高倍阻化泡沫治理大空間巷道煤自燃火區工程實踐

陸新曉 王德明 朱紅青 胡 超 趙鴻儒

(1. 中國礦業大學(北京)資源與安全工程學院，北京市海淀區，100083；2. 煤礦瓦斯與火災防治教育部重點試驗室，江蘇省徐州市，221116)

煤炭自燃是煤礦生產中的主要災害之一，我國55%的礦井存在煤炭自燃危害，每年因煤炭自燃造成的損失高達數百億元，還易誘發火災與瓦斯爆炸事故。煤炭自燃存在火源隱蔽、過火面積大、火區呈空間立體分布的防治難點，目前，國內外多采用灌漿、惰氣、阻化劑、膠體等防滅火技術和材料，這些技術對保障煤礦安全生產起到了重要作用，但也存在不足。如漿液重力大，在采空區只沿著地勢低的地方流動，不能向高處堆積，無法均勻覆蓋煤體，且滲流范圍小，擴散能力弱；惰氣隨漏風逸散，不易滯留在燃空區，滅火周期長，惰化效果差，滅火降溫能力弱；阻化劑對防止煤體復燃效果顯著，但治理范圍有限，且部分阻化材料易腐蝕井下設備；膠體流量偏小，成本高，擴散范圍小，部分高分子膠體還易產生有毒氣體(如NH3)，危害礦工身心健康。

高倍阻化泡沫治理煤炭自燃是以流動性好、堆積性強、粘附性大的高倍泡沫為載體，以惰氣為充填材料，將阻化劑輸運到一般液固介質難以到達的高位火源區域，然后利用水的冷卻性、氮氣窒息性和發泡劑的阻化性抑制煤炭自燃，實現對大空間高位隱蔽火源的快速治理。高倍阻化泡沫以其流量大、擴散堆積性好的優點，已被認為是撲滅大空間隱蔽火源的重要選擇。

阻化泡沫的高效制備是決定泡沫滅火效果的關鍵，煤礦現場復雜的作業條件，使得現有泡沫制備裝置在進行滅火時存在一定局限性，主要體現在泡沫發生裝置結構設計不合理，產生泡沫發泡倍數低和發泡量小，很大程度上制約了泡沫的高效快速滅火。為此，亟需研發一種能夠滿足煤礦高效滅火的泡沫發生裝置，解決大空間火區的防治難題。

1 螺旋射流式泡沫發生裝置

大空間巷道火區高倍阻化泡沫工藝流程如圖1所示，在高壓水的作用下，發泡劑(含阻化劑)被引射進入添加裝置，混合形成的均勻泡沫液進入發泡裝置，在發泡裝置內，氣液兩相進行能量及動量交換，形成直徑均勻的大流量高倍泡沫群，經鉆孔或預埋管路被灌注至巷道火區內，泡沫充填覆蓋大空間火區，進行快速滅火降溫，其中，該滅火工藝系統的關鍵核心是發泡裝置的設計。

根據發泡裝置在煤礦滅火應用中的特殊環境，提出了氣液射流混合與網式發泡的設計思路，并基于此研發新型泡沫發生裝置，在裝置的設計過程中，從以下4個方面提高泡沫發生裝置性能：(1)利用射流混合結構，合理匹配氣液供給壓力，減少混合損失；(2)采用螺旋噴頭霧化泡沫液，提高泡沫液噴射霧化效果與擴散范圍；(3)采用多層復合凹面網，提高網面上泡沫液吸附效率；(4)采用擴散結構，提高泡沫發生裝置出口驅動能力。

新型螺旋射流式泡沫發生裝置結構如圖2所示，實物圖如圖3所示。

圖1 滅火泡沫制備工藝系統

圖2 螺旋射流式泡沫發生裝置結構圖

圖3 螺旋射流式泡沫發生裝置

裝置水平進口采用快速接頭形式與井下進水管路相連，射流噴嘴內腔呈圓錐形漸縮狀，前端布置有階梯型螺旋噴頭，內腔為暢通流線型，垂直方向為壓風進口，壓風接頭與連接室相連，連接室與擴散器通過法蘭連接，特制的雙層復合凹面網由螺母固定在擴散器絲桿上，擴散器和泡沫分配器通過法蘭連接，根據現場的實際需求，分配器數量設計為2～4個。

設計的新型螺旋射流式泡沫發生裝置整體長度500 mm，射流部分長200 mm，出口直徑300 mm。螺旋噴頭安裝在射流噴嘴的最前端，螺旋噴頭呈環腔螺旋結構，外部有多個逐漸減小的噴淋分層界面，內腔為暢通流線型，液體通過與連續變小的螺旋面發生強烈的界面剪切和分子碰撞后，霧化為小液滴，螺旋結構增大了噴口的出流斷面，最大程度減少了液體堵塞，在井下復雜水質環境中的適用性更強。

