜采面從2003年10月開始，先后回采了21302、21301、21303三個面，在回采期間，采空區(qū)遺煤較多且存在嚴重漏風，礦井的防滅火形勢十分嚴峻。為解決該礦井的煤炭自燃問題，神東煤炭公司決定采用防滅火稠化砂漿進行煤炭自燃防治工作。（1）注漿工藝：在礦區(qū)附近制備稠化砂漿（20t/罐）——20噸槽車運輸至活雞兔井井口工業(yè)廣場——經槽車壓轉到5噸農用車——農用車運輸至21304回順各聯(lián)巷密閉前——經加壓泵和注漿管向采空區(qū)進行灌注。（2）注漿地點：21303綜采面采空區(qū)（21304回順與21303運順間84-2聯(lián)巷、21303回撤通道及輔巷內）。（3）注漿方式：采用槽車泵送的方式注漿，即槽車開至注漿位置（21304工作面回風順槽）處，通過柔性軟管及可快速裝卸式法蘭盤將槽車的出料孔與注漿泵的入口相連接，再用柔性管將注漿泵的出口與聯(lián)巷磚密閉預留的2寸鐵管連接好，采用注漿泵通過2寸鐵管將砂漿泵送至21303采空區(qū)。（4）注漿壓力：泵站壓力達到5MPa以上。（5）注漿量：灌注點85個，以每個注漿孔灌注量200m3（長16m×寬5m×高2.5m）計，共需灌注稠化砂漿17000m3。第七節(jié)三相泡沫為了防治煤炭自燃，國內外廣泛采用注漿、灑阻化劑、注惰氣、注凝膠、膠體泥漿、阻化汽霧等技術。這些技術對保證礦井安全生產起到了重要作用，但還存在不足：采用注漿技術，漿體注入到采空區(qū)后，一般為由高向低的“線”流動（即“拉溝”現象），擴散范圍小，漿液易流失，有時還會發(fā)生潰漿事故；注惰性氣體，氣體易隨漏風遺散，不易滯留在注入的區(qū)域內，且滅火降溫能力差；注凝膠、泡沫樹脂等，流動性差、流量小、成本較高；注惰氣泡沫，泡沫易破滅，一旦水分揮發(fā)，防滅火的性能就消失。針對目前礦井已有的防滅火技術存在的不足，特別是針對綜放采空區(qū)、巷道高冒區(qū)的隱蔽火源和高位火源治理的難題，作者研制出了防治煤炭自燃的三相泡沫防滅火新技術。三相泡沫防滅火技術集固、液、氣三相材料的防滅火性能于一體，充分利用粉煤灰或黃泥的覆蓋性、氮氣的窒息性和水的吸熱降溫性進行防滅火?，F場應用表明，三相泡沫防滅火技術對一般采空區(qū)煤炭自然發(fā)火、大型火區(qū)及火源位置不明區(qū)域、綜放工作面的高位及巷道高冒火區(qū)、傾斜俯采綜放工作面采空區(qū)煤炭自然發(fā)火的治理和預防，效果相當顯著。本節(jié)將從三相泡沫組成及特性、防滅火特性、防滅火工藝及現場應用等方面對這一新型防滅火技術予以詳細介紹。一、組成及產生機理1、固相成分三相泡沫的固相成分主要是粉煤灰或者黃泥，粉煤灰是火力發(fā)電廠排煙系統(tǒng)中排放，通過收塵器收集的細?；覊m，約占固體廢棄物的70％～85％。粉煤灰有干灰和濕灰之別，用于制備三相泡沫的是干飛灰或是干飛灰的漿液；黃泥取土主要來自礦區(qū)附近地區(qū)，一般都含有大量的雜質以及大顆粒的石頭、硬塊等，進入注漿池之前必須先進行過濾。三相泡沫的形成因固相的加入而變得復雜，因而必須首先對固相成分的顆粒粒度大小、物相組成以及化學性質等進行研究。（1）顆粒粒度大小顆粒的粒度對形成三相泡沫有很大的影響，顆粒的粒度越小，越容易形成三相泡沫，形成的三相泡沫的防滅火性能也越好。顆粒越大，固相顆粒與泡沫之間結合就越弱，顆粒不容易粘附在泡沫上，在重力的作用下就越容易沉淀下落，不能形成穩(wěn)定的三相泡沫。采用LS800激光粒度分析儀對煤礦粉煤灰和黃泥的顆粒粒度進行了測定，儀器的測量范圍為0.05μm-300μm，當顆粒粒度大于儀器測定范圍時，采用篩分的方式來分析顆粒的粒徑，測定結果如圖4-7-1所示。

（a）大屯煤電公司姚橋煤礦的干灰(b)徐州熱電廠的濕灰（c）山東棗莊的黃泥(d)遼寧撫順老虎臺煤礦濕灰（含有爐渣和沙粒）圖4-7-1實驗測定粉煤灰和黃泥的顆粒粒徑分布從圖中可以看出，干灰顆粒成粉狀，又稱為飛灰，顆粒粒徑都基本集中2μm~50μm之間，最大顆粒粒徑都小于84μm；而濕灰因細微部分都隨水流失，顆粒主要集中在5μm~100μm之間，最大顆粒粒徑196.3μm；黃泥在過濾掉其中夾雜的石塊溶于水后，顆粒也很小，主要分布在1μm~80μm之間，最大也不超過128.4μm，；而含有爐渣、沙子的濕灰顆粒粒徑主要集中在100μm~1000μm之間。實驗研究發(fā)現，大的固相顆粒不能粘附在泡沫壁上，這是因為氣泡的承受力大小有一個限度，如果顆粒過大，其重力超過氣泡的承受能力，氣泡就容易破裂，因而不容易形成三相泡沫。取無法粘附在泡沫上而直接沉淀的固體顆粒，測量其顆粒的最小尺寸為300μm。因此，容易形成三相泡沫的顆粒粒度應小于300μm。