惰性阻化泡沫技术防治采空区自然发火研究.pdf

922020 年第 5 期 惰性阻化泡沫技术防治采空区自然发火研究 李 敬 郭玉印 范宝同 （山东济矿鲁能煤电股份有限公司阳城煤矿，山东 汶上 272502） 摘 要 针对阳城煤矿 3306 综放工作面回采期间采空区漏风造成工作面 CO 浓度超限问题，研究应用了惰性阻化泡沫防 火技术。该技术利用惰性阻化泡沫的渗透、堆积和扩散特性，达到对防火区域惰化、堵漏、窒息、阻爆灭火等目的。这技 术在 3306 工作面防治采空区自然发火获得了成功应用，确保了工作面安全回采。 关键词 采煤工作面 惰性阻化泡沫 防灭火 中图分类号 TD752.2 文献标识码 B doi10.3969/j.issn.1005-2801.2020.05.034 Study on Preventing Spontaneous Combustion in Goaf by Inert Inhibitor Foam Technology Li Jing Guo Yu-yin Fan Bao-tong Yangcheng Coal Mine, Shandong Jining Mine Luneng Coal Power Co., Ltd., Shandong Wenshang 272502 Abstract In view of the problem of CO concentration exceeding the working face caused by air leakage in goaf during the mining of 3306 fully mechanized caving face in Yangcheng Coal Mine, inert retarding foam fire prevention technology is researched and applied. The technology uses inert blocking foams infiltration, accumulation and diffusion characteristics to achieve inert, plugging, asphyxiation, and detonation suppression for fire prevention area. This technology has been successfully applied in 3306 working face to prevent spontaneous combustion in goaf and ensure safe mining. Key words coal face inert resistance foam fire prevention and extinguishing 收稿日期 2019-12-11 作者简介 李敬（1985-），男，蒙古族，2013 年毕业于中国矿 业大学安全工程专业，硕士研究生，工程师，现工作于山东济矿 鲁能煤电股份有限公司阳城煤矿通防工区，任主管技术员。 目前国内外煤矿采空区防灭火技术主要有灌 浆、注凝胶、注惰性气体、均压、阻化气雾等技术。 但是这些技术还存在一些不足，如注惰气（主要是 氮气）技术，惰气易随漏风流失，不易长时间滞留 采空区；注浆技术，浆体易流向地势低的部位且易 跑浆，不能均匀覆盖浮煤 [1]。生产实践中，需要根 据工作面开采实际采取针对性防灭火措施，提高防 灭火效果。惰性阻化泡沫防灭火技术在阳城煤矿 3306 工作面防治采空区自然发火获得了成功应用， 取得了显著效果，确保了工作面安全回采。 