中国矿业大学通风防灭火研究所防灭火等技术手册

中国矿业大学通风防灭火研究所ResearchInstituteofVentilationandFireControlofCUMT江苏·徐州二茵一四年十月徐州安云矿业科技有限公司XuzhouAnyunMiningTechnologyInc.PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建中国矿业大学是教育部直属的全国重点大学，是国家“211工程”和“985工程”“优势学科创新平台项目”重点建设的高校之一。中国矿业大学经过一百多年的发展，已经成为国内一流、在能源和资源领域具有重要国际影响、特色鲜明的高水平大学。目前，学校共有各类学生46000多人；教职工3000多人，其中教授238人，副教授384人,先后有8人当选中国工程院院士。学校的建设目标是“特色鲜明、国际一流的高水平矿业大学”。安全技术及工程学科是中国矿业大学最具特色和最强的学科之一。在国内第一个获得博士学位授予权，是“国家重点学科”、“长江学者奖励计划特聘教授”设岗学科和“985工程优势学科创新平台”建设学科。学科拥有“煤矿瓦斯治理国家工程研究中心”、“煤矿瓦斯与火灾防治”教育部重点实验室、国家安全生产监督管理总局“工业安全工程技术研究中心”。学科现有本科生650余人，博士、硕士研究生350余人；教职工近70人，其中中国工程院院士2人，教授18人，拥有以周世宁院士、袁亮院士、王德明教授为学术带头人的一批在煤矿安全领域的知名教授和一批年轻博士组成的高水平创新学术团队。矿井通风防灭火是中国矿业大学安全技术及工程学科最具特色的研究方向之一，通风防灭火研究所是中国矿业大学和江苏省高校创新团队。团队首席为王德明教授，现为中国矿业大学煤矿瓦斯与火灾防治教育部重点实验室主任，国家安全生产专家组专家、中国煤炭劳保学会矿井通风专业委员会主任委员、煤炭行业专业技术拔尖人才、政府特殊津贴获得者，全国优秀教师，江苏省有突出贡公司/研究所简介安全技术及工程PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建献的中青年专家，国家煤矿安全“会诊”专家组组长。团队拥有近30名具有丰富专业理论与实践经验的教师和100多名专门从事该领域研究的高素质博士和硕士研究生。徐州安云矿业科技有限公司在中国矿业大学通风防灭火研究所的基础上组建，专门从事矿井通风防灭火技术和降尘技术的成果转化及推广应用工作。公司以“科技兴安”为发展宗旨，以中国矿业大学为依托，研发矿井通风防灭火装备与材料，煤自燃特性测试、预测预报和防治，矿井粉尘防治，矿井通风与救灾决策软件等领域的高科技产品，促进其应用，提高我国煤矿的安全技术水平，保障煤矿企业的安全发展。公司/研究所简介PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建年的科学研究中，获授权国家专利30余项，出版专著8部，发表论文200余篇，建立国家安全生产行业标准1项；获国家技术发明二等奖1项、国家科技进步二等奖1项，省部级科研奖励20余项；在国际会议作主题报告7次，国内作专题讲座50余次。“高效泡沫降尘关键技术及装备”获中国职业安全健康协会科学技术一等奖、“防治煤炭自燃的三相泡沫技术及应用”获第三届国家安全生产监督管理总局安全生产科技成果二等奖。研究成果已在全国一百多个煤矿得到了应用，保障了这些煤矿的生产安全，为煤矿企业带来了数十亿元的经济效益；促进了中国矿业大学安全技术及工程国家级重点学科、煤炭资源与安全开采国家重点实验室等国家级平台的建设，推动了煤炭行业的科技进步。团队取得的主要成果研发团队王德明1956年8月生，贵州遵义市人，博士，教授，博士生导师，中国矿业大学安全科学与工程国家重点学科学术带头人，煤矿瓦斯与火灾防治教育部重点实验室主任。1982年毕业于中国矿业大学，1987年获波兰克拉科夫矿冶大学硕士学位，1993年获中国矿业大学博士学位。