（2）物相組成利用X衍射法測定粉煤灰和黃泥的物相組成，實驗測定結果如圖4-7-2、4-7-3和表4-7-1所示。圖4-7-2粉煤灰樣品X衍射測試分析圖圖4-7-3黃泥樣品X衍射測試分析圖表4-7-1粉煤灰和黃泥的物相組成成分含量/%成分含量/%粉煤灰黃泥粉煤灰黃泥石英(SiO2)2033硬石膏(CaSO4)－4莫來石(Al6Si2O13)176磁鐵礦(Fe3O4)－4長石((Na,Ca)AlSi3O8)125粘土－－氧化鈣(CaO)816氧化鈦(TiO2)11赤鐵礦(Fe2O3)53其它晶體物質35高溫石英(SiO2)31其它非晶體物質余量余量方解石(CaCO3)11粉煤灰中的礦物組成主要有方石英、莫來石、鱗石英晶體，同時有氧化鐵存在，隨著燃燒時環(huán)境的不同，也可能出現磁鐵礦和少量赤鐵礦等晶體。但粉煤灰中的物相并不是在平衡條件下形成的。燃燒灰渣處于熔融狀態(tài)，經空氣快速冷卻，就可能發(fā)生晶化。由于組成中Al2O3含量較高，熔體粘度較大，加之冷卻速度快，在晶化過程中，往往就不容易生成完整晶體，甚至在有些情況下可能保留相當量的玻璃相，按一般估計，玻璃相含量通常在70％以上。此外，粉煤灰中，還可能存在未燃盡的無定型碳及殘留的石英和長石等晶體。黃泥樣品的主體礦物成分為石英和氧化鈣，有部分莫來石、長石、硬石膏、磁鐵礦和赤鐵礦等礦物成分。這些成分均為親水性很強的物質，加入的發(fā)泡劑應具有改變粉煤灰或黃泥表面物理化學性質的特性，即應使粉煤灰表面由親水性變成疏水性，從而能使粉煤灰或黃泥能很容易地附著在泡沫上，從而使固體顆粒黏附在泡沫上形成三相泡沫群體。（3）化學組成由于黃泥顆粒屬于一種惰性物質，且具有較大粘性，能夠更牢固的粘附在氣泡壁上；而粉煤灰是一種活性物質，其化學組成主要是SiO2和Al2O3，兩者總含量一般在60％以上，另外還含有少量的Fe2O3、CaO、MgO等，如表4-7-2所示。表4-7-2測定粉煤灰的化學組成（%）樣品來源SiO2Al2O3Fe2O3TiO2CaOMgONa2OK2OP2O5SO3姚橋粉煤灰柴里粉煤灰48.3252.2329.2924.615.284.681.291.117.769.281.942.010.350.461.060.980.2600.1263.100從化學分析可知，粉煤灰溶于水中必然產生較高濃度的Ca2+離子，Ca2+離子存在會對發(fā)泡劑和穩(wěn)泡劑的性能產生一定的影響。因此，在選擇發(fā)泡劑、穩(wěn)泡劑時，要充分考慮到Ca2+離子的作用和影響。（4）顯微結構粉煤灰是由煤粉燃燒經過急冷，在一定溫度范圍內形成的粉狀硅酸鹽物質。利用電子掃描顯微鏡可以分析研究粉煤灰顆粒的顯微結構。粉煤灰顆粒顯微結構可分為密實微珠、漂珠、海綿狀玻璃體、高鐵磁珠、碳粒等幾大類。大屯姚橋煤礦粉煤灰和棗莊柴里煤礦粉煤灰的顯微結構分析如圖4-7-4和圖4-7-5所示：

圖4-7-4姚橋粉煤灰電鏡照片

圖4-7-5柴里煤礦電廠粉煤灰電鏡照片由上圖可以看出，粉煤灰的顯微結構復雜，主要是由不規(guī)則的海綿狀玻璃顆粒和片狀碳粒子組成，一般的表面活性劑很難將它們懸浮，它們在水中的沉降速度很快，不利于形成三相泡沫。因此在選擇發(fā)泡劑和穩(wěn)泡劑及其他添加劑的時候，應該充分根據粉煤灰的結構特征。2、液相成分三相泡沫的形成是在水介質中進行的，水對固體顆粒的表面性質、發(fā)泡劑的物理化學性質都有較大的影響。水的分子結構很復雜，簡單的說，水是由H+和OH-離子組成，水中氫離子極少，但其電場強度大。水的結構近似四面體，在沒有外電場的作用時，水分子的締合可以達到幾十個或幾百個水分子，但是這種水偶極子之間的聯(lián)系是很弱的。同時，雜質水中含有的大量鐵、鈣離子對三相泡沫的形成有重要的影響。在一些缺水的礦區(qū)，可以采用井下抽到地面的廢水作為液相，這樣節(jié)約了水資源、降低了液相水的成本。對某礦井下循環(huán)廢水測定后得出，廢水渾濁度為20～28、PH為7.5，氧氣飽和量為65%，具體分析結果見表4-7-3。由表可知，水的硬度較高，同時還含有其他各種鹽類雜質，因此在選擇發(fā)泡劑、穩(wěn)泡劑等添加劑的時候，要充分考慮到這些雜質的影響。