1 惰性阻化泡沫防灭火特性 惰性阻化泡沫是由 MF-1 防灭火材料（以下简 称“阻化剂”）、发泡剂及惰性气体组成，惰性阻 化泡沫技术是一种集固、液、气三相材料结合的综 合技术。该技术是利用阻化剂对煤体的包裹性、惰 性气体的窒息性及发泡剂的稳定性，通过输送装置 注入到防灭火区域。同时因为惰性阻化泡沫发泡系 数可达到 200 倍，可使单位体积的泡沫材料成本大 幅降低，进而具有较高的经济效益。 惰性阻化泡沫不仅有阻化剂通过泡沫均匀覆盖 煤体阻止氧化的作用，还有惰气泡沫本质稳定性防 灭火的优点。 （1）混合发泡剂后的阻化剂通过惰性气体注 入采空区，可很快地形成泡沫，泡沫的体积及数量 迅速增加，由于该泡沫具有堆积性、稳定性，在区 域内向高处堆积并进行大面积扩散，对高、低处的 浮煤达到覆盖包裹的作用。 （2）把封装在泡沫中的惰性气体及阻化剂注 入采空区或防火区域内，由于泡沫的液膜是由其表 面活性剂分子的非极性基础相互吸引形成的吸附 膜，使泡沫可较长时间滞留在采空区中，更好地发 挥惰性气体惰化换氧的窒息防灭火作用。即使泡沫 破碎了，泡沫内具有较强粘度的阻化剂仍可有效的 长时间覆盖到煤体的表面上，达到隔绝氧气、阻止 氧化的效果。 932020 年第 5 期 2 惰性阻化泡沫技术参数的确定 惰性阻化泡沫防灭火技术是一种防治采空区煤 炭自燃的新技术和工艺，为达到理想实践效果，还 需对以下三个工艺技术参数进行确定发泡剂的浓 度、阻化剂的浓度及压注距离。 以下是通过试验得出的“惰性阻化泡沫”的几 个关系曲线 [2]。 2.1 发泡剂浓度与发泡能力的关系 图 1 发泡剂浓度与发泡能力的关系曲线图 通过图 1 可以得出当发泡剂达到 0.03 以上 时，发泡能力已经基本稳定，体积在 300ml 左右。 说明在井下施工压注惰性阻化泡沫时，发泡剂的浓 度越高发泡体积不一定越好，而是要找到一个基本 点，做好调节工作。这样既能达到快速覆盖高温煤 体、隔离空气的防灭火目的，又能节约材料费用。 2.2 发泡倍数与稳定时间的关系 图 2 发泡倍数与稳定时间的关系曲线图 通过图 2 可以得出泡沫的稳定时间与发泡倍 数成反比，发泡倍数越小，稳定时间越长。在实际 应用过程中，根据现场压注距离及空间合理选择发 泡倍数，由发泡倍数选定发泡剂浓度。 2.3 阻化剂浓度的选择 阻化剂在选择过程中，由于发泡剂的混合，必 将对发泡效果有所影响。通过试验，得出阻化剂浓 度与发泡体积关系曲线图，如图 3 所示。 通过图 3 可以得出，阻化剂浓度与发泡体积成 反比，在现场应用过程中，根据发泡体积来选取阻 化剂的浓度。 图 3 阻化剂浓度与发泡体积关系曲线图 3 惰性阻化泡沫在现场的应用 3.1 3306 工作面概况 3306 工作面位于阳城煤矿三采区下山北翼，回 采 3 煤层，煤层底板标高位于 -743 ～ -920m 之间， 煤层厚度 7.2m，煤层倾角 24～ 32。工作面采 用走向长壁后退式综采放顶煤采煤方法，工作面倾 斜长 202m，回采长度 677m，现已回采 410m。工 作面采用上行通风方式，Ⅱ类自燃煤层，最短发火 期 33d，配有完善的防灭火注氮、注浆系统。 3.2 气体情况介绍 2019 年 1 月 13 日，工作面在正常回采期间， 工作面回风流一氧化碳出现升高现象。 到1月16日， 回风流一氧化碳浓度达到 26ppm，回风隅角一氧化 碳浓度达到最高 78ppm。通过监测，采空区温度高 达 51℃，一氧化碳浓度达到 389ppm。由于回采时 间较长，采空区面积较大，不能准确地判断出高温 点的位置，若不及时采取措施治理，必将影响工作 面安全回采。根据现场情况进行分析，研究提出采 用惰性阻化泡沫防灭火技术治理采空区发火隐患。 