国内外防灭火现状及防灭火技术(精)

近年来，凝胶技术在我国得到较广泛应用。 凝胶分为无机凝胶和高分子凝胶两大类，其防 灭火机理是凝胶通过钻孔或煤体裂隙进入高温 区，其中一部分未成胶时在高温下水分迅速汽 化，快速降低煤表面温度，残余固体形成隔离 层，阻碍煤氧接触而进一步氧化自燃；而流动 的部分混合液随着煤体的温度的升高，在不远 处及煤体孔隙里形成胶体，包裹煤体，隔绝氧 气，使煤氧化、放热反应终止；干涸的胶体还 可以降低原煤体的孔隙率，使得通过的空气量 大大减少，从而抑制复燃。
充分隋化存在煤层自燃的采空区
条 件
吸收煤体周围空间储存的热能，降低煤温
破坏煤体表面的各种活性基团结构，阻化 煤氧反应
近几年，防灭火技术在我国取得了长足 的进步，有一大批高等院校和科研院所的专 家、学者都一直在从事该领域的研究工作， 为我国煤矿的安全事业特别是火灾防治方面 作出了很大的贡献，成功地治理了多起矿井 煤炭自燃灾害。例如：2003年10月24日，宁 夏白芨沟矿采空区发生了我国建国以来最大 的煤矿井下煤炭自燃发火，全矿井被迫封闭。 在火灾治理过程中，采用注三相泡沫为主， 同时结合注浆、水封、均压及大流量注氮等 技术，成功地扑灭并安全启封了该特大型火 区。
主讲人：梁峰
国内外防灭火现状
一、国内防灭火现状
矿井火灾是煤矿的主要自然灾害之一，而煤 炭自燃又是矿井火灾的主要形式。近年来，综 采放顶煤技术得到大力的推广和应用，使煤矿 生产效率大幅提高，但该方法冒落高度大、采 空区遗留残煤多、漏风严重，使得矿井煤炭自 燃发火频繁发生，已成为制约矿井安全生产与 进一步发展的主要因素之一。
4)含有山砂稠化剂的砂水混合溶液在管 道中流动时能形成减阻界面，大大地减缓了 对管道的磨损，同时也消除了堵管现象，有 利于进行管道长距离的输送，便于现场大规 模的应用。 5)砂浆稠化剂材料成本低，无毒无味无害， 不污染环境，是理想的环保产品。
一种用来防治煤炭自燃的悬砂稠化剂，将 悬砂稠化剂和添加的山砂充分混合，使山砂完 全悬浮在液体中，形成山砂稠化剂溶液，然后 经输送管道将其均匀喷洒覆盖在煤层上，防灭 火效果显著，在砂源丰富的矿区具有广泛的适 用性，现已在神东矿区得到初步的应用。
该稠化剂具有如下的特点：
1)有很强的吸水能力，并能将砂和水固结 在一起而不易脱水，很好地保持了井下环境和 长时间的防灭火效果，同时当砂浆遇高温时， 能充分吸热蒸发，带走更多的热量。 2)当砂浆中的水分被慢慢蒸发掉后，覆盖在 煤层上的砂就会固结成砂块，并具有很高的强 度，能完全隔绝了煤氧的结合。 3)砂浆中的山砂可以捕获煤炭自燃生成的自 由基，从而阻断煤的低温氧化过程。
煤层自燃发火
煤有自燃倾向性
遗留有大量浮煤
连续供氧
热量的不断积聚
煤本身的特性
人为控制影响
从上图看出，在防治煤层自燃的时候， 任何防灭火技术和材料只要切断其中的任何 一个乃至全部条件，那么就可以起到有效的 防治效果。因此，所采用的防灭火技术与材 料须满足以下条件：
防灭火技术与材料须气的接触。
为了防治煤炭自燃，国内外广泛采用注 水、灌浆、喷洒阻化剂、注惰气等技术。近 年来，又较广泛地采用了凝胶、胶体泥浆、 阻化汽雾、泡沫树脂等防灭火技术。该类技 术对保证矿井安全生产起了重要作用，推动 了矿井防灭火科技的进步。