表4-7-3某礦井下廢水水質成分測定成分總硬度硫酸鹽溶解性固體硝酸鹽氨鹽鐵錳銅鋅含量（mg/L）47110268610.65.60.020.010.0010.0013、氣相成分由于三相泡沫是通過三相泡沫發(fā)泡器物理機械發(fā)泡形成的，與化學發(fā)泡機理不同。氣體通過機械攪拌、渦流運動等形式直接被液相成分包裹起來。因此三相泡沫的氣相成分可以采用空氣、氮氣、二氧化碳等不溶于水或較難溶于水的氣體。（1）從形成三相泡沫來講，氮氣和空氣的效果比二氧化碳要好。從表4-7-4和圖4-7-6可以看出，氮氣和空氣在水中的溶解度以及被煤體的吸附能力都比二氧化碳要小的多，這樣就有利于三相泡沫的形成。表4-7-4各種氣體在1個大氣壓、200C時的溶解度氣體空氣氮氣二氧化碳溶解度（ml/L）25.423.21281.5圖4-7-6煤體對各種氣體的吸附能力（2）從防滅火效果來講，氮氣三相泡沫要比空氣三相泡沫的防滅火效果好。因為空氣中含有21%的氧，采用空氣可能會給采空區(qū)帶進一定量的氧氣。因此，在礦區(qū)有氮氣的情況下首選氮氣作為氣相。一方面氮氣是一種惰性氣體，除非在特殊的條件和催化劑的參與下，否則很難與其它物質發(fā)生反應，因而本身就是一種很好的防滅火材料；另一方面它可以作為載體，將大量的粉煤灰或黃泥輸送到采空區(qū)。4、三相泡沫的產生由于粉煤灰或黃泥顆粒表面的親水性，當其分散在水中形成泥漿后，顆粒周圍形成了一層水化層，以阻止顆粒黏附在氣泡壁上。當在水中加入表面活性劑后，表面活性劑一方面能使親水性顆粒表面形成親水基朝向粉煤灰或黃泥，疏水基朝向水的定向吸附，使粉煤灰或黃泥表面變成疏水性，這樣易于粘附在氣泡壁上；同時表面活性劑吸附在氣泡壁上，能形成穩(wěn)定的水化層，且能防止氣泡兼并；另一方面表面活性劑能有效地降低漿液的表面張力，有很強的發(fā)泡能力，能克服液相成分中大量陰陽離子及雜質的影響，使水容易形成大量的泡沫群體，三相泡沫的形成過程如示意圖4-7-7所示。圖4-7-7三相泡沫形成示意圖（1）發(fā)泡劑由于粉煤灰或黃泥顆粒表面親水性強、顯微結構復雜很難懸浮而且含有大量陰陽離子，硬度較高，因此，一般的單一表面活性劑很難將粉煤灰或黃泥懸浮，而且漿液中的各種離子與雜質很容易使發(fā)泡劑失去發(fā)泡性能。如圖4-7-8所示，一般的單一表面活性劑只適合兩相泡沫發(fā)泡，難以使固體介質懸浮。

圖4-7-8單一表面活性劑只產生兩相泡沫圖4-7-9均勻穩(wěn)定的三相泡沫三相泡沫發(fā)泡劑是根據三相泡沫的形成及穩(wěn)定機理，通過多種發(fā)泡劑的復配，發(fā)揮各種發(fā)泡劑的協(xié)同作用，并針對三相介質的特性及防滅火要求，加入相關添加劑，而研制成功的一種具有低界面張力、良好的發(fā)泡、穩(wěn)泡以及阻燃性能的表面活性劑，該發(fā)泡劑能使固體介質完全懸浮，形成均勻穩(wěn)定的三相泡沫，如圖4-7-9所示。復配形成的三相泡沫發(fā)泡劑，發(fā)泡劑分子間結合更緊密，極性頭之間的空隙更小，因此很低的濃度下就能使?jié){液完全發(fā)泡并形成高倍數三相泡沫。同時由于分子排列的緊密程度和牢固程度增強，氣泡表面強度和彈性增強，使氣泡透氣性大大降低；電荷增多，使氣泡間的斥力增強，防止了氣泡的合并，因此泡沫具有長時間的穩(wěn)定性。采用灰水質量比1:4的粉煤灰漿液（50ml），通過在量筒中攪拌的方式發(fā)泡，發(fā)泡劑濃度與發(fā)泡能力的關系如圖4-7-10所示，可以看出，形成三相泡沫最佳的發(fā)泡劑濃度為0.2～0.5%，在此實驗條件下形成的三相泡沫穩(wěn)定時間可以達到26小時。同時，漿液濃度對發(fā)泡劑的性能也有一定影響，圖4-7-11表明當灰水質量比為1:4～1:2時，形成的三相泡沫的性能最好。

圖4-7-10發(fā)泡劑濃度與發(fā)泡能力的關系圖4-7-11泡沫性能隨漿液濃度的變化關系（2）發(fā)泡器根據三相泡沫中固相顆粒的特點，作者成功研制出了一種適用于固體顆粒發(fā)泡的三相泡沫發(fā)泡器（2004年獲國家發(fā)明專利授權）。該發(fā)泡器主要采用射流噴射的原理，主要部件之一是內置的文丘里管，文丘里管的流道截面形狀是一個先收縮后擴張的圓形管子；文丘里管的擴散段周邊上設有多個引入氣體的孔隙，其喉頸口處設有集流器和兩個可以旋轉的葉輪。三相泡沫發(fā)泡器結構簡單，發(fā)泡器本身不需要任何動力裝置，僅依靠漿體自身的能量就足以帶動，而且能適應不同固體顆粒粒徑漿液材料的發(fā)泡，實物如圖4-7-12所示。圖4-7-12三相泡沫發(fā)泡器實物圖三相泡沫發(fā)生器利用文丘里管內動壓與靜壓之間的相互轉換，在收縮段，隨著截面積的變小，漿液的流速逐步增大，壓力卻逐步下降。在文丘里管的截面積達到最小(喉部)時，流度達到最大，而靜壓力則達到最小，泥漿成射流狀態(tài)；在發(fā)泡器與集流器之間的旋轉斜面上，已成為湍流渦流，由于高速泥漿射流表面的粘滯和卷吸作用，文丘里管外的氣體可通過擴散管上的孔洞被引射吸至管路內，從而實現氣-液-固三相的充分混合；利用高速泡沫泥漿自身的能量沖擊葉輪旋轉，泡沫流體間、流體與葉輪間強烈撞擊，使泡沫進一步分散、細化，產生二次發(fā)泡，使發(fā)泡率高，泡沫均勻細膩致密，且有利于增強三相泡沫的穩(wěn)定性。