主要从事煤矿安全的科研与教学工作。现为国家安全生产专家组专家，中国煤炭工业安全科学技术学会矿井通风专业委员会主任委员，中国煤炭学会煤矿安全专业委员会副主任委员，煤炭工业技术委员会防火灭火专业委员会专家。获国家科学技术发明二等奖1项、国家科学技术进步二等奖1项、省部级科研与教学成果一等奖4项、国家发明专利11项，出版著作6部，发表学术论文200余篇。享受政府特殊津贴，获得国家百千万人才工程煤炭行业专业技术拔尖人才、江苏省有突出贡献的中青年专家、全国优秀教师等荣誉称号。主要团队成员简介曹凯1984年12月生，江苏沛县人，博士，徐州安云矿业科技有限公司总工程师。2008年本科毕业于中国矿业大学，获安全技术及工程专业学士学位，2013年研究生毕业于中国矿业大学，获安全技术及工程专业博士学位。主要从事煤矿防灭火方面技术研究。现为中国煤炭工业安全科学技术学会矿井通风专业委员会委员。参加国家“十一五”科技攻关项目1项、国家自然科学基金项目4项、企业委托项目20项。获省部级科研奖4项，发表学术论文20余篇。近10年长期服务煤矿现场，防灭火经验丰富，主持和参与上百起矿井火灾安全隐患及事故的处理工作。PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建为克服常规注浆覆盖面小且不能向高处堆积、氮气易随漏风逸散、胶体流动范围小的不足，发明了含粉煤灰（黄泥）、氮气和水的三相泡沫防灭火技术与装备。防灭火三相泡沫集固、液、气三相材料的防灭火性能于一体，充分利用粉煤灰或黄泥的覆盖性、氮气的窒息性和水的吸热降温性进行防灭火，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，又充分克服了这些技术的不足。三相泡沫流量大、出口压力高，扩散范围广、能向上部堆积，能快速有效治理采空区、巷道高冒区等地点煤自燃隐蔽火源。获授权国家发明专利2项，实用新型专利3项，在全国104个矿井获得应用，扑灭了数十起火灾，获国家科技进步二等奖1项、省部级科技进步一等奖1项、二等奖3项。三相泡沫产生原理三相泡沫是集固（粉煤灰或黄泥等）、液（水）和气（氮气或压风）三相材料于一体的介质，是在传统的防灭火泥浆中加入三相泡沫发泡剂，通过引入氮气或压风气源，在三相泡沫发泡装置中进行发泡而产生的。发泡剂降低了水的表面张力，改变了粉煤灰或黄泥表面的亲水特性，再利用气体和浆液本身的动力对气-液-固三相混合液做功，从而形成了高倍数、稳定时间长的三相泡沫，如图1、2所示。一防治煤炭自燃的三相泡沫技术与装备三相泡沫发泡剂针对黄泥、粉煤灰颗粒亲水性强、化学成分复杂、比重较大及水中含有多价阳离子的特点，研制出了使黄泥、粉煤灰浆液完全发泡的三相泡沫发泡剂KSF-域，如图3、4所示。三相泡沫三相泡沫制备系统液（水）气（氮气）固（黄泥或粉煤灰）图1发泡剂改变固相介质表面特性及产生三相泡沫原理图图2三相泡沫工作流程示意图创新成果/主要产品PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建域发泡剂可使固相完全发泡三相泡沫发泡器及制备系统利用煤矿已有注浆系统，通过接入发泡装置、发泡剂定量添加泵、过滤器和混合装置，并引入氮气源，构成了三相泡沫制备系统（图5）。利用该系统，在泥浆中引入氮气；通过定量螺杆泵将发泡剂注入到注浆管路中；浆液与发泡剂在混合器中搅拌后进入发泡器，在发泡器中接入氮气管路，氮气与粉煤灰（黄泥）浆体相互作用产生大流量、较高压力、高倍数和稳定的三相泡沫。该系统发泡效率高，便于维护，能有效地防止浆液堵管，使用方便，占用空间体积小，在煤矿井下具有广泛实用性。