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第四章 矿井火灾防治技术 第四章 矿井火灾防治技术 第一节 概述 矿井火灾防治包括内因火灾防治与外因火灾防治两方面。 一、内因火灾防治 “预防为主，综合防治”是矿井火灾防治工作中的指导方针。煤矿安全规程规定，矿井设计前，和矿井延深新水平时，必须对所有煤层的自燃倾向性进行鉴定，根据煤炭自燃倾向性采取相应的自然发火防治措施。开采实践表明，煤层自然发火危险程度不但受煤炭本身自燃倾向性的影响，还受到煤层地质赋存条件、开采技术条件等外部因素的影响。据统计，煤矿井下火灾90以上是内因火灾。我国在内因火灾防治方面做了大量的工作（如通过隔绝采空区，改善通风系统，采用均压通风、黄泥灌浆、压注阻化剂、凝胶、三相泡沫、化学泡沫以及采空区注入惰性气体等防灭火技术），并取得了较好的效果。 均压通风防灭火的概念自20世纪50年代波兰首次提出，60年代一些采煤技术发达的国家竞相采用，我国运用均压通风防灭火技术也是于这一时期开始的。进入80年代，均压通风防灭火技术在我国得到了更广泛的应用，如大同、平顶山等局矿应用这一技术先后扑灭过矿井大面积火区，大同矿务局煤峪口矿应用均压防灭火技术成功进行了大面积火区下部采煤，使火区下大量呆滞煤量得以开采。“九五”期间，煤科总院抚顺分院与兖矿集团公司兴隆庄煤矿共同承担国家攻关项目均压通风动态监测系统研究，实现了均压通风动态监测。随着自控技术的发展，均压通风防灭火技术将在自动监测的基础上实现自动调控。 黄泥灌浆技术最初使用的是黄土泥浆，在我国具有自然发火的矿井中应用比较普遍，并取得了较好的效果。现在不燃性浆液的原料已经扩展到页岩浆液、矸石浆液、粉煤灰浆液等，对于减少侵占农田及环境污染具有重要意义。 阻化剂防灭火技术自20世纪60年代诞生以来，在我国得到了广泛的应用，在“八五”期间，抚顺分院研制了长效增寿阻化剂，使阻化效果和阻化寿命有了很大提高。 凝胶防灭火技术和泡沫防灭火技术近年来得到了较大的发展。尤其是泡沫防灭火技术，从最初的空气泡沫到惰泡（惰气泡沫），物理泡沫（机械泡沫）到化学泡沫，到固态三相泡沫。随着煤矿开采方法的改进与开采强度的加大，采空区冒落空间增高并扩大，丢煤量增多，区段间的隔离煤柱破坏严重，采空区漏风增加，自燃火灾事故频频发生，影响煤矿安全生产。泡沫防灭火技术由于药剂来源广泛、价格便宜、工艺简单可行，无毒无害等特点，必将发挥更大的作用。 二、外因火灾防治 外因火灾具有突发性，来势迅猛等特点，往往造成重大恶性事故。据统计，重大恶性火灾事故90以上是外因火灾引起的。外因火灾占发火总次数不到10，但牺牲于外因火灾中的人数却占牺牲人数的65以上。随着采掘机械化程度的提高，近年来外因火灾的比率有上升的趋势。外因火灾防治是矿井防灭火工作的重要组成部分。且不能因外因火灾比率较低而疏于防范。外因火灾的防治一是防止失控的高温热源；二是在井下尽量采用不燃或耐燃支护材料，不燃或阻燃材料制品，防止可燃物的大量堆积。 我国煤矿外因火灾的防治，首先是改变了巷道支护形式，井下主要巷道多数采用了混凝土锚喷支护、料石砌碹和金属支架；在供电上采用阻燃电缆及铠装电缆，并且改进了电缆接头方式；变压器及机械设备用油采用抗燃剂；胶带输送机采用阻燃胶带，并且在胶带输送机上装设温度传感器或烟雾传感器，与水喷雾器或灭火器联动。 防范小规模火灾，采用小型干粉灭火器以及1211灭火剂，扑灭初起火灾应用过灭火手雷、灭火弹、移动式干粉灭火车、高倍数泡沫灭火等，在一些局矿也取得成功。我国矿山救护队应用抚顺分院研制的DQ系列惰气发生装置成功地扑灭了一些重大内外因火灾。 外因火灾的早期预测预报是防止其发展，控制其危害的一个重要方面。“九五”期间抚顺分院研制成功“KJS5000A型带式输送机火灾监测系统”对于早期发现胶带输送机和电器、机械设备发热有很好的效果。该系统可以与井下灭火装置联动，可以在发生外因火灾时自动灭火。前苏联、波兰、英国、日本等一些国家皮带输送机上安装火灾监测及自动灭火系统后成效显著。 第二节 矿井自然发火（内因火灾）防治 由于煤炭自然发火必须同时具备可燃碎煤堆积；有蓄积热量的环境和条件；以及适宜供氧条件。