由以上分析，三相泡沫的發(fā)泡機理可以歸結為：當漿液經過發(fā)泡器時，泥漿和氣體成為射流狀態(tài)，在發(fā)泡器與集流器之間的旋轉斜面上，形成湍流渦流，使氣-液-固充分混合。由于漿液和氣體具有較高的動能，混合后在低壓區(qū)造成了能量過剩，根據熱力學原理，過剩的能量就對三相混合液做功，同時由于表面活性劑的存在，形成了大量的具有三相介質的泡沫群體。高速泡沫泥漿沖擊的旋轉葉輪即在封閉系統(tǒng)內對泡沫泥漿進行高速攪拌而使泡沫機械切割、擠壓分散而均勻細化；同時也能使粉煤灰或黃泥顆粒進一步分散，增強了泡沫泥漿的穩(wěn)定性，從而形成了均勻致密而細膩的三相泡沫。二、三相泡沫特性1、三相泡沫的穩(wěn)定性三相泡沫的穩(wěn)定性可以用它的穩(wěn)定時間來表征，穩(wěn)定時間是指當三相泡沫破裂后體積下降到泡沫原來體積的一半時所需要的時間，通常用T1/2來表示，穩(wěn)定時間越長，三相泡沫體系的穩(wěn)定性越高。與兩相泡沫相比，三相泡沫的破滅以及體積的減少并不是均勻性的，如圖4-7-13所示。從圖中看出，對于兩相泡沫，脫水速度相當快，在短短的幾十分鐘內脫水就基本完成，泡沫全部破滅。而對于含有固體顆粒的三相泡沫，脫水速度就明顯減慢，且在相當長時間都處于穩(wěn)定狀態(tài)。圖4-7-13發(fā)泡倍數為30倍時脫水速度三相泡沫是一種具有很高表面能的不穩(wěn)定體系，沒有實現固化，因此，泡沫最終是要破滅的，影響三相泡沫穩(wěn)定性的因素較多，歸結起來主要有以下幾方面:（1）固體顆粒三相泡沫能保持長時間穩(wěn)定的一個重要因素就是固體顆粒的存在。固體顆粒對三相泡沫穩(wěn)定性的影響主要體現在以下幾個方面。①表面活性劑能使固體顆粒均勻致密地粘附在氣泡外壁并互相交錯分布，這就增大了水層流動的阻力；在氣泡間隙處，固體顆?？梢远氯魍ǖ?，阻止水層流動，從而延緩了三相泡沫液膜層的變??；同時固體顆粒覆蓋在氣泡表面，能防止氣泡合并，減緩了大小氣泡間由于壓力差造成的氣體擴散。②由于固體顆粒粘附在氣泡外壁上，其密度一般較大，更易構成堅固的泡沫外殼，將氣泡包裹起來，增加了氣泡的機械強度，在外界擾動和機械振動下，泡沫不易破滅，從而增強了泡沫的穩(wěn)定性。③固體顆粒能夠形成三相泡沫的支撐骨架，對內部的泡沫起到了很好地保護作用，極大的延緩了泡沫的破滅速度；同時，即使全部泡沫的液膜破裂后，體系縱橫交錯的骨架仍然能保持體系保持相當長時間的穩(wěn)定。④固體顆粒和硬骨架的存在，極大地增加了三相泡沫的熱阻力，因此在較高的溫度下，能很好的防止液相水分的蒸發(fā)和里面氣體的擴散。（2）溶液粘度所謂溶液粘度就是指液體本身的粘度。液體內部粘度對泡沫穩(wěn)定性也有一定的影響。粘度越高，在排液過程中就會減緩排液速率，從而提高泡沫的穩(wěn)定性。但是這只是輔助因素，如果沒有液膜，液體的濃度再高也不一定有穩(wěn)泡的作用。（3）漿液的濃度和溫度漿液濃度和溫度對三相泡沫穩(wěn)定性的影響如圖4-7-14所示。圖4-7-14發(fā)泡倍數為30倍時的穩(wěn)定時間由圖可以看出，三相泡沫漿液濃度越大，三相泡沫穩(wěn)定性越高，這是因為粉煤灰或黃泥漿液的濃度越大，顆粒越密集，這層膜越致密，生成泡沫的膜也就越堅固，這樣更有利于防止氣泡的兼并和水層的流動，從而使三相泡沫越穩(wěn)定；同時，漿液濃度越大，在泡沫上存在著硬的骨架就越穩(wěn)定，越能抵抗外部的干擾和保持泡沫的穩(wěn)定性。隨著溫度的升高，三相泡沫穩(wěn)定時間降低，但是降低的速度是不均勻的。開始階段，由于溫度不太高，泡沫排液和氣體擴散受溫度的影響較小，泡沫的穩(wěn)定性緩慢下降；但當溫度超過80℃以后，粉煤灰或黃泥的熱阻力急劇減少，固體顆粒及骨架對泡沫本身的保護能力減弱，泡沫的穩(wěn)定性急劇下降；超過100℃以后，水分蒸發(fā)很快，泡沫的體積都是靠固體骨架支撐，穩(wěn)定性又開始趨于平衡，但是這種條件下的支撐維持時間較短。（4）發(fā)泡劑表面張力及其自修復作用表面張力在泡沫的液膜受到沖擊或擾動而導致局部變薄或表面積增大時，具有使液膜厚度修復、強度恢復的作用，這種作用稱為表面張力的自修復作用，此作用也是泡沫具有良好穩(wěn)定性的原因之一。發(fā)泡劑的濃度對其自修復作用有一定的影響。發(fā)泡劑的濃度如果太低，當液膜變形伸長時，液膜表面的發(fā)泡劑濃度變化不大，表面張力下降也不大，液膜彈性降低，其自修復作用就差，所以泡沫穩(wěn)定性也差。