甘肃煤炭工程学校矿井安全技术教案：第三章 矿井火灾防治04

2. 汽雾阻化
汽雾阻化防火其实质就是将一定压力下的阻化剂水溶液通过雾化器雾化成为阻化剂汽雾。

汽雾发生器喷射出的微小雾粒可将漏风风流作为载体飘移到采空区漏风所到之处，从而达到采空区防火。

（1）汽雾阻化系统
汽雾防火系统包括雾化器、雾化泵、储液箱、过滤器、电器开关以及管路系统。

管路系统由高压胶管、球阀及接头组成。

雾化器是用于雾化阻化剂的装置，其关键部位是喷嘴。

雾化器的选择主要依据雾化率的大小以及日处理煤量等因素。

雾化泵的选择参数主要有两个，即流量和压力。

流量以雾化器流量和同时工作的雾化器个数为依据；压力以雾化器达到最佳雾化效果为准则。

一般雾化泵的流量应达到2.0m 3/h 以上。

如图2-4-8所示为某矿阻化汽雾预防综采工作面采空区煤炭自燃的工艺系统。

阻化剂水济液的容器 1（矿车）置于回风巷内，用YHB-2 型泵 2 沿高压软管 4 将阻化剂溶液输送到雾发生器 7 ，泵上安有压力计以便于控制输送压力。

装在工作面与运输巷交接处的雾发生器，在高压（3MPa ）作下喷出阻化汽雾，溶液的85％被分散为直径 30µm 的雾粒，并由风流带向采空区内。

为了防止雾发生器喷咀堵塞，在供液管路中装有自动过滤器3。

向采空区喷送雾状阻化剂之前，应进行采区内的阻力测定，确定其漏风量和漏风方问。

为了减少喷射阻化剂对采空区空气动力状态的影响向，雾发生器引射的风量不应大于自然漏风量。

（2）喷雾量
喷雾量的大小与采空区丢煤量成正
比。

其计算公式如下：
T=KADLHS / R （2-4-5）
式中 T ― 日喷雾量，t ;
R ― 雾化率，% ;
K ― 吨煤用液量，t / t ;
D ― 实体煤容重，t / m 3 ;
L ― 工作面长度，m ; H ― 工作面采高，m ; S ― 日进尺，m ;
A ― 丢煤率，％。

3. 喷洒阻化剂
利用喷雾装置将阻化液直接喷洒在煤
的表面。

这种方法简单、灵活性强。

适用
于巷道、煤柱壁面、浮煤及分层工作面采
空区的喷洒。

常用3D-5 /40 型往复泵将
阻化剂沿5cm 直径铁管和2.5cm 直径胶
管送往喷洒地点。

我国某些煤矿向采空区喷洒阻化剂溶
液的工艺系统如图2-4-9所示。

由供水管
l 向 永久溶液池 2 供水，池内的阻化剂图2-4-8 采空区喷送雾状阻化剂系统
1—阻化剂溶液箱；2—输液泵；3—自动过滤；
4—高压软管；5—支架；6—漏风方向； 7—雾化发生器 图2-4-9 喷洒阻化剂工艺系统 l-供水管；2-永久溶液池；3-水泵；4-压力表；5-铁管 ； 6-阀门；7-胶管；8-喷枪；9-流量计
溶液，通过水泵 3 经压力表 4、铁管5和阀门6及流量计9, 由胶管7送到工作面上下口，然后用喷枪8向采空区喷洒。

当所需阻化剂溶液量不大时（如向煤堆上喷洒）可用矿车代替溶液池。

四、惰气防灭火
惰气系指不可燃气体或窒息性气体，主要包括氮气、二氧化碳以及燃料燃烧生成的烟气（简称燃气）等。

惰气防灭火原理：惰气防灭火就是将惰气注入已封闭的或有自燃危险的区域，降低其氧的浓度，从而使火区因氧含量不足使火源熄灭；或者使采空区中因氧含量不足而使遗煤不能氧化自燃。

