二氧化碳三相泡沫防滅火技術應用

李志海

(山西西山煤電股份有限公司西銘礦，山西 太原 030052)

礦井火災是影響煤礦安全生產的五大自然災害之一。目前，國內外對治理煤炭自燃發火的技術有大斷面通風，快速掘進，加快工作面的推進速度，在自燃發火期之內就采掘完畢;還有灌漿、注惰氣等。但是針對易燃超厚煤層綜放面，由于綜采放頂煤冒落高度大、采空區遺留殘煤多、漏風嚴重，極易發生煤炭自燃。上述技術對礦井安全生產起到了重要作用，但也有諸多不足之處。大量灌漿成本高，而且堆積高度低，容易出現“拉溝”現象;注惰氣易隨漏風擴散，不能長期滯留，降溫效果差［1］。鑒于以上幾點，綜合氣、液、固三種物質特性研制出三相泡沫新技術。通常三相泡沫氣相是以氮氣為載體，但是CO2在礦井防滅火中有著氮氣、煙氣等惰性氣體無法比擬的優點，因其經濟，運輸方便、滅火性能好等特點，本文將探討利用二氧化碳作為氣相制備二氧化碳三相泡沫。

1 二氧化碳理化性質及防滅火特點

在標準狀態下，氣態CO2相對于空氣的比重為1.529，密度為 1.976 kg/m3。在常溫、常壓下，CO2為無色、略帶酸味的氣體，是一種化學穩定性較高的惰性化合物。CO2本身不燃燒也不支持燃燒，因其穩定的化學性能，所以在各領域將其作為滅火劑而廣泛使用。CO2對于控制煤炭自燃發火的機理和優勢主要表現在以下幾方面:

1)惰化速度快。CO2密度比N2密度大，可快速沉入底部而排擠出氧氣，使火區內氧氣濃度急速下降。與注氮防滅火相比，對已完全封閉的采空區，使用注氮約需7～10天。而壓注液態二氧化碳僅需2天的時間。

2)吸附阻化作用。煤的結構復雜，為含有多種無機礦物雜質并被裂隙切割的多孔有機體，具有較強的吸附能力，可以吸附無機物質如 CH4、CO2和N2等。然而煤對這些物質的吸附能力和吸附速度有所不同，一般具有較高臨界溫度和沸點的氣體可以通過可溶性機理迅速擴散至固體煤的孔隙。

3)成本低。液態CO2成本為600元/t，轉化為CO2氣體為1元/m3，比N24.87元/m3材料成本節省了3.87元，井上井下注CO2滅火過程需5～7人，工程費用較低。該系統的建立減少了購買制氮機的直接投資，降低了向采空區注惰氣的成本［2］。

鑒于上述分析，綜合現有防滅火技術，將氣、液、固三相結合起來，探討研究二氧化碳三相泡沫防滅火新技術。

2 二氧化碳三相泡沫組成、發泡原理及特點

2.1 二氧化碳三相泡沫的組成

CO2三相泡沫是一種氣體、液體和固體三相混合物。CO2來自地面低溫運輸槽車，將液態CO2氣化成CO2氣體，液體為水加4‰～6‰發泡劑;固體為堅實的粉煤灰或黃泥。發泡劑減少了對水的表面張力和粉煤灰或黃泥的物理和化學性質的變化，可以很容易地吸附氣泡壁上;依靠自身動力的CO2和漿體，使氣、液、固三相混合物通過發泡形成三相高膨脹、時間長及穩定的泡沫。

2.2 二氧化碳三相泡沫的發泡原理

CO2三相泡沫是以CO2為氣相，粉煤灰或黃泥為固相，水混入添加劑為液相而形成的混合物。泡沫中的CO2有惰化和抑制爆炸的作用，可以有效固封在泡沫里，以及隨后的破裂釋放;粉煤灰或黃泥等固體物質為三相泡沫面膜的一部分，可以維持很長一段時間使泡沫破裂后，均勻、穩定地覆蓋在煤體上，有效地阻礙煤吸附氧氣，以防止煤氧化［3］。

2.3 二氧化碳三相泡沫的特點

與現有的礦井防治技術比較，CO2三相泡沫優勢在于同時擁有一般灌漿和注惰性氣體火災防治的特點。泥漿通過注入CO2泡沫，明顯地快速增長，在數量和空間積累，可以堆積到采空區高處，也可以覆蓋低處的浮煤，以避免底部小道流失現象;在采空區注入CO2可以有效地固封在三相泡沫中，隨著泡沫的破滅和釋放，并充分發揮CO2惰化和抑制爆炸的效果［4］。粉煤灰或黃泥等固體物質為三相泡沫面膜的一部分，可以使泡沫穩定地保持很長一段時間，待泡沫破滅后，可在煤體上均勻覆蓋，有效地阻礙煤與氧的接觸，抑制煤的氧化，從而有效地防止和控制煤炭自燃，這是三相泡沫滅火的一個特性。