泥浆发泡剂添加泵过滤器混合器发泡器氮气三相泡沫注浆旁通管图5三相泡沫制备系统图3煤矿灌浆用黄泥、粉煤灰的基本化学成分及粒径黄土样品X-射线衍射定性分析图谱（枣庄）姚桥煤矿粉煤灰粒径分布（大屯）粒径（滋m）粒度分布图创新成果/主要产品PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建产品特性相关参数发泡剂添加泵（长伊宽伊高/mm）发泡器（长伊宽伊高/mm）发泡倍数泡沫稳定时间/h水灰比（质量比）发泡剂使用比例/%浆量（m3/h）注氮管路氮气流量（m3/h）发泡器进口气体压力/MPa三相泡沫产生量（m3/h）1200伊500伊450930伊450伊420跃30跃83:1耀6:10.2耀0.510耀30300耀1200跃0.1~0.7300耀1200为产生较高压力、大流量、高发泡倍数并含有大小不均一固相介质的防灭火三相泡沫，适应煤矿井下狭小空间、浆体材质不均的特点，发明了适用于粉煤灰（黄泥）发泡的三相泡沫发泡器（图6）。该发泡器利用文丘里管的流体力学特性，使浆液形成射流而易引入气源，解决了因浆体压力大引入气源困难的难题；通过在发泡器中设置集流器，使其后部产生湍流，使气-液-固充分混合，从而产生较高倍数的泡沫；再配合利用流体的能量冲击下快速旋转的叶轮，使泡沫细化，提高了三相泡沫的稳定性。图6KSP900型三相泡沫发泡装置b发泡器a发泡剂定量添加泵三相泡沫防灭火主要技术参数创新成果/主要产品三相泡沫与其它防灭火技术性能比较表现有的粉煤灰或黄泥灌浆、阻化剂等防灭火技术其浆液覆盖面小，不能向上部堆积，易形成“拉沟”流失；凝胶产生量小且扩散范围小；惰气泡沫容易破灭，一旦水分挥发，防灭火性能就消失；泡沫树脂不能直接灭火，仅用于堵漏，且成本过高。与现有防灭火技术相比（表1）。PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建国内外两相泡沫发泡器种类较多，如有网式、涡轮式、螺旋式、孔隙式、同心管式等，但不适用产生三相泡沫，这是由于三相泡沫中含有固体颗粒的缘故。适合固体介质发泡的装置有建筑行业的泡沫混凝土泡沫发生器、井下采矿充填用的泡沫水泥充填机及对粉煤灰发泡的三相固化泡沫发泡器等。但这些发泡装置体积大、设备复杂、所需的电动功率也较大，且发泡倍数低，一般为3-6倍。与现有的固化泡沫发泡器相比（表2），三相泡沫发泡器泡沫产生量大，整个发泡装置紧凑，依靠浆体的动力发泡，不需另附动力，使用简便，发泡高效、稳定可靠。表2三相泡沫发泡器与现有固化泡沫发泡装置的技术及经济比较15耀208耀10300耀12003耀63耀6逸30矿用泡沫水泥充填机粉煤灰固化泡沫发泡器三相泡沫发泡器11150l.95伊0.95伊0.6552.4伊1.0伊0.91.05伊0.44伊0.426200耀350150耀2002耀4流量/m3·h-1发泡倍数发泡装置类型动力/kW体积/m3（长伊宽伊高）泡沫成本元/m3应用实例（a）大型火区灭火当采空区发生较大范围火灾，井下无法采取灭火技术手段时，可利用地面打钻注三相泡沫，可有效扑灭采空区火灾。该技术已成功地应用于宁夏白芨沟煤矿、乌兰煤矿、汝萁沟煤矿等矿井。图7地面打钻大流量注三相泡沫创新成果/主要产品表1三相泡沫和水、黄泥浆、惰性气体、凝胶的防灭火性能及经济比较5耀505耀50300耀12005耀10300耀1200伊伊姨伊姨水黄泥浆惰性气体凝胶三相泡沫姨姨伊姨姨伊姨伊姨（易干裂）姨5耀150.4耀0.860耀1802耀4流量/m3·h-1惰化火区性能防灭火材料类型灭火降温性能覆盖浮煤的隔氧性能成本元/m3PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建日，宁夏煤业集团公司白芨沟煤矿南二采区2421-1综放面在回采过程中，采空区发生了数次瓦斯爆炸，导致了井下大范围的火灾。针对白芨沟矿综放采空区冒落高度大、遗煤多、火灾范围大、火源位置难以确定、全矿井完全封闭的实际情况，采用了地面打钻大流量注三相泡沫的技术（图7）。地面打钻采用了T685WS车载顶驱钻机，共在地面施工了11个注三相泡沫的灭火钻孔。通过地面钻孔大流量注三相泡沫技术，灾后1个月矿井解封，逐步恢复了生产，抢险救灾过程