當發(fā)泡劑的濃度達到某一值時，此時泡沫穩(wěn)定性最高。該濃度是泡沫最穩(wěn)定的臨界濃度，如果發(fā)泡劑濃度過高，液膜變形區(qū)表面活性劑分子的補充往往是從垂直方向補充，液膜變形區(qū)表面活性劑濃度可以恢復，但是液膜的厚度卻不能恢復，因此液膜的機械強度差，泡沫穩(wěn)定性也就相應下降。2、三相泡沫的防滅火特性1）三相泡沫防滅火機理（1）包裹煤體，隔絕氧氣，封堵漏風通道與煤體裂隙在綜放面采空區(qū)中，普遍存在大量的浮煤。在采空區(qū)中注入三相泡沫，三相泡沫中的固體不燃物（粉煤灰或黃泥）就能起到包裹煤體、隔絕氧氣、封堵采空區(qū)漏風通道與煤體裂隙的作用，進而阻止煤的氧化反應，達到防治煤炭自燃的目的。采空區(qū)松散煤體是很復雜的多孔介質，引起煤體自燃漏風速度極?。?.001~0.5cm·s-1），且漏風是時間和空間的函數，因此可以根據采空區(qū)內氧濃度分布進行推算松散煤體的漏風強度。例如在大興礦，沿工作面傾斜走向的中間安置氣體采集數據線，在注三相泡沫前后根據氣體樣中氧氣的濃度大致計算出漏風量的大小，三相泡沫封堵效果如圖4-7-16所示。圖4-7-16三相泡沫的封堵效果（2）吸熱降溫，降低煤體和周圍環(huán)境的溫度煤體與周圍環(huán)境的溫度升高，煤氧反應的作用就會增加，化學反應速率和放熱速率就會加快。煤炭自燃的誘因之一是煤的自然氧化產生的熱量聚集，使周圍環(huán)境與煤體自身的溫度上升。溫度上升的速度既取決于反應產熱量，又取決于周圍環(huán)境的散熱條件。在采空區(qū)一般僅存在漏風小通道，散熱條件較差，易于形成熱量積聚。當產熱速率大于散熱速率時，采空區(qū)內將迅速聚集大量熱量，隨即溫度上升，化學反應速度加快，同時產生更多的熱量，造成惡性循環(huán)，直至引發(fā)煤炭自燃。泡沫滅火主要基于兩個原理：一是水汽化過程要從熱源中帶走大量的熱；二是汽化的水蒸汽不斷積聚會形成具有隔離空氣作用的屏障。當泡沫被加熱到100℃時，泡沫會膨脹30％。但是液態(tài)水蒸發(fā)變成水蒸汽時體積膨脹比是1700：1。假設泡沫中的空氣與水的比為1000：1，那么當1000升這樣的泡沫蒸發(fā)后，就會變成1300升的空氣（膨脹率30%）加上1700升的水蒸汽，也就是3000升的混合氣體。空氣原來還有體積比為21％的氧氣量，那么隨著與產生的水蒸氣的混合，氧氣濃度下降為：這種濃度的氧氣，可以使明火熄滅。因此往采空區(qū)注三相泡沫，可以吸收大量的熱量，大大地降低煤體和周圍環(huán)境的溫度，快速的冷卻已有升溫趨勢的煤體，有效地阻止煤炭的自燃。（3）降低采空區(qū)氧氣濃度，抑制煤的氧化，窒息自燃的煤體采空區(qū)氧氣濃度過高，必然會加快化學反應速率和放熱速率。如果三相泡沫材料中的氣相采用氮氣，注入在采空區(qū)的氮氣被封裝在泡沫之中，能較長時間滯留在采空區(qū)中，充分發(fā)揮氮氣的窒息防滅火作用。當泡沫破滅后，氮氣充斥在采空區(qū)中，降低了采空區(qū)的氧氣濃度。一般制氮機產生氮氣的濃度都高于97%，另外液相水蒸發(fā)后產生的水蒸氣也具有一定的惰化效果，因此，持續(xù)的注三相泡沫，能有效的將采空區(qū)氧氣濃度控制在5%以下，長時間地保持采空區(qū)的惰化狀態(tài)，使煤的自燃因缺氧而窒息，從而抑制煤體的自燃。（4）潤濕煤體，增加煤體的濕度由于使用的發(fā)泡劑是由幾種表面活性劑復配而成，對煤的自燃有很好的阻化效果，起到了阻化劑的作用；同時發(fā)泡劑作為表面活性劑，可以改善煤體的表面的潤濕性能，從而能使煤吸收更多的水分，極大地增加煤體的濕度，當添加發(fā)泡劑0.2%后，煤體吸收水的質量大約增加4~6倍。同時，含有發(fā)泡劑的水能在煤體表面形成一層水膜，隔斷煤與氧氣的結合。（5）抑制煤體自由基的產生，阻斷已有自由基和官能團的鏈式反應煤炭自燃的過程包含有自由基的反應，因此，為了防治煤炭自燃，需要抑制自由基的產生，切斷自由基和官能團的鏈式反應。發(fā)泡劑溶液本身就是一種很好的阻化劑，能有效地隔絕氧氣、抑制官能團和自由基的產生并中止鏈式反應；特別是固相成分的存在，煤氧化過程中產生的自由基碰撞到這些大顆粒的物質而被吸收，從而能有效抑制自由基的鏈式反應并消除煤自然發(fā)火的危險。2）三相泡沫防滅火實驗（1）三相泡沫對煤炭自燃的阻化實驗采用自制的煤自燃特性測試裝置（如圖4-7-17所示），對原煤樣和經三相泡沫處理后的煤樣的自燃特性進行了實驗，實驗結果如圖4-7-18所示。