（一）氮气防灭火技术
由于氮气是空气的主要成分，在空气中所占的体积百分比为79 % ，且无味、无臭、无毒，与空气易于混合，因此，目前是惰气防灭火的主要方法。

根据N2的状态，注氮防灭火可分为气氮方灭火和液氮方灭火。

液氮防灭火一是直接向采空区或火区中注入液氮防灭火；二是先将液氮汽化后，再利用气氮防灭火。

由于液氮输送不如气氮方便，目前，现场多用气氮防灭火。

1. 氮气防灭火机理与惰化指标
1) 氮气防灭火机理
(l）采空区内注入大量高浓度的氮气后，氧气浓度相对减小，氮气部分地替代氧气而进入到煤体裂隙表面，这样煤表面对氧气的吸附量便降低，在很大程度上抑制或减缓了遗煤的氧化放热速度；
(2）采空区注入氮气后，提高了气体静压，降低了漏入采空区的风量，减少了空气与煤炭直接接触的机会；
( 3 ）氮气在流经煤体时，吸收了煤氧化产生的热量，可以减缓煤升温的速度和降低周围介质的温度，使煤的氧化因聚热条件的破坏而延缓或终止；
( 4 ）采空区内的可燃、可爆性气体与氮气混合后，随着惰性气体浓度的增加，爆炸范围逐渐缩小（即下限升高、上限下降）。

当惰性气体与可燃性气体的混合物比例达到一定值时，混合物的爆炸上限与下限重合，此时混合物失去爆炸能力。

这是注氮防止可燃、可爆性气体燃烧与爆炸作用的另一个方面。

2) 注氮防灭火惰化指标
( 1 ）采空区惰化氧浓度指标不大于煤自燃临界氧浓度,一般氧含量应小于7％～10％。

( 2 ）惰化灭火氧浓度指标不大于3％。

( 3 ）惰化抑制瓦斯爆炸氧浓度指标小于12 ％。

2. 制氮方法
用于煤矿氮气的制备方法有深冷空分、变压吸附和膜分离三种。

这三种方法的原理都是将大气中的氧和氮进行分离以提取氮气。

深冷空分制取的氮气纯度最高，通常可达到99.95 ％以上，但制氮效率较低，能耗大，设备投资大，需要庞大的厂房，且运行成本较高；
变压吸附的主要缺点是碳分子筛在气流的冲击下，极易粉化和饱和，同时分离系数低，能耗大，使用周期短，运转及维护费用高；
膜分离制氮的主要特点是整机防爆，体积小，可制成井下移动式，相对所需的管路较少，维护方便，运转费用较低，但氮气纯度仅能达97 ％左右，且产氮量有限。

制氮设备有两种形式，一是地面固定或移动设备，借助于灌浆管路或专用胶管送往井下火区。

另一种是井下移动设备。

3. 注氮防灭火工艺
注氮方式从空间上分为开放式注氮和封闭式注氮；从时间上分为连续性注氮和间断性注氮。

工作面开采初期和停采撤架期间，或因遇地质破碎带、机电设备等原因造成工作面推进缓慢，宜采用连续性注氮；工作面正常回采期间，可采用间断性注氮。

1) 开放式注氮
当自燃发火危险主要来自回采工作面的后部采空区时，应该采取向本工作面后部采空区注入氮气的防火方法。

具体方式有2种：
（1）埋管注氮。

在工作面的进风侧采空区埋设一条注氮管路。

当埋入一定长度后开始注氮，同时再埋入第二条注氮管路（注氮管口的移动步距通过考察确定）。

当第二条注氮管口埋入采空区氧化带与冷却带的交界部位时向采空区注氮，同时停止第一条管路的注氮，并又重新埋设注氮管路。

如此循环，直至工作面采完为止。

（2）拖管注氮。

在工作面的进风侧采空区埋设一定长度（其值由考察确定）的注氮管，它的移动主要利用工作面的液压支架，或工作面运输机头、机尾，或工作面进风巷的回柱绞车作牵引。

注氮管路随着工作面的推进而移动，使其始终埋入采空区氧化带内。

无论是埋管注氮还是拖管注氮，注氮管的埋设及氮气释放口的设置应符合如下要求：
A、对采用U 型通风方式的采煤工作面，应
将注氮管铺设在进风顺槽中，注氮释放口设在采
空区中，如图2-4-10所示。