在20世纪50年代，灌浆技术成为我国煤矿防 灭火技术的主要手段，并且一直沿用到今天。 所谓的预防性灌浆技术就是指将水和灌浆材料 按适当的比例混合，配制成一定浓度的浆液， 经过铺设的输浆管路利用自燃压差或泥浆泵送 到可能发生煤炭自燃的区域，以防止自燃火灾 的发生。 灌浆技术是一项传统的、简单易行的、比 较可靠的防灭火技术。在一些缺少灌浆材料的 矿区，通常采用注水来代替灌浆，增加煤体的 水分，也取得了较好的效果。
三相泡沫制作流程图
① 地面 搅拌泥浆
② 定量向 灌浆管路中 添加发泡剂
③ 制氮机 向发泡器中 注入氮气
④ 混合液与氮 气在发泡器中搅 拌形成三相泡沫
⑤ 注入 需要防灭 火区域
② 注入发泡剂
③ 注入氮气
① 地面泥浆池
④ 发泡器
三相泡沫效果图
三相泡沫兼有了一般注浆、注惰气泡沫、 注氮气、注阻化剂等防灭火技术的优点，又克 服了一般技术的不足，具有以下的特点： 1)泥浆通过注入氮气发泡后形成三相泡沫， 体积量大幅度增大，在采空区中可向高处堆积， 对低、高处的浮煤都能覆盖；注入在采空区的 氮气被封装在泡沫之中，能较长时间滞留在采 空区中，充分发挥氮气的窒息防灭火功能。这 是三相泡沫比一般单纯注浆、注氮气的优越之 处。
4)固化泡沫安全性、环保性好。
粉煤灰固化泡沫现场效果图
2、三相泡沫防灭火技术
所谓三相泡沫是指在粉煤灰或黄泥浆液中添加 极少量的发泡剂、稳泡剂等添加剂并引入氮气，通 过三相泡沫发泡器物理机械发泡，形成粉煤灰或黄 泥颗粒均匀地附着在气泡壁上的多相体系。并针对 固体不燃物(粉煤灰、黄泥)介质的特性，研制出了 具有较高发泡倍数和泡沫稳定时间较长的三相泡沫 发泡剂和相应的三相泡沫发泡器。
目前国内外主要防灭火技术及优缺点如下表所示
三、防灭火新技术
防灭火新技术
粉煤灰固化泡 沫防灭火技术
三相泡沫 防灭火技术
稠化剂砂浆 防灭火技术
1、粉煤灰固化泡沫防灭火技术 粉煤灰固化泡沫是以粉煤灰和水泥为基材， 添加一定的复合添加剂，通过物理机械的发 泡方式，形成水、气、固三相泡沫状态的粉 煤灰固态物质，发泡倍数2～8倍可调节，形 成了具有抗压能力的轻质固态材料。
煤炭自燃是具有自燃倾向性的煤在有适宜 的供氧量、有蓄热氧化环境和时间的条件下发 生的物理化学变化的结果。影响煤炭自燃的因 素很多，影响过程也极其复杂，但归根到底只 有人为因素和自然因素两大类。
煤炭自燃两大因素
人为因素
自然因素
煤炭自燃火灾的发生须具备以下几个条件， 其相互的关系如下图所示。
煤炭自燃发火条件图
浆液、发泡 剂输送口
氮气入口
发泡器
三相泡沫混合 浆液出口
粉煤灰或黄泥三相泡沫不完全等同于浮选学科 中的三相泡沫。浮选中的三相泡沫，它只是将要浮 选的固体颗粒粘附在泡沫上，而并不一定将水全部 变成三相泡沫的液膜，因此，一般都会出现上层是 带固体颗粒的泡沫，而下层则是水。而防治煤炭自 燃的三相泡沫，是需要将全部的水形成三相泡沫的 液相成分，充分利用水的防灭火特性，使粉煤灰或 黄泥颗粒、气体、液体全部存在于三相泡沫体系中。 三相泡沫充分利用粉煤灰或黄泥包裹覆盖可燃 物的性能、水的吸热降温作用和氮气的窒息能力来 防治煤炭自燃与灭火，并将这三相作为一个有机的 整体长时间保留在采空区，充分发挥三相材料的防 灭火功能。