圖4-7-17自燃特性實驗系統(tǒng)圖4-7-18不同三相泡沫濃度下的氧化溫度曲線從圖4-7-18中可以看出，三相泡沫處理后的煤樣氧化升溫速度明顯低于原煤樣。在相同的升溫時間時，經5%和10%質量濃度的發(fā)泡劑溶液處理后的煤樣與原煤樣的溫度最大相差42℃和62℃，說明三相泡沫對煤樣有良好的阻化性能。（2）三相泡沫滅火與水滅火對比實驗利用相同液體流量的水和三相泡沫來撲滅兩堆相同的木垛火源，考察水和三相泡沫的滅火效果、滅火速率、防復燃性等。采用水滅火的木垛，噴水4分鐘后木垛火基本熄滅，當停止噴水約3分鐘后，該木垛發(fā)生了復燃；而采用三相泡沫滅火的木垛，噴射三相泡沫1分鐘后木垛火徹底熄滅，而且無復燃現象發(fā)生。水在滅火的過程中產生了大量的水蒸汽，并伴隨有較濃的煙；且火熄滅后木垛已被燒毀嚴重；而三相泡沫滅火時，產生的煙霧較少，且三相泡沫能均勻地覆蓋在木垛上，將整個木垛包裹起來，隔絕了外部空氣的進入，實驗效果如圖4-7-19所示。試驗表明三相泡沫比水的滅火速度快、效率高，而且能夠有效防止復燃。

（a）燃燒很旺的木垛火（b）水滅火效果（c）三相泡沫滅火效果圖4-7-19水與三相泡沫撲滅木垛火效果圖（2）三相泡沫撲滅采空區(qū)高位火源模擬實驗在地面堆積長×寬×高=4×4×1.2（m3）的矸石堆，空隙率為0.2，在其上方距離地面0.8m處放一燃燒很旺的煤火爐，火爐旁放一溫度傳感器。在矸石堆底部埋管3m，分別注黃泥漿和三相泡沫，試驗這兩種滅火材料撲滅高位火源和在矸石堆內的滲流與覆蓋效果。注黃泥漿時，漿液僅從矸石堆最下部滲流出，不能向上流動，不能撲滅高位火源；而注三相泡沫2分鐘后，三相泡沫就開始從矸石堆中的多個縫隙涌出來（圖4-7-20）；爐內熊熊燃燒的煤火在15分鐘后就被三相泡沫覆蓋撲滅（圖4-7-21）；30分鐘后，三相泡沫將矸石堆完全覆蓋（圖4-7-22）。滅火過程中的爐溫變化情況如圖4-7-23所示，可見，短短8分鐘的時間，火爐的溫度就下降到了45℃。

圖4-7-20三相泡沫注2分鐘后圖4-7-21三相泡沫注15分鐘后的情況

圖4-7-22三相泡沫注30分鐘后圖4-7-23火爐溫度變化趨勢大流量三相泡沫在孔隙介質中滲透性強，覆蓋面廣，能從矸石堆底部通過裂隙迅速向上及四周擴散堆積，很快就對整個矸石堆完全覆蓋并撲滅任何位置的火源，吸熱降溫能力強，防滅火效果顯著。三、防滅火工藝與現場應用三相泡沫作為一種新型高效的防滅火技術和材料，兼有注漿、注氮氣、注泡沫和注阻化劑的優(yōu)點，又克服了這些技術和材料的不足，具有廣泛的適用性。目前，三相泡沫防滅火技術已經在國內外六十多個礦井成功應用，對一般采空區(qū)、大型火區(qū)、巷道高冒區(qū)等地點的煤自然發(fā)火的撲滅和預防，效果都相當顯著。1、三相泡沫防滅火工藝1）三相泡沫制備工藝流程三相泡沫制備的簡單工序是：在制漿站中將一定比例的水與粉煤灰或黃泥混合形成的漿液送到注漿管路中；通過定量螺桿泵將發(fā)泡劑注入到注漿管路中；漿液與發(fā)泡劑在混合器中充分攪拌混合后進入發(fā)泡器，在發(fā)泡器中接入氮氣管路，氣體與粉煤灰或黃泥漿體相互作用產生出高倍數的三相泡沫。三相泡沫在使用過程中，發(fā)泡劑的添加十分靈活，可以根據現場情況的需要，采取井下添加或者地面添加的方式。（1）在地面添加發(fā)泡劑為了使注漿工藝更簡單，減少井下電線連接與用電設備以及減少井下工人的勞動，提高系統(tǒng)運行的可靠性，且在地面注漿量可調的情況下，采用直接在制漿池中添加發(fā)泡劑，將漿液與發(fā)泡劑混合攪拌好以后直接注入注漿管路，如圖（4-7-24）。采用該法在棗莊礦業(yè)集團的柴里煤礦應用效果顯著。圖4-7-24地面添加發(fā)泡劑的三相泡沫制備工藝流程

三制漿站（粉煤混合器發(fā)泡器相泡沫發(fā)泡劑或空氮氣氣灰或黃泥）（2）井下添加發(fā)泡劑井下添加發(fā)泡劑的方式適用于漿液產生量較大而注漿量又無法控制的礦井，三相泡沫最適宜的漿液產生量為10～30m3/h，如果漿液量過大，有可能導致發(fā)泡劑的浪費，因此，可以在井下對其進行分流，然后采用井下添加發(fā)泡劑的方式，如圖（4-7-25）所示。這種添加方式最早在大屯煤電（集團）有限責任公司姚橋煤礦獲得了應用。圖4-7-25井下添加發(fā)泡劑的三相泡沫制備工藝流程制漿站（粉煤灰或黃泥發(fā)泡劑混合器發(fā)泡器氮氣或空氣三相泡沫2）注三相泡沫的工藝程序（1）檢查設備在注三相泡沫前，應該先檢查注漿管路、供電設備、制氮機或空氣壓縮機、發(fā)泡裝置、螺桿泵及一些輔助設備是否處于工作狀態(tài)，以保證注三相泡沫的順利進行。（2）制漿采用粉煤灰或黃泥為固相成分，制備合適濃度的泥漿，一般水土比為2：1～5：1。事先盡量過濾掉漿液中的10mm以上的大顆粒雜質，且粉煤灰需用熱電廠出來的干飛灰。