煤炭自燃受其内在因素（煤具有自燃倾向性）和外界因素（开采技术条件等）的影响。从煤炭开采的实践和预防自燃的角度看，外界因素是关键。矿井自燃火灾的防治，关键在于采取有效的技术措施减少人为丢煤，杜绝漏风供氧条件，抑制碎煤氧化自燃。 一、灌浆防灭火技术 煤矿安全规程规定，“开采有自然发火的煤层，必须对采空区进行预防性灌浆”。预防性灌浆是防止自然发火最有成效，应用最为广泛的措施，对胶结顶板、防尘、降温都有较好的效果。预防性灌浆的作用一是隔氧，二是散热，浆液流入采空区后，固体物沉淀，充填于浮煤缝隙之间，包裹浮煤隔绝与空气的接触，防止氧化。而浆水所到之处，增加煤的外在水分，抑制自热氧化的进程，同时对已经自热的煤炭有冷却散热作用。 二、均压通风防灭火技术 煤炭之所以发生自然发火，必须要有漏风的存在。为了防止或减少漏风，就必须降低漏风通道两端压差，采用降低漏风通道两端压差的技术称为均压通风防灭火技术。 （一） 防止或杜绝火区的漏风 影响火区漏风的主要因素有火区进、出风侧的风压差；防火墙的气密性；火区火势的状况，火区的瓦斯涌出量及大气压力的变化等。 1、降低火区进、回风侧压力差取决于封闭火区在矿井的通风系统中所处的位置。因此，合理调整通风系统，尽可能减少封闭火区周围的风压差是非常重要的。 2、防火墙的气密性愈好，风阻就越大，漏风量就愈小。但光靠密闭把火区严密地封闭起来使其不漏风是不可能的（因为通过无数不易见到的裂缝和裂隙以及防火墙与巷道四周接缝的不严密处都或多或少地存在着漏风）。 3、随着火势加剧，火区温度增高，气体体积膨胀，压力随之升高，火区进风侧漏风量减少，火区出风侧漏风量加大。当火势减弱时，则出现相反的情况。 如果火区在垂直方向上有一定的标高差时，则有火风压产生，局部火风压ΔH的计算公式如下 ΔH＝ρgzΔt/T，Pa （4-4-2-1） 式中ΔH--局部火风压值，Pa ρ烟流空气的平均密度，Kg/m3 g重力加速度，m/s2 z火区进回风测标高差，m Δt火区内平均空气温度增量，℃ T火区内绝对平均温度，K （二） 采空区的漏风 回采工作面采用全部冒落法走向长壁U型通风方式回采时，随工作面推进，顶板逐渐冒落压实。采空区内空气的流动或采空区漏风随着与工作面距离的加大逐渐减弱，采空区内可以按煤炭自燃情况划分为三带冷却带、氧化带、窒熄带。 Ⅰ冷却带，在整个区域内虽然有形成自然发火的浮煤堆积条件，但由于靠近工作面开采空间，顶板冒落的岩石处于松散堆积状态，孔隙大，漏风强度大，无蓄热条件,加之浮煤与空气接触时间短，一般不会发生自燃。其宽度以工作面中心计算约为15m。 Ⅱ氧化带，由冷却带向采空区内部延伸约2560m的空间，岩石冒落逐渐压实，漏风强度减弱，风流呈层流状态，浮煤氧化生热，热量积聚，温度上升，有可能发生自燃。氧化带的宽度取决于工作面通风状况和采空区岩石冒落压实程度。 Ⅲ窒熄带，紧靠氧化带之后就是窒熄带。此区域内冒落岩石逐渐压实，漏风基本消失，氧浓度下降至煤炭临界氧浓度以下。即使氧化带煤炭已发生自燃，随工作面的推进，火区进入窒息带后也将因缺氧熄灭，所以称之为窒熄带。 （三） 漏风与自燃的关系 煤所以自燃是由于除自身具有自燃倾向外，尚有连续的供氧条件和储热的环境。供氧，和蓄热环境主要与漏风有直接关系。有人研究煤在氧化过程中增温的风速变化认为，采空区单位面积上的漏风量大于1．2m3／sm2，或小于0．06m3／sm2时都不会发生自燃，最危险的漏风量是0．40.8m3／sm2。由于开采技术条件的不同，这些数值均有局限性，但对研究煤的自燃具有一定的特定意义。 （四） 风压调节技术及其应用 为适应矿井按需供风的不断变化，必须要经常调节各用风地点的风量。同时，从防灭火的角度出发，对已经封闭的火区或有自然发火征兆的区域也必须进行风压调节，尽量降低这些区域进、出风侧的压差，使其风压趋于平衡，减少或杜绝漏风。风量调节和风压调节又是相互联系、相互制约的不可分割的统一整体。所以，风量调节和风压调节是矿井通风安全技术管理的经常性的重要工作。处理得好坏与否直接影响矿井安全生产。 所谓风压调节技术主要包括1、风门、风窗调节法；2、风机调节法；3、风机、风窗调节法；4、风机风简调节法；5、气室调节法（又分为连通管气室法和风机气室法）；6、调整通风系统法等。 