惰性阻化泡沫技術(shù)防治采空區(qū)自然發(fā)火研究

李 敬 郭玉印 范寶同

（山東濟(jì)礦魯能煤電股份有限公司陽(yáng)城煤礦，山東 汶上 272502）

目前國(guó)內(nèi)外煤礦采空區(qū)防滅火技術(shù)主要有灌漿、注凝膠、注惰性氣體、均壓、阻化氣霧等技術(shù)。但是這些技術(shù)還存在一些不足，如注惰氣（主要是氮?dú)猓┘夹g(shù)，惰氣易隨漏風(fēng)流失，不易長(zhǎng)時(shí)間滯留采空區(qū)；注漿技術(shù)，漿體易流向地勢(shì)低的部位且易跑漿，不能均勻覆蓋浮煤[1]。生產(chǎn)實(shí)踐中，需要根據(jù)工作面開(kāi)采實(shí)際采取針對(duì)性防滅火措施，提高防滅火效果。惰性阻化泡沫防滅火技術(shù)在陽(yáng)城煤礦3306 工作面防治采空區(qū)自然發(fā)火獲得了成功應(yīng)用，取得了顯著效果，確保了工作面安全回采。

1 惰性阻化泡沫防滅火特性

惰性阻化泡沫是由MF-1 防滅火材料（以下簡(jiǎn)稱“阻化劑”）、發(fā)泡劑及惰性氣體組成，惰性阻化泡沫技術(shù)是一種集固、液、氣三相材料結(jié)合的綜合技術(shù)。該技術(shù)是利用阻化劑對(duì)煤體的包裹性、惰性氣體的窒息性及發(fā)泡劑的穩(wěn)定性，通過(guò)輸送裝置注入到防滅火區(qū)域。同時(shí)因?yàn)槎栊宰杌菽l(fā)泡系數(shù)可達(dá)到200 倍，可使單位體積的泡沫材料成本大幅降低，進(jìn)而具有較高的經(jīng)濟(jì)效益。

惰性阻化泡沫不僅有阻化劑通過(guò)泡沫均勻覆蓋煤體阻止氧化的作用，還有惰氣泡沫本質(zhì)穩(wěn)定性防滅火的優(yōu)點(diǎn)。

（1）混合發(fā)泡劑后的阻化劑通過(guò)惰性氣體注入采空區(qū)，可很快地形成泡沫，泡沫的體積及數(shù)量迅速增加，由于該泡沫具有堆積性、穩(wěn)定性，在區(qū)域內(nèi)向高處堆積并進(jìn)行大面積擴(kuò)散，對(duì)高、低處的浮煤達(dá)到覆蓋包裹的作用。

（2）把封裝在泡沫中的惰性氣體及阻化劑注入采空區(qū)或防火區(qū)域內(nèi)，由于泡沫的液膜是由其表面活性劑分子的非極性基礎(chǔ)相互吸引形成的吸附膜，使泡沫可較長(zhǎng)時(shí)間滯留在采空區(qū)中，更好地發(fā)揮惰性氣體惰化換氧的窒息防滅火作用。即使泡沫破碎了，泡沫內(nèi)具有較強(qiáng)粘度的阻化劑仍可有效的長(zhǎng)時(shí)間覆蓋到煤體的表面上，達(dá)到隔絕氧氣、阻止氧化的效果。

2 惰性阻化泡沫技術(shù)參數(shù)的確定

惰性阻化泡沫防滅火技術(shù)是一種防治采空區(qū)煤炭自燃的新技術(shù)和工藝，為達(dá)到理想實(shí)踐效果，還需對(duì)以下三個(gè)工藝技術(shù)參數(shù)進(jìn)行確定：發(fā)泡劑的濃度、阻化劑的濃度及壓注距離。

以下是通過(guò)試驗(yàn)得出的“惰性阻化泡沫”的幾個(gè)關(guān)系曲線[2]。

2.1 發(fā)泡劑濃度與發(fā)泡能力的關(guān)系

圖1 發(fā)泡劑濃度與發(fā)泡能力的關(guān)系曲線圖

通過(guò)圖1 可以得出：當(dāng)發(fā)泡劑達(dá)到0.03%以上時(shí)，發(fā)泡能力已經(jīng)基本穩(wěn)定，體積在300ml 左右。說(shuō)明在井下施工壓注惰性阻化泡沫時(shí)，發(fā)泡劑的濃度越高發(fā)泡體積不一定越好，而是要找到一個(gè)基本點(diǎn)，做好調(diào)節(jié)工作。這樣既能達(dá)到快速覆蓋高溫煤體、隔離空氣的防滅火目的，又能節(jié)約材料費(fèi)用。

2.2 發(fā)泡倍數(shù)與穩(wěn)定時(shí)間的關(guān)系

圖2 發(fā)泡倍數(shù)與穩(wěn)定時(shí)間的關(guān)系曲線圖

通過(guò)圖2 可以得出：泡沫的穩(wěn)定時(shí)間與發(fā)泡倍數(shù)成反比，發(fā)泡倍數(shù)越小，穩(wěn)定時(shí)間越長(zhǎng)。在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)壓注距離及空間合理選擇發(fā)泡倍數(shù)，由發(fā)泡倍數(shù)選定發(fā)泡劑濃度。

2.3 阻化劑濃度的選擇

阻化劑在選擇過(guò)程中，由于發(fā)泡劑的混合，必將對(duì)發(fā)泡效果有所影響。通過(guò)試驗(yàn)，得出阻化劑濃度與發(fā)泡體積關(guān)系曲線圖，如圖3 所示。

