礦用防滅火材料的特性綜述*

熊珊珊 田兆君,2 祿 偉 銀亞飛

1.湖南科技大學(xué) 資源環(huán)境與安全工程學(xué)院 2.煤礦安全開采技術(shù)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

礦用防滅火材料的特性綜述*

熊珊珊1田兆君1,2祿 偉1銀亞飛1

1.湖南科技大學(xué) 資源環(huán)境與安全工程學(xué)院 2.煤礦安全開采技術(shù)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

本文綜述了常用防滅火材料（阻化劑、惰性氣體、膠體以及泡沫載體）的研究現(xiàn)狀，指出了其防滅火性能及其特點(diǎn)，并總結(jié)了影響其防滅火特性的因素，意在引導(dǎo)今后改善防滅火性能的方向，推動(dòng)防滅火技術(shù)的發(fā)展，促進(jìn)煤炭的安全開采。

煤炭；防滅火材料；性能

我國能源資源條件的特點(diǎn)：富煤、少油、缺氣，這就決定了煤炭在未來相當(dāng)長的時(shí)間內(nèi)仍將占我國能源結(jié)構(gòu)的主體地位[1-2]。據(jù)預(yù)測，2020年全國煤炭需求量將達(dá)48～53億噸[3-4]。隨著煤炭市場的擴(kuò)大，煤炭產(chǎn)量的不斷增加，以及礦井開采深度、強(qiáng)度的增大，礦井安全事故也會(huì)越來越多。礦井火災(zāi)因其對(duì)煤炭行業(yè)的物力、人力、財(cái)力造成了重大傷害，成為了安全開采煤礦的瓶頸之一[5]，其中煤炭自燃造成的事故傷害所占的比例最重，成為整個(gè)礦山損失的主要源頭[6]。針對(duì)上述情況，如何有效的對(duì)煤自燃采取預(yù)防和治理措施，對(duì)于煤礦的順利開采起著關(guān)鍵性作用。隨著防滅火技術(shù)的發(fā)展，防滅火措施在不斷完善，特別是在防滅火的材料上，就目前總體來看，礦井火災(zāi)的防治技術(shù)主要集中在阻化劑、惰性氣體、膠體、泡沫載體四種。筆者在豐富閱讀文獻(xiàn)研究的基礎(chǔ)上，對(duì)幾種礦用防滅火材料的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了簡單概括，并對(duì)不同種類材料的防滅火性能進(jìn)行一定的總結(jié)，指出了影響其防滅火性能的因素。有利于為下一步的實(shí)證對(duì)比分析提供基礎(chǔ)，意在指導(dǎo)防滅火材料的研究以及開展防滅火實(shí)際工作時(shí)材料的選擇，推動(dòng)煤炭的安全、健康、綠色開采。

1 阻化劑防滅火

阻化劑主要是通過降溫、隔氧、阻斷自由基來防止煤自燃，鄭蘭芳[7]對(duì)幾種鹽類阻化劑的抑制性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，得出碳酸氫銨（NH4HCO3）和氯化鎂(MgCl2)的阻化率超過了88%，；磷酸二氫銨（NH4H2PO4)的阻化率則在75%以上。戰(zhàn)婧[8]通過一些阻化試驗(yàn)證實(shí)了磷酸鈉（Na3PO4）對(duì)煤樣的熱解速率有著顯著的降低作用，氯化銅（CuCl2）成功地降低了該反應(yīng)顯著發(fā)生的起始溫度,并抑制了其平行氧吸附反應(yīng)的發(fā)生。王德明等人[9]用原位紅外光譜來分析抑制煤自燃的化學(xué)抑制劑對(duì)煤表面官能團(tuán)的分布和濃度的變化進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。竇國蘭[10]等利用交叉點(diǎn)溫度、低溫氧化耗氧量和一氧化碳釋放速率說明了兒茶素和PEG200添加劑對(duì)煤氧化的抑制。

在實(shí)際應(yīng)用中，預(yù)注阻化劑，能軟化護(hù)頂煤，降低粉塵濃度，提高工作面的回采次效率，且施工相對(duì)比較簡單，投資少。但其具有腐蝕性，對(duì)井下的設(shè)備和工人的身體會(huì)造成損害，會(huì)造成地下水的污染，而且不能均勻的覆蓋在煤體表面，其覆蓋在煤表面的液膜容易蒸發(fā)，阻化時(shí)間短，大面積滅火的效果欠佳，其防滅火效果主要受其濃度的影響。

2 惰性氣體防滅火

氣態(tài)惰性介質(zhì)的防滅火效果主要是依靠它的貧氧窒息作用，液態(tài)惰性介質(zhì)的防滅火作用主要體現(xiàn)在汽化降溫和隔氧。邢葉紅[11]對(duì)氮?dú)獾姆罍缁鸺夹g(shù)做了深刻的研究，包括其原理、設(shè)備裝置及其應(yīng)用。張超[12]闡述了二氧化碳的防治煤自然的機(jī)理、對(duì)采空區(qū)自燃“三帶”和瓦斯抽采變化的影響進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)?zāi)M研究。張長山[13]等人揭示了液態(tài)二氧化碳的防滅火機(jī)理以及設(shè)計(jì)了液態(tài)二氧化碳罐裝儲(chǔ)運(yùn)設(shè)備。周福寶[14]等人提出了直接液氮灌注滅火新工藝解決效率低、線路堵塞等問題。