这些具体措施，从调节后的风压变化情况来看，实质上可分为两种类型，即增压调节法和减压调节法。究竟采用哪一种调节方法更好些，要根据火区的具体情况而定。根据作用原理、使用条件不同，均压通风防灭火技术大体可分为开区均压和闭区均压两类。 1、 开区均压 在回采工作面建立均压系统，是减少采空区漏风，抑制遗煤自燃，防止有害气体积聚或向生产空间涌出，保证安全生产的重要措施。采空区的漏风情况十分复杂，如果将各种形式的漏风通道作为组成风网的一条不同的支路，采空区漏风可分为并联、角联和复杂连接三种漏风方式。在实施过程中应根据漏风方式的不同采取均压措施。 1） 风门、风窗调节法 火 火 4 4 3 3 2 2 1 1 a b 图4-4-2-2 调压风窗对火区影响示意图 调节风门均压是针对采空区并联漏风采取的一项均压措施。后退式回采U型通风方式的工作面采空区小并联漏风是导致遗煤自燃的重要因素。在工作面回风巷安设风门是降低工作面压差、减少漏风最简便易行的措施，随着压差的减小，在风阻不变的前提下，工作面风量必然减少，氧化带宽度变小，窒息带前移，氧化带内的自然发火征兆也会消失。 风窗调节法，就是在需要改变风路压力关系的分支上设置风窗，增加或减少该分支的风压。风窗就是在风门或挡风墙上开一可变的方形小窗口，风流从窗口流过，流经窗口的风流产生局部阻力损失。风窗可使其前方风流的压力升高，使其后方风流的压力降低。 如图4-4-2-2，在并联网路中一个分支有火区存在，可以在如图4-4-2-2-a所示的1-2分支上或如图4-4-2-2-b所示的3-4分支上安调压风窗来减少火区两侧的压差。实际上是减少与火区并联网路上的分支风量，从而降低这一段的阻力消耗。 2） 改变工作面的通风方式 对于后退式回采工作面的“U”型通风，如果改为“W”型通风则可以减少工作面压差，降低氧化带宽度，抑制遗煤自燃。 3） 扇风机与风门联合均压 Ⅰ Ⅱ Ⅲ 4 3 2 1 图4-4-2-3 风机与风门联合均压 这主要是针对采空区后部漏风采取的一种均压措施。如图4-4-2-3所示。这类漏风的特点是无论上部或下部漏入，都要经过回采工作面上隅角排出。自然发火征兆往往从上隅角表现出来。消除这类漏风，抑制采空区遗煤自燃，通常的做法是在工作面进风巷安设风机，回风巷安设调节风门，提高工作面空气的绝对压力，使工作面空气绝对压力稍高于后部漏风源的绝对压力。需要指出的是，工作面空气压力的提高应于后部漏风源的绝对压力平衡，以避免工作面向采空区内部漏风。 4） 风简风机调节法 在某些情况下，防火墙T1和T2相距饺近，如要调节封闭区域T1或者T2中的风压，可以使用风简风机调节。如图4-4-2-4所示，如果只需要调节密闭墙Tl进风侧密闭墙的风压，可以把风机设在防火墙Tl外部，并在风机前接上风筒，同时使风筒的出口超越密闭墙T 2所在分支一段距离设在分支23中，这样不会影响防火墙T2处的风压状态，如图4-4-2-4-a。如果我们只需调节防火墙T2处的压力状态，可以在风机的后方联上风筒，而将风机设于防火墙T2外部分支中，风简的吸风口则设于分支12中不影响防火墙Tl的风压状态的地方如图4-4-2-4-b。改变防火墙T2处风压的另一种方法，是在分支l2中设立调压风机，而将风筒的出风口置于防火墙T2附近如图4-4-2-4-c。 火 4 3 2 1 a b a T1 T2 风筒 火 4 3 2 1 b b a T1 T2 火 4 3 2 1 c b a T1 T2 图4-4-2-4 风筒风机调节法示意图 5） 角联支路调节法 角联支路风向的变化取决于相邻支路的风阻比。针对采空区形成角联支路漏风造成的煤炭自燃现象，采用在相邻支路安设调节风门改变相邻支路风阻的方法简便易行。 2、 闭区均压 在已封闭的区域采取均压措施，可以防止自然发火。在已封闭的火区采取均压措施可以加速火源的熄灭。 实现闭区均压的方法很多，主要有调压气室法和调整通风系统法。 1） 调压气室均压 在封闭火区的密闭墙外侧建立一道辅助密闭墙，并在辅助密闭墙上设置调压装置调节两密闭墙之间的气体压力，使之与火区内空气压力趋于平衡，为此目的而构筑的气室，称之为调压气室。 