3 二氧化碳三相泡沫防滅火技術在現場的應用

結合CO2三相泡沫的特點，對一般性封閉采空區煤炭自燃、較大范圍采空區火災和巷道火災、采空區高位和不明位置隱蔽火源、綜放及俯采工作面煤炭自燃的撲滅和預防，效果都十分顯著。結合煤礦現場的實際情況，提出了地面打鉆、支架后方插花管、沿順槽采空區埋管和與其它防滅火技術手段(注砂、注凝膠等)相互配合使用的多種注CO2三相泡沫的工藝技術［5］。

1)地面打鉆大流量注CO2三相泡沫撲滅特大型火區技術。當采空區發生較大范圍火災，井下無法采取滅火技術手段時，可利用地面打鉆大流量注CO2三相泡沫技術，將大量CO2三相泡沫在采空區迅速堆積，快速充滿整個防滅火區域，有效地控制和撲滅采空區火災。

2)巷道打鉆大流量注CO2三相泡沫撲滅大范圍高冒火區技術。當發生大范圍巷道高冒火災，可利用巷道打鉆大流量注CO2三相泡沫，依靠大量的CO2三相泡沫迅速在高冒區中呈三維狀向周圍運移堆積，包裹、覆蓋高冒區內松散煤體;同時泡沫破滅后釋放出CO2，充分發揮CO2的惰化、抑爆作用。

3)停采線打鉆注CO2三相泡沫防治采空區煤炭自燃技術。對于防治封閉采空區的煤炭自燃，利用在停采線每隔15～20 m打一個鉆孔，通過鉆孔注CO2三相泡沫，在采空區進行范圍覆蓋和堆積而捕捉隱蔽火源點。

4)CO2三相泡沫擠壓工作面上偶角的瓦斯。采用CO2三相泡沫技術，用CO2三相泡沫擠占瓦斯占據的空間來降低瓦斯的濃度。該法處理速度快，效果明顯，這是發展的趨勢。

4 結論

通過CO2三相泡沫在現場的應用可以得出如下結論:

1)CO2三相泡沫防滅火技術充分利用黃泥的覆蓋性，CO2的窒息性和水的吸熱性、降溫性來防治煤炭自燃與滅火，并將這三相作為一個有機的整體長時間地保留在采空區，從而更有效地提高了滅火性能。

2)提出了地面或停采線打鉆、支架后方插花管、沿順槽采空區埋管及與其它防滅火技術手段(注砂、注凝膠等)相互配合使用等多種注CO2三相泡沫新工藝，尤其適合大范圍采空區或巷道高冒火災、采空區隱蔽火源及高位火源、綜放及俯采工作面煤炭自燃的防治。

3)利用CO2三相泡沫注漿技術防治采空區煤炭自燃，具有成本低、效果好、操作簡單的特點。由于CO2三相泡沫發泡倍數較高，單位體積的充填量大幅下降，因而降低了充填成本;由于其具有膨脹性，因而充填材料能向采空區高位煤體空隙浸入，而不是大量灰漿流入工作面。但是，CO2三相泡沫在注漿工藝方面，例如水和灰的配比，注漿的時間和位置，發泡倍數，以及泡沫穩定性等方面還需大量的試驗研究。

總之，CO2三相泡沫防滅火新技術與其它各類防滅火技術優勢互補，互為補充，具有廣闊的應用前景。

［1］秦波濤，王德明.礦井防滅火技術現狀及研究進展［J］.中國安全科學學報，2007，17(12):70－75.

［2］王艷軍.試論對綜放采空區隱蔽火源點防治新技術［J］.中小企業管理與科技，2009(6):33－35.

［3］陸 偉，劉朝文，張青松.泡沫載體技術在煤礦防滅火中的應用［J］.礦業安全與環保，2009，36(Z1):185－187.

［4］陳 晨，齊慶杰.礦井火災防治技術的發展現狀及趨勢［J］.煤炭技術，2009(3):21－22.

［5］么大剛.三相泡沫在防滅火技術上的應用［J］.煤礦開采，2009，14(1):96－97.

［6］郭慶凱，彭擔任.三相泡沫防滅火機理［J］.山東煤炭科技，2007(5):36－37.