B、氮气释放口应高于底板，以900弯拐向
采空区，与工作面保持平行，并用石块或木垛等
加以保护。

C、氮气释放口之间的距离，应根据采空区
“三带”宽度、注氮方式和注氮强度、氮气有效图2-4-10 注氮管埋设及释放口位置
扩散半径、工作面通风量、氮气泄漏量、自燃发火期、工作面推进度以及采空区冒落情况等因素综合确定。

第一个释放口设在起采线位置，其它释放口间距以30m 为宜。

当工作面长度为120～150 m 时，法国采用注氮口间距为50 m 。

D、注氮管一般采用单管，管道中设置三通。

从三通上接出短管进行注氮。

2) 封闭式注氮
（1）旁路注氮。

旁路式注氮就是在工作面与已封闭采空区相邻的顺槽中打钻，然后向已封闭的采空区插管注氮，使之在靠近回采工作面的采空区侧形成一条与工作面推进方向平行的惰化带，以保证本工作面安全回采的注氮方式。

(2）钻孔注氮。

在地面或施注地点附近巷道向井下火区或火灾隐患区域打钻孔，通过钻孔将氮气注入火区。

(3）插管注氮。

工作面起采线，停采线，或巷道高冒顶火灾，可采用向火源点直接插管进行注氮。

(4）墙内注氮。

利用防火墙上预留的注氮管向火区或火灾隐患的区域实施注氮。

4. 防止采空区氮气泄漏的措施
采空区漏风状态决定了氮气在采空区内的滞留时间，同时也决定着间歇式注氮时的注氮周期。

采空区的漏风强度越小，两次注氮的间歇时间就越长，此时的注氮效果好且比较经济。

因此，采取措施减少采空区氮气泄漏也是提高采空区注氮效果的有效途径。

1) 直接堵漏措施。

常见的采空区直接堵漏措施是每隔一定距离在采空区上隅角垒砂袋、注河砂或喷涂聚氨脂等。

2) 均压措施。

均压措施则是利用开区均压的原理，降低工作面两端（即进、回风侧）压差，从而减少漏风，起到防止或减少采空区氮气泄漏的作用。

5. 日常管理应注意的事项
（1）注氮量的多少，应根据采空区中的气体成分来确定，以距工作面20m 处采空区中的氧浓度不大于10％作为确定的标准。

如果采空区中CO 浓度较高（> 50Ppm ) ，或者工作面CO 浓度超限，或出现高温、异味等自燃征兆，都应加大注氮强度。

（2）合理设置监测传感器，加强对采空区、工作面和回风槽中02、N2和CO 的监测；同时，由瓦斯检查员随时对工作面及其回风顺槽的02、CO 和CH4浓度进行检查，要保证工作面风流中的氧气浓度。

发现工作面氧气浓度降低，应暂停注氮或减少注氮强度。

（3）注入氮气的纯度不得低于97％。

（4）注意检查工作面及回风顺槽风流中的瓦斯涌出情况，若发现采空区大量涌出瓦斯，风流瓦斯超限时，可适当降低注氮强度或采用采空区抽放瓦斯的方法进行处理。

（5）第一次向采空区注氮，或停止注氮后再次注氮时，应先排出注氮管内的空气，避免将空气注入采空区中。

（6）在注氮过程中，工作场所的氧浓度不得低于18.5 % ，否则停止作业并撤除人员，同时降低注氮流量或停止注氮，或增大工作场所的通风量。

6. 处理好抽放瓦斯与注氮的关系
对于开采高瓦斯、易自燃发火煤层的矿井，当采空区同时要采取这两种措施时，它们之间存在着相互矛，需要处理好两者之间的关系。

采空区瓦斯抽放破坏了瓦斯的游离状态与吸附状态的动态平衡，使一部分吸附状态的瓦斯按一定的衰减速度不断地被解吸，当抽放到一定程度后，将有部分气体进入采空区，来补充采空区被抽走的那部分瓦斯。