为了保证调压气室的可靠性，调压气室一般采用砖石砌筑。调压气室建立在火区一侧的称为单侧调压气室，建立在火区两侧的称为双侧调压气室。 火 1 2 3 4 1调压管；2辅助密闭；3密闭；4压差计 图4-4-2-5 连通管调压气室示意图 调压气室由于使用调压设备不同，分为联通管调压气室和风机调压气室两种。 连通管调压气室图4-4-2-5是在气室的外侧密闭墙上设立一条管路，管路的一端送入气室内，另一端则送入正压风流，或者是负压风流之中相对于气室内的气体压力而言。 火 1 2 3 4 1风机；2气室密闭；3永久密闭；4压差计 图4-4-2-6 风机调压气室示意图 风机调压气室图4-4-2-6是在气室的外密闭墙上设立一台局部通风机作为调压手段的气室。风机可根据调压的幅度选择。气室内的气体压力由风机运转时抽出或压入气体调节。两种调压气室，以联通管调压气室简便、经济。调压气室在实际应用中，其长度大多数情况下都不超过10m，一般为56m。 它的作用实质上也是一个密闭墙的作用可以把它看作是一个气体密闭墙，它对火区附近巷道内的压力状态没有什么影响。因此，调压气室大多使用在要消除矿井主要通风机对火区的直接影响，而又不对火区附近巷道内的风压、风量有所改变的情况下。 2） 调整通风系统 调整通风系统均压可以通过调整矿井主要通风机的工况，调整矿井通风系统，调整调压风墙、调压风门、调压风窗的位置、利用并联风路和改变工作面通风方式等来实现。 调整矿井主要通风机工况，可采取改变风机转速、调整风机叶片角度和风机联合运转等方法实现；调整矿井通风系统可采用合理的巷道布置、优化通风设施位置以及简化多余巷道和清理风阻物等；矿井通风设施的调整，可与通风系统改造同时进行，但大多数情况下，还是在通风系统已定的条件下另行实施。在实施均压措施前，应进行巷道通风阻力测定和通风系统改造优化计算。 三、阻化剂防灭火技术 国内外对阻化剂应用于井下防火方面也进行了不少的研究试验工作，而且从实验室对阻化剂材料的选择、阻化性能的考察到应用工艺等诸多方面都取得了一定的成果。 目前国外使用的阻化剂大致有吸水盐类阻化剂（如氯化钙、氯化镁、岩盐）；石灰水、水玻璃；亚磷酸脂、二氢氧三烷基醌；多种表面活性剂；四硼酸氢铵、碳酸铵饱和悬浮液；多功能高效阻化剂等。在我国阻化剂防灭火已有20多年的历史。它已在60多个局、矿的局部和工作面防灭火中应用。 （一） 阻化防火机理 阻化剂防止煤炭自燃，可以看作是负催化作用。煤炭经阻化处理后，属于化学药品的阻化剂吸附在煤炭表面上，形成一层能抑制氧与煤接触的保护膜，阻止了氧气和煤结构上的活动链环羧基反应，使煤炭和氧的亲合力降低。它有一种主动排斥氧和煤化合的功能，但它并不和煤、氧等物质化合。我们目前主要采用的阻化剂是氯化物。它还有一定的物理作用，氯化物水溶液能浸入到煤体的裂隙中，并复盖在煤的外部表面，把煤的外部表面封闭，它将煤炭的结构与结构之间的空隙填塞，因此隔绝氧气。同时，氯化物是一种吸水能力很强的物质，它吸收大量水份复盖在煤的表面，也减少了氧与煤接触的机会，延长煤的自然发火期。 试验考察结果表明阻化剂对煤的吸氧速度的影响表现为随着煤中阻化剂溶液含量的增加，其吸氧量减小。如表4-4-2-1所示。 表4-4-2-1 阻化剂对煤吸氧量的影响 阻化剂 吸 氧 量 cm3/g.h 4.97 0.67 0.51 0.34 0.18 9.53 0.08 0.08 0.07 0.06 4.50 ─ 0.44 0.33 0.21 5.50 ─ 0.36 0.25 0.16 时间d 5 10 20 40 （二） 阻化防火工艺 1、 阻化剂的选择 选择阻化剂的原则是阻化防火效果好、来源广泛、使用方便、安全无害、对设备无腐蚀、防火成本低。 2、 阻化剂压注工艺 为防止煤柱、工作面起采线、停采线等易燃地点发火，需要打钻孔进行压注阻化剂处理。钻孔间距根据阻化剂对煤体的有效扩散半径确定。钻孔深度应视煤壁压碎深度确定。钻孔的方位、倾角要根据火源、高温点的正确位置而定。压注之前首先将固体阻化剂按需要的浓度配制成阻化剂溶液，开动阻化泵，将药液吸入泵体，再由排液管经封孔器压入煤体。 （三） 汽雾阻化防火原理及工艺 1、 汽雾阻化防火基本原理 汽雾阻化防火其实质就是将受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以依漏风风流为载体飘移到采空区漏风所到之处。从而达到采空区防火。目前在我国易自燃发火的煤矿中，已有60多个局、矿在应用阻化剂防火，汽雾阻化防火技术是为抑制煤的自燃而提供的一种新型防火技术。 2、 汽雾防火系统的构成及参数选择 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。 1）雾化器的性能及选择汽雾发生器是用于雾化阻化剂的装置，雾化器的的关键部位是喷嘴。一般采用机械雾化喷嘴，它具有喷雾量大、耐高压、耐腐蚀等优点。喷嘴内部有切向槽及旋流室，液体经由切向槽进入旋流室，一边旋转，一边流向旋流室的中心。由切向槽进入旋流室时，液体的流速是比较低的，因此它具有的动能较小，但内能较高。随着液体向旋流室的中心流动，它的内能减小，而动能增加，因而液体的旋转速度增加。而当液体接近旋流中心时，它的内能减小，低于小于外部大气压。此时外部空气就会被吸入喷嘴，在喷嘴中心产生一个气体旋涡。由于液体具有了动能，同时还受到气体旋涡的作用，所以在离开喷嘴的瞬间便成为汽雾。雾化器的选择主要依据是雾化率的大小以及日处理煤量等因素。 2）雾化泵的选择雾化泵的选择参数主要有两个，即流量和压力。流量以喷雾器流量和同时工作的喷雾器个数为依据；压力以喷雾器达到最佳雾化效果为准则。一般喷雾泵的流量应达到２.０m3/h以上。 3、 阻化剂浓度及喷雾量的计算 阻化剂浓度的选择应综合考虑阻化率、煤的自燃倾向、阻化剂纯度及防火成本等因素。 喷雾量的大小与采空区丢煤量成正比。其计算公式如下 Ｖ＝ＫＡＤＬＨＳ/Ｒ，t （8-4-2-2） 式中Ｖ──日喷雾量，t； Ｒ──雾化率，％； Ｋ──吨煤用液量，t/t； Ｄ──实体煤容重，t/m３； Ｌ──工作面长度，m； Ｈ──工作面采高，m； Ｓ──日进尺，m； Ａ──丢煤率，％。 四、凝胶防灭火技术 凝胶防灭火技术是20世纪90年代在我国广泛应用的新型防灭火技术。由于其工艺简单，操作方便，防灭火效果较好，很快在全国开采有自燃危险煤层的矿区应用。 （一） 原理 凝胶是胶冻状的硅酸溶液。由俗称水玻璃的硅酸钠水溶液和酸性促凝剂反应而成。其反应方程式如下 Na2SiO3NH4HCO3 H2SiO3Na2CO3NH3g 刚开始生成的单分子硅酸可溶于水，所以生成的硅酸并不立即沉淀。随着单分子硅酸生成量的增多，逐渐聚合成多硅酸xSiO2yH2O，形成硅酸溶胶，若硅酸浓度较大或向溶液中加入电解质时，硅、氧原子之间形成共价键构成立体网状空间结构，与水分子间靠范德华力及氢键力结合，使溶液丧失流动性，形成胶冻状凝胶。凝胶具有如下特点 1、吸热降温作用。凝胶的生成反应是吸热反应，据测定，每1m3凝胶的吸热量大于4MJ；凝胶的含水量大于90，25℃时水的汽化热为2.5MJ/Kg。因此，凝胶对煤体可起到吸热降温作用。 2、堵漏风作用。凝胶成胶时间可调。成胶前具有良好的流动性，可以充分渗透到煤的缝隙中；成胶后具有固体性质，有一定强度，一般大于2kPa，能堵住漏风通道，防止漏风。 3、保水作用。凝胶的含水量大于90，硅酸所形成的立体网状结构能有效地阻止水的流失。在井下潮湿封闭条件下，凝胶一个月的体积收缩率小于20，一定时期内能有效地起着堵漏风作用。 4、阻化作用。凝胶无论其原料还是最终产物都对煤体具有阻化作用，尤其是成胶后能覆盖于煤体表面，阻止其氧化。 （二） 凝胶防灭火工艺 水玻璃与水混合形成A液，促凝剂与水混合形成B液，两液按一定比例混合后注入使用地点。注胶结束后，立即用清水冲洗溶液箱及管路。其工艺主要有以下两种。 1、 双箱双泵工艺 其工艺流程如图4-4-2-7所示。 图4-4-2-7 凝胶防灭火双箱双泵工艺示意图 A液箱中注入水玻璃溶液浓度一般为8～10，B液箱中注入促凝剂溶液浓度一般为5～6,A液、B液分别由A泵、B泵压出；调节A、B两泵出口压力和流量，使之在混合器处按一定比例混合均匀，最后注入充填地点。 2、 双箱单泵工艺 其工艺流程如图4-4-2-8所示。 