對(duì)于惰性氣體而言，具有流動(dòng)性，容易擴(kuò)散，簡單易行，快速有效，但液態(tài)惰性氣質(zhì)具有惰化率特別高、安全性高、抑爆作用明顯、成本價(jià)格低、防滅火速度快等特點(diǎn)。由于現(xiàn)階段對(duì)于液態(tài)介質(zhì)的制取與運(yùn)輸過程中的儲(chǔ)存不夠理想，液態(tài)惰性介質(zhì)產(chǎn)生的冷縮應(yīng)力極易損壞輸送管路，甚至爆管；同時(shí)，液態(tài)惰性介質(zhì)在長距離輸送過程中已經(jīng)大量汽化；地面鉆孔液態(tài)惰性介質(zhì)灌注工藝在實(shí)際應(yīng)用中主要還存在低溫液體泵的選擇、地下水的影響等問題。

3 膠體防滅火

膠體的組成成分主要是具有吸水膨脹作用的基料、微量復(fù)合劑和促凝劑。在膠體形成中，基料（高分子，粉煤灰等）會(huì)吸收大量的水，從而具有保水降溫的作用。趙建國[15]以粉煤灰和水泥作為骨料，水玻璃為集料，以羧甲基纖維素為分散劑制備出防滅火性能好的三元復(fù)合膠體。徐永亮[16]介紹了一種由無機(jī)凝膠和有機(jī)聚合物組成的新型懸浮膠體復(fù)合材料。

膠體的防滅火性能主要體現(xiàn)在：滲透和堵漏性:基料與水混合合成膠體后，具有一定的流動(dòng)性，可以封堵煤塊之間及其內(nèi)部的空隙，有效的隔絕氧氣；熱穩(wěn)定性：基料與添加劑的分散系在溫度非常高的情況下，依舊能保持完整性，不會(huì)輕易熔化、破裂，即使干裂，及時(shí)補(bǔ)充水亦可恢復(fù)；吸熱性能和保水性能：膠體的主要含量還是水，故具有水的蒸發(fā)吸熱作用，一些增稠劑和保水劑的加入使得水分不易流失；阻化性：一些基料和添加劑都具有一些抑制煤氧化的功能，復(fù)合在一起具有協(xié)同作用，同樣具有阻化的作用；有效期長，局部滅火作用特別明顯。膠體滅火材料流動(dòng)性不夠強(qiáng)、滲透性也比較差，對(duì)高處作用有限，水分得不到及時(shí)補(bǔ)充就容易龜裂，成本較高。其防滅火的效果主要受基料及各添加劑量的影響。

4 泡沫防滅火

最早研究的泡沫是兩相的，董帥軍[17]在地下采空區(qū)含水泡沫滅火特性試驗(yàn)研究中證明泡沫具有良好的聚集特性、降溫性能、封堵效果和抑制作用,泡沫增加了交叉點(diǎn)溫度，減少了一氧化碳的生成。泡沫為載體的防滅火技術(shù)因具覆蓋面積廣、可向高處堆積等優(yōu)點(diǎn)，可以有效減少煤炭自燃造成的人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失，因而被廣泛應(yīng)用于防治煤炭自燃，但其泡沫性能仍受許多因素制約。王德明和秦波濤[18]等人率先完成三相泡沫防滅火的理論研究和實(shí)際應(yīng)用。田兆君、張雷林團(tuán)隊(duì)[19-20]為代表，系統(tǒng)的研究了凝膠泡沫的形成機(jī)理和防滅火機(jī)理，并通過系列實(shí)驗(yàn)證明了其防滅火效果。秦波濤、魯義[21]等開展了無機(jī)固化泡沫的發(fā)生裝置及其高性能的特性研究。實(shí)踐表明固-液-氣混合的三相泡沫彌補(bǔ)了兩相泡沫的一些不足。

固-液-氣混合的三相泡沫防治煤自燃的性能取決于其穩(wěn)定性、流動(dòng)性、封堵性、阻化性。其防滅火特點(diǎn)表現(xiàn)為：流動(dòng)性比較強(qiáng)，以泡沫為載體，能作用到高處，可以在煤表面形成一層堵漏層，能長時(shí)間的隔絕氧氣，不易復(fù)燃；能夠利用惰氣的窒息性、成膠過程的吸熱和保水性以及水的蒸發(fā)熱，因?yàn)橛泄腆w保水作用，在高溫時(shí)不會(huì)噴出水蒸氣及其相關(guān)的事故，具有一定的安全性；滅火周期一般較長，因設(shè)備的運(yùn)送、安裝、藥品的配置以及需要接通電源等條件的限制，實(shí)施準(zhǔn)備時(shí)間較長，一般非大型火災(zāi)不宜采用；影響固-液-氣混合的三相泡沫性能的因素主要體現(xiàn)在表面活性劑的類型、漿液的表面張力、表觀粘度、漿液濃度以及外界溫度等。

5 結(jié)論

（1）介紹了防滅火材料的研究現(xiàn)狀及其特點(diǎn)，為研發(fā)新的技術(shù)創(chuàng)造良好的條件，現(xiàn)在國內(nèi)外主要聚焦于防滅火性能比較好膠體和泡沫載體的研究，影響防滅火材料的因素主要包括材料本身的內(nèi)在因素和環(huán)境帶來的外在因素。

（2）阻化劑主要是抑制活性基團(tuán)，氣體主要是稀釋氧氣濃度，液體主要是水的降溫作用，固體主要是覆蓋封堵效果，由此可以驗(yàn)證出防治煤自燃的主要方向是從火災(zāi)三要素方面著手。

（3）從現(xiàn)有研究來看，膠體和泡沫類相對(duì)于阻化劑和惰性氣體較優(yōu)，但究其何種材料的滅火效果更好，在實(shí)際運(yùn)用過程中應(yīng)根據(jù)煤礦的現(xiàn)場狀況來選擇，為了以后能更快更準(zhǔn)的選擇合適的技術(shù)方案，在今后的研究中，可以做模擬實(shí)驗(yàn)對(duì)比分析，選擇出最佳性能的防滅火方法。

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