3.3 现场方案的确定及实施 由于采空区面积较大，为及时有效地消除采空 区发火隐患，通过进风隅角提前预埋 20m 管路至采 空区，另外通过 ZLJ537 煤矿用坑道钻机在高位处 向工作面 50、100架后 20m 施工钻孔。使用这三 套管路同时压注惰性阻化泡沫，迅速惰化采空区环 境。惰性气体采取了二氧化碳作为载气，能够更好 地长时间滞留在采空区。如图 4、图 5 所示。 根据 3306 工作面回采进度及采空区漏风状态 情况，基本参数确定如下 （1） 发 泡 倍 数 150200 倍， 稳 定 时 间 高 于 24h； （2）二氧化碳提供量在 600 ～ 800m3/h，压力 为 0.5MPa； （3）惰性阻化泡沫发泡量600m3/h； 942020 年第 5 期 （4）发泡器喷嘴工作压力为 0.5MPa； （5）所需水量为 3m3； （6）阻化剂添加量为 200 ～ 350kg/h； （7）发泡剂添加量为 0.09m3/h。 1- 阻化剂液；2- 控制阀门；3- 发泡剂；4- 电动螺旋输送机； 5- 电动机；6- 发泡装置；7- 压力表；8- 流量计 图 4 惰性阻化泡沫流程工艺示意图 图 5 现场压注惰性阻化泡沫施工示意图 4 应用效果分析 从 2019 年 1 月 18 日起，惰性阻化泡沫通过三 路管路不间断地压注到采空区后，充分发挥了它的 特点，在采空区内迅速扩散，并逐步向高处堆积。 1 月 23 日早班，可以从综放支架后方的煤体裂隙中 看到惰性阻化泡沫扩散，说明惰性阻化泡沫已充分 地压注到采空区，并很好地包裹了采空区内的遗煤， 封堵了煤体间的裂隙。期间通过检测，发现渗透出 的泡沫存在温度较高现象，说明了惰性泡沫对高温 点具有较好的吸热降温作用。治理期间，合计压注 惰性阻化泡沫约 150000m3，采空区内温度、一氧化 碳下降迅速，基本恢复正常水平，采空区内自然发 火隐患得到有效治理，确保了综放工作面的安全回 采，杜绝了火灾事故的发生。如图 6 所示。 图 6 采空区一氧化碳和温度变化曲线图 5 结语 惰性阻化泡沫在采空区内不断地进行扩散、堆 积及渗透，可以充分、迅速地将采空区进行覆盖， 达到对防火区域惰化、堵漏、窒息、阻爆灭火的作 用，可以很好地防治采空区大面积火灾和不明位置 的煤体高温氧化自燃现象。该技术在阳城煤矿 3306 工作面的应用结果表明，惰性阻化泡沫防灭火效果 显著，为煤矿采空区煤炭自然发火的防治提供了新 的手段。 【参考书目】 ［1］ 冯志江，秦波涛，汪家华，等 . 三相泡沫防灭火 新技术在新集二矿的应用研究 [J], 煤炭工程， 2007（07）88-90. ［2］ 陈足章，赵庆民 .“三相泡沫”在矿井防灭火中 的应用 [J]. 煤矿现代化，2010（03）26-28. （上接第 88 页） 5 结论 优化巷道的支护参数可控制高应力软岩条件下 围岩变形。通过数值模拟与原支护相比较，巷道 2 个顶角支护得到加强，减弱了顶角水平挤压力，帮 锚杆支护长度、强度和密度增加使浅部围岩连成一 个整体，围岩承载力增强，顶板与帮部联合支护作 用使底鼓量减少，工程应用取得良好的效果，可为 类似矿井提供借鉴。 【参考文献】 ［1］ 李刚，梁冰，张国华 . 高应力软岩巷道变形特征 及其支护参数设计 [J]. 采矿与安全工程学报， 2009（02）183-186. ［2］ 袁亮，薛俊华，刘泉声，等 . 煤矿深部岩巷围岩 控制理论与支护技术[J].煤炭学报， 2011， 36 （04） 535-543． ［3］ 王应帅，孟祥瑞，高召宁 . 深井软岩巷道围岩变 形数值模拟及支护优化 [J]. 中国矿业，2015，24 （02）99-102. ［4］ 何富连，高峰，梅星，等 . 综放沿空掘巷不对称 支护加固工业试验[J].煤炭技术， 2016， 35 （04） 37-39.