图4-4-2-8 凝胶防灭火双箱单泵工艺示意图 A、B两液箱分别注入水玻璃溶液和促凝剂溶液，依靠泵的吸力吸入A液、B液，通过调节A、B两液的吸入阻力控制其流量，使之按一定比例吸入泵中，在泵及出口管路中混合后注入充填地点。 煤炭科学研究总院抚顺分院生产KBJ系列注浆设备，由注浆泵、计量泵、搅拌机、混合器等组成。所配置的KLB型注浆泵适于输送高粘度、高含砂量的稠状物，输送浆液浓度（固体含量）可达60 ，含固体颗粒径≤8mm。 （三） 凝胶防灭火技术的新发展 凝胶防灭火技术已在我国煤矿得到广泛应用，但在实践中也暴露出诸多问题 1、 胶形成过程中释放出氨气，污染井下空气，危害工人健康。 2、 胶的强度较低，而且呈刚性，一旦被破坏就不能恢复，因此在压注完成后，遇矿压会压裂，影响堵漏风效果。 3、成本较高。凝胶成本一般都在60元/m3以上，高于黄泥灌浆、水砂充填等的成本，不适合大面积充填防灭火使用。 针对以上问题，近年来改进型配方主要有以下几种 1、 无氨味凝胶配方。这是煤科总院抚顺分院采用ENJZ矿用凝胶压注机配套研制的产品。它选用铝盐作为促凝剂，添加成胶速度调节剂，研制出成胶时间可调、强度较高的新型凝胶配方，已在平顶山矿区得到应用。 2、 分子结构型膨胀凝胶。这是煤科总院抚顺分院以水玻璃为基料，加入膨润土等添加剂。膨润土遇水膨胀，具有强烈的吸湿保水性质，能增加胶体的热稳定性能、可塑性和吸湿性，形成触变性胶体。当遇到超过其屈服强度的外力压迫时恢复流动性，外力消失后又变成稳定胶体，可对移架、矿压等造成的新裂隙进行二次封堵。该凝胶脱水率降低，寿命更长久。该新型凝胶已在龙口矿区得到应用。 3、 粉煤灰胶体。这是西安科技学院在普通凝胶中添加粉煤灰而成。粉煤灰作为一种粒度分布均匀的细小颗粒物，能均匀分散在水中形成泥浆，其比表面积大，又能与胶体间形成多种化学键和分子间力，使胶体强度增加，脱水缓慢，寿命增长。该新型凝胶已在阳泉矿区得到应用。 五、泡沫防灭火技术 （一） 化学惰气泡沫防灭火材料及工艺装备 1、 化学惰泡的性能与药液配方 化学惰泡防灭火材料是通过药液的化学反应而生成。生成物中的惰气可以窒息火区，而泡沫则可以吸热降温。此外，化学惰泡的药液，还具有较高的阻化能力。当化学惰泡扑灭煤炭自燃火灾后，惰泡落液存留在残煤上，可以有效地抑制残煤的复燃，从而达到防火的目的。 在选择药剂配方时，主要考虑下列因素1）化学反应能够产生惰气及泡沫；2）技术工艺可行；3）井下灭火安全可靠；4）对人体无害；5）经济合理等。目前选用以为AIS和NAC以为主剂的化学药液配方具备了上述条件。AIS和NAC均为来源广泛、价格便宜、无毒无害的化学药剂。在AIS溶液和NAC溶液中，分别加入其它添加剂溶液，便可产生阻化、阻燃而且稳定的化学惰气泡沫。 2、 主要技术指标 1）化学惰泡的发泡倍数 化学惰泡的发泡倍数是有效扑灭井下高顶火区的重要条件。化学惰泡的发泡倍数等于化学反应后的惰泡体积除以反应前的液体体积，一般为8 ～ 12倍。 2）化学惰泡的稳定性 化学惰泡的稳定性是灭火效率高低的关键。泡沫稳定性的好坏与药剂的理化性能、溶液的粘稠度、泡沫溶液的浓度有着密切的关系。不同的起泡剂有不同的稳定性；不同起泡剂的不同浓度，泡沫稳定性也不一样。泡沫稳定性还与泡沫溶液的粘稠度有关，溶液的粘稠度不同，泡沫的稳定性也不一样。 3）化学惰泡的阻化性能 化学惰泡是由AIS和NAC两种药剂进行化学反应而产生。化学惰泡生成后，经过一定时间，泡沫破灭形成泡沫落液。经分析试验泡沫落液阻化率可达到90以上。 化学惰泡阻化防灭火是集惰气窒息、泡沫含水降温以及泡沫充填堵漏于一体的综合防灭火技术。化学惰气泡沫防灭火材料为多功能复合材料，经过加水溶解后成为两种液体，分别由两个储液箱存放，当把这两种液体混合后，即发生化学反应产生惰气泡沫。压注惰泡设备为煤科总院抚顺分院生产的2MH-100/20型井下移动式灭火车。井下移动式化学惰泡灭火车是为了适应这种防灭火技术而设计制造的。在灭火车上配备两个专用储液箱、输液泵及控制装置，灭火车的供液压力、流量可调，输液泵为叶轮结构，性能可靠可保证灭火时的快速启动，长时间平稳运行。