因此，瓦斯抽放将造成采空区漏风量增加，其值等于抽放量减去解吸量。

如果需要补充的这部分气体用注入的氮气来代替，那么，将能阻止新鲜风流向采空区的漏入，保持采空区内的惰化浓度，起到有效的防灭火作用。

要使这两种相互矛盾的技术措施达到和谐统一，必须有合理的注氮强度和瓦斯抽放强度相匹配，同时注氮位置和抽放位置也要相对合理。

一般注氮口位置通常设置在进风侧氧化带，而瓦斯抽放口则应布置在采空区窒息带中。

采空区瓦斯抽放所引起的氮气损失量按下式计算：
△Q C＝Q[C2(1-C)-（C3 + C4）C] （2-4-6）
式中 Q C——抽放瓦斯所引起的采空区氮气损失量，m3/min ；
Q——采空区抽放量，m3/min ；
C——矿井大气中氮气浓度，% ；
C2——采空区氮气浓度，% ；
C3——采空区氧气浓度，% ；
C4——采空区抽放量中二氧化碳浓度，％。

同时采取采空区注氮和采空区瓦斯抽放时，由瓦斯抽放所引起的氮气损失量应等于注氮调整时应补充的注氮量，如下式所示：
△Q c ＝Q n 。

（2-4-7）
式中△Q n ― 补充采空区氮气损失所增加的注氮量，m 3
/min 。

因此，瓦斯抽放量与注氮量的关系为：
式中 Q 0——原注氮流量，m 3
/h ；
Q N —— 调整后的注氮量，m 3/h 。

（二）湿式惰气灭火
湿式惰气是燃料油与一定比例的空气混合在惰气发生装置（机）内经充分燃烧后产生的烟气，主要成分为：N 2、CO 2、CO 、H 2O 蒸汽、O 2，其中O 2含量一般不超过2% 。

由于烟气中基本上是惰性气体或不可燃气体，因此，将其压入火区后，可起到惰化火区、窒息火源的作用；压入正在密闭的火区可起到阻爆作用。

目前，我国矿山救护队装备有用燃油燃烧的惰气发生装置，是灭火的主要装备之一。

五、泡沫防灭火
应用泡沫充填剂是矿井充填堵漏风防灭火的主要技术手段之一。

泡沫是不溶性气体分散在液体或熔融固体中所形成的分散物系。

泡沫可以由溶体膜与气体所构成，也可以由液体膜、固体粉末和气体所构成，前者称为二相泡沫，后者称为三相泡沫或多相泡沫。

二相空气泡沫、二相惰气泡沫、聚氨酯泡沫、脲醛泡沫、水泥泡沫等在煤矿防灭火中虽已得到应用，但由于二相泡沫稳定性差，聚氨酯泡沫、脲醛泡沫、水泥泡沫成本高，对人体健康有害，应用受到限制。

二相泡沫添加固体粉末形成三相泡沫后其稳定性增加，从整个世界发展趋势看，煤矿井下巷道顶板冒落空洞及沿空侧空洞、裂隙充填正在朝着轻质固化泡沫方向发展。

下面重点介绍无机固体三相泡沫防灭火技术。

(一)无机固体三相泡沫的形成机理
1、无机固体三相泡沫的形成机理
无机固体三相泡沫由气源、泡沫液、无机固体粉末组成，其形成过程极为复杂。

气源可以是空气，也可以是惰气。

泡沫液由水添加起泡剂、稳定剂、悬浮剂等组成。

无机固体干粉包括：固体废弃物（粉煤灰、矸石粉等）、起固结作用的水泥及添加剂等惰性粉料。

其中泡沫液和气源提供的气体共同产生两相泡沫作为固体粉末载体，由无机固体粉末固结提供骨架支撑而形成有一定强度的固态泡沫体，从而使三相泡沫不收缩，不破坏，以达到使用的目的。