制漿可以采用以下幾種方式：①直接將粉煤灰或黃泥倒入制漿池中，加入水配制成合適濃度的漿液。②將熱電廠出來的粉煤灰漿液通過管路直接接入到注漿池中。由于熱電廠直接用水捕集后的粉煤灰漿濃度較低，僅含7～8％的粉煤灰，因此需要將粉煤灰漿流至泥漿池中，沉淀數次，經過多次沉淀，最后配制成合適的漿液濃度。③采用高壓水槍噴射在黃泥上取土，泥漿經過過濾網過濾，除去雜物后流入注漿池配制合適濃度的漿液。制備好合適濃度的漿液后，需要用攪拌機不斷的往復攪拌，保證漿液不沉淀，使進入注漿管的漿液濃度均勻。（3）注三相泡沫制好合適濃度的漿液后，首先在注漿站提前供給十分鐘的清水，沖洗注漿管路；接著開始注泥漿；當漿液達到注發(fā)泡劑的地點后，啟動螺桿泵，將發(fā)泡劑按定量比加入到注漿管路之中；當漿液和發(fā)泡劑的混合液到達發(fā)泡器后，打開氣體閥門開始供氣，此時形成的三相泡沫注入需要防滅火的區(qū)域；當注泡沫結束后，用清水沖洗管路，以防堵塞管路；完成這些工作后停氣、停水、斷電。3）三相泡沫技術指標三相泡沫技術指標如表4-7-6所示。表4-7-6三相泡沫技術參數技術指標參數值技術指標參數值發(fā)泡倍數≥30倍耗漿量10～30m3/h穩(wěn)定時間>8～24h三相泡沫產生量300～900m3/h水灰質量比1:1～4:1發(fā)泡劑用量0.2%～0.5%2、防治一般采空區(qū)煤炭自燃采空區(qū)如果封閉不嚴，必然會存在一定的漏風，這就為采空區(qū)浮煤的自然發(fā)火提供了必要的條件。采用注三相泡沫的措施，能使?jié){液短時間內大面積地覆蓋煤體、封堵煤體裂隙，有效地防治煤炭自燃。1）在姚橋煤礦中的應用（1）礦井概況姚橋煤礦位于江蘇省沛縣境內，為特大型現代化礦井，目前礦井實際產量達340萬t/a。開采煤層為易燃發(fā)火煤層，礦井自然發(fā)火危險等級為Ⅰ～Ⅱ級，自然發(fā)火期1～3個月。如7361工作面在掘進期間就曾出現多處自然發(fā)火，若發(fā)生火災，可能會侵襲－650軌道、皮帶大巷，對全礦井安全生產構成嚴重威脅。（2）工藝過程由于姚橋煤礦注漿站的注漿量不能控制其流量大小，進入注漿管路中的漿液量非常大，約為50~60m3/h；大大超過了注三相泡沫所需漿液量的范圍，因此如果采用在井上加發(fā)泡劑，勢必造成發(fā)泡劑的浪費。因此在注漿管路系統(tǒng)上接入分流管路，注三相泡沫需要的注漿量由注漿管上的截止閥和壓力表來控制在15m3/h左右，其它漿液可通過分流管路直接注入到別的采空區(qū)進行防滅火。井下發(fā)泡器附近用螺桿泵將發(fā)泡藥劑按比例定量添加到管路里，再用氮氣發(fā)泡后加注到采空區(qū)中。氣相采用氮氣，空氣進口壓力0.8MPa，氮氣出口壓力約0.5MPa，溫度43.5℃，氮氣純度為98~99％。（3）應用效果在姚橋礦應用產生的粉煤灰三相泡沫如圖4-7-26和4-7-27所示。姚橋煤礦注三相泡沫的水灰比約為3:1，到達試驗點的壓力為0.2MPa，發(fā)泡效果良好，泡沫穩(wěn)定細膩，發(fā)泡倍數30倍左右，泡沫穩(wěn)定時間8個小時，注三相泡沫后，采空區(qū)內的一氧化碳濃度明顯降低。

圖4-7-26噴涌出來的粉煤灰三相泡沫圖4-7-27三相泡沫開始堆積3、在傾斜俯采綜放工作面采空區(qū)中的應用對于傾斜俯采綜放工作面，如果采用預防性注漿來防治采空區(qū)煤炭自燃，漿液就會順著沖刷形成的小溝流向地勢低洼區(qū)和工作面，不僅起不到防滅火效果，而且破壞井下環(huán)境，嚴重影響工作面的正常生產。而采用注三相泡沫技術效果相當顯著，600～1000m3/h的大流量三相泡沫在短時間內就能充滿整個采空區(qū)，由于三相泡沫質量輕，能夠向高處堆積，破滅后產生的泥漿也會很好地覆蓋在煤體上，而不會回流到開采工作面，因而不會給生產帶來任何不良影響。遼寧鐵法煤業(yè)集團大興煤礦N2703綜放工作面煤炭自燃的防治，充分證明了該項技術在治理傾斜俯采綜放工作面采空區(qū)煤炭自燃方面的有效性。目前，該礦已把三相泡沫技術作為日常生產防止煤炭自然發(fā)火的一個主要手段。具體方式是在開采的過程中，工作面每向前推進40米，就在順槽預埋一根注三相泡沫的管子，采取邊采邊注三相泡沫的方式防治煤炭自燃，取得了良好的效果。1）工作面概況大興礦位于東北地區(qū)，是一座年設計生產能力為380萬噸的特大型礦井。該礦目前開采的N2703綜放工作面位于北二采區(qū)中部，工作面回順長1431米，運順長1411米，傾斜寬160米，工作面面積227360平方米。煤層以氣煤為主，煤層厚度5.60~9.88米，一般煤厚7.81米，整個工作面設計回采率為85%，采區(qū)設計回采率為75.14%。