惰泡灭火车主要技术参数为供液压力0.8～2.0Mpa、供液流量 3.4～7.4m3/h 、电机功率25.5kW、电压380/660V交流电压。 （二） 三相泡沫防灭火技术 应用泡沫充填剂是空洞充填堵漏风防灭火的主要技术手段之一。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充填正在朝着轻质固化泡沫方向发展。 1、无机固体三相泡沫原理 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。二相泡沫添加固体粉末形成三相泡沫后其稳定性增加。固体三相泡沫指三相泡沫形成后，经一定时间由于固体粉未胶结而形成固态，从而使三相泡沫不收缩、不破坏、以达到使用目的。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。无机固体三相泡沫稳定性好，强度高，价格低廉，无毒、无害，可替代煤矿生产中现有防灭火材料，有着广泛应用前景。 无机固体三相泡沫的形成过程极为复杂，它是由气源、泡沫液、无机固体粉末组成。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组成。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，由无机固体粉未固结提供骨架支撑而形成有一定强度的固态泡沫体。在这个过程中，有起泡用的起泡剂，增加泡沫稳定性的稳泡剂，促进无机固体粉未均匀分散的悬浮剂，加快无机粉末固结的促凝剂，还有无机固体粉末在固结过程中产生的各种物质及用化学方法产生惰气时的各种反应产物，这些物质除各自发挥它们的作用外，互相之间还存在协同、促进、制约等各种影响作用。 2、无机固体三相泡沫的技术性能 无机固体三相泡沫防灭火充填新材料由水泥和少量添加剂组成。也可以添加使用点附近的固体废弃物（粉煤灰、矸石粉等），是一种无毒、安全、环保、适用范围广，可操作性强，工艺性好的煤矿井下防灭火新材料。其主要技术性能如下 1） 物理化学性能粉状、无毒、无味、惰性； 2） 泡倍数510倍； 3） 适用水灰比0.61.5； 4） 凝胶时间25℃min0.130； 5） 气密性 堵漏风率＞90； 6） 稳定性凝固后不塌陷、不收缩； 7） 强度3dKPa10120。 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。 3、无机固体三相泡沫配套发生装置 无机固体三相泡沫GFMH系列配套发生装置有三种规格（流量3/10/20m3/h、额定压力1.2/2.4/5.0MPa），整个设备由干粉供给、水及溶液供给、气体供给、泡沫发生、断电保护系统和输送部分组成。 整机有可移动式和固定式两种,电力驱动及控制部件均具有防爆功能，适用于具瓦斯及煤尘爆炸危险的煤矿井下。其主要技术性能如下 1 泡沫额定生产能力 3m3/h , 10m3/h, 20m3/h; 2 额定压力1.2MPa ，2.4MPa ,5.0MPa ； 3 供水压力 ≥0.2Mpa； 4 泵转速 292r.p.m； 5 额定电压 380/660V； 6 电机额定功率4.0kW, 7.5kW, 11kW ； 7 防爆型式Exd1； 8 外形尺寸 200010001395 mm； 9 重量 1.2t； 10 输送胶管规格 φ32mm； 11 输送胶管长度 100m。 4、无机固体三相泡沫的适用条件 1）防火用无机固体三相泡沫 防火堵漏风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5～7min,3d强度可达10kPa以上,堵漏风率在85以上。该泡沫可在如下地点使用 （1）采空区内充填封堵。工作面进度5～10m/月时,每月封堵一次,大于10米/月时,每10m封堵一次; （2）可用于瓦斯涌出量大,需风量大的综放工作面采空区的充填封堵; （3）建立架后采空区泡沫隔离带,防止工作面中下部向采空区漏风; （4）可用来处理两巷尤其是入顺发生的高顶、高温等隐患,以免将其甩入采空区; （5）充填与两巷联通的各种联络道、溜煤道等,以免甩入采空区; （6）由平行于回风顺槽的专用注浆道打钻向采空区后方充填,防止浮煤氧化; （7）充填沿空留巷松散煤壁堵漏风; （8）巷旁充填采空区,使采空区形成封闭墙; （9）需要堵漏风充填的其它场合。 