矿井防灭火技术现状及研究进展

矿井防灭火技术现状及研究进展作者秦波涛王德明【摘要】评述了国内外常用防灭火技术的现状，并分析了常用技术的主要优缺点；列举防灭火技术的最新研究进展，包括粉煤灰固化泡沫技术、三相泡沫技术、悬浮山砂的稠化剂技术等；介绍新技术的特点及应用情况。在防治矿井煤炭自燃的过程中，由于煤自燃特点及矿井的实际条件，单一的手段难以起到完全理想的效果，往往是多种防灭火技术综合作用的结果。【关键词】矿井；煤炭自燃；防灭火技术；综合作用；研究进展0引言煤炭是我国的主要能源，在国民经济能源结构中占据很重要的位置，占我国一次能源消费的70％以上。随着国民经济的快速发展，煤炭的需求量越来越大；近几年，原煤产量快速增长，仅2004年全国原煤产量就超过了19亿吨。在原煤产量快速增长的同时，必须保证矿井的安全高效开采，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，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，由煤炭自燃而引起的火灾占矿井火灾总数的90％以上。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。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。煤炭自燃产生大量的SO2，H2s，CO和CO2气体，严重污染环境；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。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。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。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：1)覆盖煤体并封堵松散煤体的空隙，减少甚至杜绝漏风，隔绝煤体与氧气的接触。2)充分隋化存在煤层自燃的采空区。3)吸收煤体周围空间储存的热能，降低煤温。4)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。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。1国内外常规防灭火技术及评述为了防治煤炭自燃，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。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。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。目前国内外主要防灭火技术及优缺点如下表所示。防灭火技术与材料的主要优缺点表2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。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0.2～0.5MPa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。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。4)固化泡沫安全性、环保性好。3三相泡沫防灭火技术充分利用现有常规防灭火技术与手段，同时又能克服目前注浆、注惰气、注惰气泡沫、注阻化剂等防灭火技术的不足，中国矿业大学通风防灭火课题组提出了三相泡沫防灭火新技术。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。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，充分地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。该技术特别适用于扑灭和防治采空区大面积火灾、防治大倾角俯采综放采空区煤炭自燃、捕寻采空区高位和隐蔽火源等。该技术目前已在枣庄柴里煤矿、阜新五龙煤矿、宁煤集团白芨沟煤矿、新疆大黄山矿、贵州水城大湾矿、淮南国投新集一矿、义马耿村矿、铁法大兴矿、淮北朱仙庄矿、孟加拉孟巴矿等60多个矿井得到了成功的应用。尤其在治理宁夏白芨沟特大区域火灾、义马12190工作面巷道特大高冒火灾以及辽宁铁法大兴矿综放倾斜俯采工作面采空区防灭火，三相泡沫技术起到了关键的作用，取得了显著的经济效益与社会效益。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，能够避免“拉沟”现象；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。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。3)三相泡沫发泡剂添加了阻化剂，因此，其发泡剂本身就是一种很好的阻化材料，能均匀的分散在煤体上，能有效地阻止煤氧结合官能团的产生和自由基的链式反应，对煤的自燃有很好的阻化效果；另外发泡剂作为一种表面活性剂，可以改善煤体的表面的润湿性能，从而能使煤吸收更多的水分，极大地增加煤体的湿度；同时，含有发泡剂的水能在煤体表面形成一层水膜，隔断煤与氧气的结合。这是三相泡沫比一般的注水、注阻化剂的优越之处。4)充分利用现有的注浆、注氮系统，投资少，设备简单，操作方便，可连续大流量灌注。可进行沿顺槽采空区埋管、综采(综放)支架插管、地面打钻和与其他防灭火技术手段相互配合使用等多种注三相泡沫的工艺，并在现场得到了广泛应用。4稠化剂砂浆防灭火技术我国西北地区如新疆、内蒙古和宁夏等地，煤层埋藏浅，地表漏风严重，煤炭自燃频繁发生；该地区地表缺土少水，也无粉煤灰资源，采用常规的黄泥(粉煤灰)注浆防灭火技术面临困难。神东矿区地表砂源丰富，山砂可以作为注浆防灭火材料。单纯的注砂很容易沉淀到管底造成堵管现象，且对管道的磨损也相当严重。为防止堵管，一般水砂比达10：1以上，需水量大，同时砂浆在井下的脱水量也大，恶化井下的工作环境，还影响煤质，同时山砂对管道的磨损也相当严重。此外，砂子一旦脱水，会严重影响井下环境，且砂子对煤体的包裹效果就差，影响防灭火效果。但采用通常的注砂方法要求水砂比为7：1至11：1，需大量用水；砂浆到井下后易脱水。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。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。5结论1)常规的防灭火技术对保证矿井安全生产起了非常重要的作用，但是这些技术都还存在一些不足。为了充分发挥现有防灭火技术的优点，克服其缺点，需要在此基