（二）无机固体三相泡沫的特点
同国内外目前正在使用的有关堵漏防灭火材料性能比较，无机固体三相泡沫具有如下特点：
( 1 ）堵漏风效果好，防灭火效果明显，适用于煤矿井下各种堵漏风的防灭火；
( 2 ）防火泡沫流动性好，堵漏风充填可靠，灭火泡沫胶凝早，强度增长快，强度高，适宜巷道空洞直接堆积垛起，可快速熄灭高顶火灾；
( 3 ）成本降低50 ％以上；
( 4 ）材料易取，尤其是利用粉煤灰可改善电厂环境降低除灰成本； C C C C C Q Q Q O
N ）（）（4321----=（2-4-8）
( 5 ）安全性、环保性好。

氨类凝胶等物质有毒有味，固体有机高分子泡沫有毒、易燃、安全性差，而该无机固体三相泡沫无毒、无味、无污染、不燃烧，系绿色防灭火材料。

（三）无机固体三相泡沫物理性能调控
井下不同地点对无机固体三相泡沫物理性能的要求不同。

无机固体三相泡沫的流动性、初凝时间、胶凝速度、强度等可通过配料进行控制。

用于防火堵漏风时，用的泡沫要求流动性好，且强度不宜太高，一般控制在初凝时间5 一7min , 3d 强度可达10kPa 以上，堵漏风率在85%以上。

用于灭火时，要求泡沫具有胶凝速度快、强度增长速度快、强度高等特点，可在巷道或空洞直接垛起。

无机固体三相泡沫在用于对材料强度要求不高的防灭火充填封堵作业时，可适当增加固体废弃物用量以降低成本；适当提高流动性，使之能被压入所有漏风通道，堵住漏风。

而用于对材料强度要求较高的高顶冒落空洞防灭火充填作业时，应减少固体废弃物的添加量，提高凝固速度以缩短无机固体三相泡沫的凝胶时间，提高初期强度增长速度，以利于无机固体三相泡沫的堆积，从而达到密闭支护空洞，窒息着火点。

含惰气的无机固体三相泡沫不仅有普通无机固体三相泡沫的作用，而且在无机固体三相泡沫遇意外情况破灭（如灭火初期遇高温破灭，充填后遇突然来压破灭等）时，能释放出惰气，稀释该地点瓦斯、氧气等浓度，促进着火点窒息，防止瓦斯爆炸。

（四）无机固体三相泡沫的充填工艺
1. 高冒顶充填作业工艺
（1）如图2-4-11所示，沿空洞中心位
置依次向巷道纵向两个方向打钻下套管，
根据泡沫流动性确定最小管径，根据泡沫
堆积性确定最大管距，管顶距空洞顶留有
0.2– 0.5m 距离，管底伸出巷顶0.1～0.2
m ，且具有与胶管快速插接之结构。

对于
巷顶空洞扩展到巷侧壁上方一定深度的情
况，此钢管可沿巷顶向空洞深度倾斜，其管顶倾斜距离应不超过管距为宜。

(2)充填时沿中心位置的预埋管依次向四周充填，每个位置每次充填一定时间，如此循环可使泡沫有效初凝和增长强度，有利于泡沫的稳定。

因此要求充填机泡沫输送胶管具有一定长度（100 m 以上），且在充填端设有分支及控制阀门，以实现充填点移动过程中的连续作业。

(3）如此循环作业直至下一个钢管排出泡
沫时，说明此位置已被充填至空洞顶。

2. 沿空侧空洞充填作业工艺如图2-4-12所
示，由于无机固化三相泡沫有良好的堆积性能，
可手持胶管向空洞内直接充填，无需其他准备工
作。

充填时应沿巷道纵向移动充填，移动速度视
堆积情况而定，且同时应向空洞深度往返移动。

当泡沫沿巷壁位置堆积一定高度时，只需做些简单的遮挡即可实现泡沫的堆积，工艺十分简单。

图2-4-11 高冒顶空洞充填示意图
图2-4-12 沿空侧空洞充填示意图。