2 灭火用无机固体三相泡沫 灭火泡沫应具有胶凝速度快，强度增长速度快，强度高等特点,可在巷道或空洞直接垛起,因此适合如下地点使用 （1）煤巷高顶火灾的快速扑救。泡沫直接触及高顶着火点,直接灭火,堆积的固体泡沫体充填巷道形成严密隔离带。 （2）高顶冒落充填。 3）无机固体三相泡沫特点 同国内外目前正在使用的防灭火材料性能比较，该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和除灰成本; （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。 5、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4-4-2-9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0.1-0.2m，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情况，此钢管可沿巷顶向空洞深度倾斜，其管顶倾斜距离仍以管距为宜。 图4-4-2-9 高冒顶空洞充填示意图 （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（100m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4-4-2-10所示，由于该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，无需其它准备工作。充填时应沿巷道纵向移动充填，移动速度视堆积情况而定，且同时应向空硐深度往返移动。当泡沫沿巷壁位置堆积一定高度时，只需做些简单的遮档即可实现泡沫的堆积，工艺十分简单。 图4-4-2-10 沿空侧空洞充填示意图 6、无机固体三相泡沫应用前景 1）无机固体三相泡沫是当今世界上所有采煤国家广泛应用的新型防灭火材料。它的应用将使煤矿的防灭火成本降低。与现有防灭火材料相比，它比使用高分子泡沫降低成本96，比水泥泡沫降低成本57，比使用凝胶降低成本60，比使用阻化剂降低成本50以上，而且防灭火效果可靠、持久、潜在经济效益十分可观； 2）固体三相泡沫的的广泛应用将对根治井下煤炭的自燃，保证安全、高产高效提供有力保障。同时，由于它的良好环保性能和易操作性，将大大改善工人的作业环境，减轻工人劳动强度，提高作业安全性。 3）机固体三相泡沫为高冒空洞难于处理这一技术难题提供经济、有效的解决方法，为煤矿日常防灭火工作提供先进的材料装备，使煤矿防灭火技术装备上一新台阶； 4）无机固体三相泡沫大量使用固体废弃物，不仅可以减少这些废弃物对环境的污染，改善矿区的环境，而且可以使这些废弃物的排放单位节约大量资金，具有良好的社会效益和经济放益。 六、惰性气体防灭火技术 （一） 氮气防灭火技术 用氮气来防止和扑灭矿井火灾，历来被煤矿安全工作者所重视。1953年，英国罗斯林矿就曾用罐装的氮气扑灭了井底车场附近煤层的自然发火。1962年，威尔士的弗恩希尔矿将液氮汽化后注入到密闭区来扑灭火灾。20世纪70年代起，原西德在液氮防治煤矿火灾方面得到了迅速的发展，而后，英、法、前苏联、印度等国也均采用了这一技术，取得了较好的效果。 中国从20世纪80年代起，开展了氮气惰化防灭火技术的研究与试验。1983年，天府矿务局用罐装液氮进行了灭火试验；1989年，抚顺矿务局龙凤矿利用井上氧气厂生产的氮气，通过管路输送到综放工作面采空区防止遗煤自燃取得了成功；1992年，西山矿务局杜尔坪矿利用移动式变压吸附制氮装置产生的氮气，通过管路输送到井下，有效地防止近距离煤层群煤的自燃；1995年，兖州矿务局兴隆庄矿利用安装在停采线附近的移动式膜分离制氮装置，有效地控制了无煤柱开采邻近工作面采空区煤的自燃。到1996年止，中国已有21个矿务局，34个综放工作面在进行