煤層傾角為15~25度，工作面小斷層構造多，裂隙較發(fā)育，漏風較嚴重。煤層屬于易自燃煤層，自然發(fā)火期為1~3個月，最短為18天，該工作面周圍與四個采空區(qū)相連，自然發(fā)火情況相當嚴重。2）應用過程N2703綜放工作面于2004年9月22日開始開采，工作面采空區(qū)于10月25日起開始出現大量CO，26日開始出現C2H4，情況十分危急，此時工作面推進了90多米，無法準確判斷出高溫火源點的位置。該礦決定采用注三相泡沫來防治采空區(qū)的煤炭自燃，以黃泥作為固相，井下抽到地面來的廢水作為液相。配制的漿液灰水比（質量比）大約為1:4，漿液每小時流量控制在15~20m3/h，氣量為600m3/h，發(fā)泡劑為漿液量的0.5%（質量百分比）。由于該工作面是傾斜煤層的俯采，注三相泡沫的地點離工作面比離運順近的多，因此三相泡沫容易先從回風順槽的后三角點噴涌而出，因此在下圖中離工作面大約10米處的采空區(qū)內先注沙形成一道沙墻；并于10月30號開始大量注三相泡沫，連續(xù)注了7天。圖4-7-28為其三相泡沫地點及泡沫擴散示意圖。圖4-7-28三相泡沫灌注點及擴散示意圖3）應用效果①注三相泡沫情況N2703綜放工作面采空區(qū)從10月30號到11月5號，連續(xù)注了7天的三相泡沫，共向采空區(qū)中注黃泥約672噸，廢水約2600噸，但是漿液幾乎沒有從采空區(qū)流出。10月5號上午，可以從綜放工作面支架后采空區(qū)各個地方的煤體裂隙中看到了三相泡沫擴散出來，說明三相泡沫均勻充滿了整個采空區(qū)，并進入了煤體的裂隙和漏風通道，有效地包裹了整個采空區(qū)低、高處的浮煤，封堵了采空區(qū)的煤體裂隙，有效地控制了采空區(qū)內的高溫火源點。②取樣孔參數變化情況采用三相泡沫防治技術以后，N2703綜放工作面采空區(qū)的高溫火源點得到了有效地控制，回風巷道和采空區(qū)CO濃度變化情況如圖所示。由圖中可以看出，從開始注三相泡沫以來，回風巷和采空區(qū)內的CO濃度顯著降低，采空區(qū)的隱蔽高溫火源點得到了有效的控制。三相泡沫在大興礦的成功應用表明，三相泡沫不僅適用于撲救傾斜俯采綜放工作面采空區(qū)的火災，而且對位置無法準確探測的隱蔽火源，防滅火效果也十分顯著。（a）回風巷道CO變化（b）采空區(qū)CO變化圖4-7-29注三相泡沫后氣體變化趨勢（圖中直立線位置代表開始注三相泡沫的日期）4、在特大型火區(qū)中的應用2003年10月24日，寧夏煤業(yè)集團白芨溝煤礦發(fā)生特大瓦斯爆炸事故，并引發(fā)了大面積的采空區(qū)火災，最終導致全礦井封閉，井下無法進行任何滅火工作。如果采用地面打鉆注漿方式，漿液在井下不能均勻分散，很可能沿著一些巷道流失并淹掉工作面，在恢復生產時發(fā)生潰漿現象；同時漿液難以達到高位火源點，起不到滅火效果。如果采用注凝膠，一方面大面積采空區(qū)用凝膠滅火不現實；另一方面若從地面鉆孔注凝膠，凝膠流動性差，在井下擴散半徑小，幾十萬元的一個鉆孔很可能被堵塞，造成極大浪費。因此決定采取在地面打鉆注三相泡沫技術來撲滅大面積采空區(qū)火災。利用三相泡沫發(fā)泡倍數高、均勻分散漿液、能向高處堆積、對低高處煤體能有效覆蓋的特點來進行滅火。最終有效地撲滅了采空區(qū)火災，并且快速恢復了生產，火區(qū)也沒有復燃。1）礦區(qū)概況與事故白芨溝礦是我國著名的太西無煙煤生產基地，設計生產能力為120萬t/a。礦井煤層瓦斯含量大，屬高瓦斯礦井，煤層自然發(fā)火期為12個月，煤塵有爆炸危險。2003年10月24日，寧夏煤業(yè)集團公司白芨溝煤礦南二采區(qū)2421-1綜放面在回采過程中，采空區(qū)發(fā)生了瓦斯爆炸，將1700回風四川密閉摧毀，在封閉工作面火區(qū)的過程中，又發(fā)生無數次瓦斯爆炸，將1660進風二川密閉摧毀，為了保障人員的安全，最后被迫全井封閉。在封閉全井的過程中，又發(fā)生了無數次瓦斯爆炸，導致了井下火災范圍不斷擴大。針對白芨溝礦綜放采空區(qū)冒落高度大、遺煤多、火災范圍大、火源位置難以確定、全礦井完全封閉的實際情況，為了盡快撲滅井下火災，恢復礦井生產，提出了地面打鉆大流量注三相泡沫的技術。2）地面打鉆及鉆孔布置由于白芨溝礦地質條件和氣候較惡劣，打鉆采用了中煤大地公司引進的美國Schramm公司生產的T685WS車載頂驅鉆機。僅用了42天時間就為白芨溝礦施工了11個滅火鉆孔。地面鉆孔分布情況及實際鉆孔如圖4-7-30和4-7-31所示。圖4-7-302421-1綜放面火區(qū)鉆孔分布

圖4-7-31白芨溝礦的地面鉆