通過(guò)圖3 可以得出，阻化劑濃度與發(fā)泡體積成反比，在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用過(guò)程中，根據(jù)發(fā)泡體積來(lái)選取阻化劑的濃度。

圖3 阻化劑濃度與發(fā)泡體積關(guān)系曲線圖

3 惰性阻化泡沫在現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)用

3.1 3306 工作面概況

3306 工作面位于陽(yáng)城煤礦三采區(qū)下山北翼，回采3 煤層，煤層底板標(biāo)高位于-743 ～-920m 之間，煤層厚度7.2m，煤層傾角24°～32°。工作面采用走向長(zhǎng)壁后退式綜采放頂煤采煤方法，工作面傾斜長(zhǎng)202m，回采長(zhǎng)度677m，現(xiàn)已回采410m。工作面采用上行通風(fēng)方式，Ⅱ類自燃煤層，最短發(fā)火期33d，配有完善的防滅火注氮、注漿系統(tǒng)。

3.2 氣體情況介紹

2019 年1 月13 日，工作面在正?；夭善陂g，工作面回風(fēng)流一氧化碳出現(xiàn)升高現(xiàn)象。到1 月16 日，回風(fēng)流一氧化碳濃度達(dá)到26ppm，回風(fēng)隅角一氧化碳濃度達(dá)到最高78ppm。通過(guò)監(jiān)測(cè)，采空區(qū)溫度高達(dá)51℃，一氧化碳濃度達(dá)到389ppm。由于回采時(shí)間較長(zhǎng)，采空區(qū)面積較大，不能準(zhǔn)確地判斷出高溫點(diǎn)的位置，若不及時(shí)采取措施治理，必將影響工作面安全回采。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況進(jìn)行分析，研究提出采用惰性阻化泡沫防滅火技術(shù)治理采空區(qū)發(fā)火隱患。

3.3 現(xiàn)場(chǎng)方案的確定及實(shí)施

由于采空區(qū)面積較大，為及時(shí)有效地消除采空區(qū)發(fā)火隱患，通過(guò)進(jìn)風(fēng)隅角提前預(yù)埋20m 管路至采空區(qū)，另外通過(guò)ZLJ537 煤礦用坑道鉆機(jī)在高位處向工作面50#、100#架后20m 施工鉆孔。使用這三套管路同時(shí)壓注惰性阻化泡沫，迅速惰化采空區(qū)環(huán)境。惰性氣體采取了二氧化碳作為載氣，能夠更好地長(zhǎng)時(shí)間滯留在采空區(qū)。如圖4、圖5 所示。

根據(jù)3306 工作面回采進(jìn)度及采空區(qū)漏風(fēng)狀態(tài)情況，基本參數(shù)確定如下：

（1）發(fā)泡倍數(shù)150～200 倍，穩(wěn)定時(shí)間高于24h；

（2）二氧化碳提供量在600 ～800m3/h，壓力為0.5MPa；

（3）惰性阻化泡沫發(fā)泡量：600m3/h；

（4）發(fā)泡器噴嘴工作壓力為0.5MPa；

（5）所需水量為3m3；

（6）阻化劑添加量為200 ～350kg/h；

（7）發(fā)泡劑添加量為0.09m3/h。

圖4 惰性阻化泡沫流程工藝示意圖

圖5 現(xiàn)場(chǎng)壓注惰性阻化泡沫施工示意圖

4 應(yīng)用效果分析

從2019 年1 月18 日起，惰性阻化泡沫通過(guò)三路管路不間斷地壓注到采空區(qū)后，充分發(fā)揮了它的特點(diǎn)，在采空區(qū)內(nèi)迅速擴(kuò)散，并逐步向高處堆積。1 月23 日早班，可以從綜放支架后方的煤體裂隙中看到惰性阻化泡沫擴(kuò)散，說(shuō)明惰性阻化泡沫已充分地壓注到采空區(qū)，并很好地包裹了采空區(qū)內(nèi)的遺煤，封堵了煤體間的裂隙。期間通過(guò)檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)滲透出的泡沫存在溫度較高現(xiàn)象，說(shuō)明了惰性泡沫對(duì)高溫點(diǎn)具有較好的吸熱降溫作用。治理期間，合計(jì)壓注惰性阻化泡沫約150000m3，采空區(qū)內(nèi)溫度、一氧化碳下降迅速，基本恢復(fù)正常水平，采空區(qū)內(nèi)自然發(fā)火隱患得到有效治理，確保了綜放工作面的安全回采，杜絕了火災(zāi)事故的發(fā)生。如圖6 所示。

圖6 采空區(qū)一氧化碳和溫度變化曲線圖

5 結(jié)語(yǔ)

惰性阻化泡沫在采空區(qū)內(nèi)不斷地進(jìn)行擴(kuò)散、堆積及滲透，可以充分、迅速地將采空區(qū)進(jìn)行覆蓋，達(dá)到對(duì)防火區(qū)域惰化、堵漏、窒息、阻爆滅火的作用，可以很好地防治采空區(qū)大面積火災(zāi)和不明位置的煤體高溫氧化自燃現(xiàn)象。該技術(shù)在陽(yáng)城煤礦3306工作面的應(yīng)用結(jié)果表明，惰性阻化泡沫防滅火效果顯著，為煤礦采空區(qū)煤炭自然發(fā)火的防治提供了新的手段。