最严重的后果也很可能引发重特大瓦斯煤尘爆 炸事故，导致特别重大的人员伤亡和经济损失， 在最近10年时间里，就多次发生了由于矿井煤 炭自燃引发瓦斯爆炸的重特大事故，如2003年 11月14日，江西某矿采煤工作面由于煤炭自燃 引发特大瓦斯爆炸，死亡51人，等等。因此， 煤炭自燃发火的危害及其防治越来越受到煤矿 安全工作者的关注。
粉 煤 灰 固 化 泡 沫 流 程 图
注入采空区或高冒区的泡沫体在一定时 间内具有流动性，可进入包括松动圈在内的 所有空间和缝隙，在一定时间内产生凝固并 逐渐固化，因此，可以有效充填整个漏风空 间和松动圈缝隙；由于矿用固化泡沫固化前 流动性较好，不需要很高压力就可实现有效 扩散，使接顶时只需要0.2～0.5 MPa充填压 力就可以实现有效接顶和扩散，因此，充填 设备功率较小、成本低，作业安全简便。该 技术目前已在铁法煤业集团、兖州矿业集团 等矿区得到初步的应用。
在我国国有重点煤矿中，有56％以上的矿井都 存在自燃发火的危险。
56%自燃发火 44%无自燃发火
由煤炭自燃而引起的火灾占矿井火灾总数 的90％以上。
煤层自然发火的危害性
经济损失
我国新疆、宁夏、内蒙等区还存在大面积 的煤田火灾，每年烧损煤量1000～1360 万吨，经济损失超过200亿元。
环境污 染
粉 煤 灰 固 化 泡 沫 效 果 图
粉煤灰固化泡沫具有如下特点：
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)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。
因此，为了保证矿井安全开采，有效防 治煤层自燃，必须掌握现有的防灭火技术 和该领域的最新研究进展。但是，在防治 矿井煤炭自燃过程中，没有一种材料是万 能的，通常都是几种防灭火技术和材料综 合作用的结果，关键是要分析煤炭自燃的 发生发展状况、位置及根据矿井的实际条 件，选择合适的技术和手段。
二、国内外常规防灭火技术
2)三相泡沫中含 有粉煤灰或黄泥等固态 物质，这些固态物质是 三相泡沫面膜的一部分， 可较长时间保持泡沫的 稳定性，即使泡沫破碎 了，具有一定粘度的粉 煤灰或黄泥仍然可较均 匀地覆盖在浮煤上，可 持久有效地阻碍煤对氧 的吸附，防止煤的氧化， 从而有效地防治煤炭自 燃发火。这是三相泡沫 比两相泡沫的优越之处。
阻化剂技术在美国、波兰、前苏联等国家得 到了较好的应用；近些年来，阻化剂技术在我国 也得到推广应用。该技术主要是让水溶液附着在 易被氧化的煤体表面，惰化煤体表面的活性结构， 阻止煤与氧气的接触的作用。 惰性气体技术从20世纪70年代开始在德、 法、英等发达国家煤矿中大量使用；从80年代起， 我国开始了氮气防灭火技术的研究与推广。
煤炭自燃产生大量的 SO2 ， H2s ， CO 和CO2气体，严重污染环境；
土壤沙 化
煤田火灾还造成大面积的植被破坏， 使土壤沙漠化
此外，为防止瓦斯事故，我国的高瓦斯矿 井都采用瓦斯抽放作为治理瓦斯的根本措施， 但是在瓦斯抽放过程中，由于增加了抽放区域 的漏风，因瓦斯抽放引起的煤炭自燃问题又变 得十分突出。因此，一旦矿井发生煤炭自燃， 轻则影响生产，重则可能烧毁井下的全部生产 设备及导致矿井的停产，带来巨大的经济损失， 近些年来，我国因在开采过程中采空区发生煤 自燃而封闭的工作面超过1000个，每个面的直 接经济损失都超过数千万元。