裝置采用氣液射流低阻混合、螺旋噴頭分層霧化、雙層復合凹面網高效吸附耦合機制進行發泡，產生的泡沫成泡率高、發泡倍數高、流量大，具有操作方便、體積小、重量輕、使用靈活的顯著優點，而且裝置內部無任何復雜運動部件，阻力損失小，可靠性高，突破了傳統泡沫發生裝置在應對煤礦現場惡劣作業環境時，氣液混合損失大、發泡效果差、適用性不強的技術瓶頸，尤其適合于煤礦大面積自燃空間所需滅火泡沫的大流量制備。

2 礦井大空間巷道火區形成特點

本文從某煤礦的現場滅火實際出發，分析礦井大空間巷道火區形成過程及特點。該礦自然發火期為3～6個月，屬瓦斯礦井，火情最早于上副巷廢棄的溜煤眼處發現，伴隨有煙霧及明火，并聞到上副巷與上聯巷的交叉處有木垛燃燒的氣味，之后救護隊開始對火區進行4道(1#、2#、3#、4#)封閉，并完成了對2#、3#永久密閉墻的施工和對4#密閉墻及附近巷道的噴漿堵漏工作。在隨后的一個月里，對火區內氣體重新進行取樣分析，4#密閉墻內CO濃度已達3.1002%，C2H4濃度0.0019%，CH4濃度0.67%，火區內CO濃度越積越多，回風上山中的CO濃度已經達到0.0028%，高出了《煤礦安全規程》對CO濃度規定的上限，嚴重影響了礦工安全，并且密閉漏風，瓦斯不斷積聚，瓦斯爆炸的危險性不斷上升，火區治理迫在眉睫。

圖4 巷道火形成示意圖

圖4為此次巷道火的形成過程，風流由下向上，從三部膠帶巷通過溜煤眼進入上部回風下山，溜煤眼已長時間廢棄不用，但由于部分碎煤遺留在廢棄溜煤眼，造成溜煤眼遺煤極易自燃，隨著溜煤眼處煤體被燒完全，燃燒區域開始向周圍擴散，由于上聯巷、溜煤眼與上副巷形成的三角煤柱，煤層薄，煤體松散，溜煤眼內自燃的煤體很容易引燃松散的三角煤柱區域，上副巷為全煤巷，燃燒的溜煤眼和三角煤柱區加劇了上副巷頂板冒落帶煤體自燃，使煤層頂板燃燒垮落坍塌，并在上副巷內不斷堆積，形成大面積多孔介質高溫火區；之前在上副巷內采用木垛和編織袋充填以防止漏風，由于火區沿風流向回風下山發展，堆積的木垛已被完全引燃，造成三角煤柱內靠近木垛側的煤柱被燒穿，形成松散煤柱燃燒帶。啟封后也發現，距廢棄溜煤眼往回風下山區域，有大面積煤體塌方形成的空洞區域，巷道內垮落非常嚴重，而且隨著燃燒進行，上副巷頂板煤體冒落加劇，巷道火沿頂板向回風側發展。

3 大流量高倍阻化泡沫滅火實施工藝

3.1 鉆孔施工方案

根據巷道火區特點和滅火泡沫灌注方式，決定通過實施鉆孔進行大流量泡沫的灌注，共在火區內設計1#、2#、3#3個滅火鉆孔，鉆孔終孔位置均落在上副巷冒落帶，鉆孔長度分別為35 m、25 m、19 m，其中1#鉆孔打向靠近溜煤眼處的頂板冒落帶，2#鉆孔打向上副巷中間的頂板冒落帶，3#鉆孔打向上聯巷與上副巷相交的頂板冒落帶，具體的鉆孔位置如圖4中的標識。

由于火區較大，泡沫在高溫下破裂較快，需要始終保證泡沫的連續灌注，而溜煤眼處于上風側，是火區治理的主要區域，因此靠近溜煤眼的1#鉆孔是火區治理的首選灌注地點，同時為了保證大空間巷道火區的快速治理，在對溜煤眼火區治理到一定程度后，需更換灌注鉆孔，為此確定了高倍泡沫灌注順序為：先集中灌注1#和2#鉆孔，隨后灌注2#和3#鉆孔，最后灌注1#和3#對溜煤眼進行徹底治理。

3.2 泡沫灌注工藝

在構建大流量泡沫滅火系統時，首先將供水和壓風管路引至軌道下山與回風下山聯絡巷內兩道風門靠近軌道下山側，即水倉泵房附近，并在此處安裝供液管路和供氣管路的球閥和流量計等測試儀表進行遠程安全調控灌注，為保證大流量泡沫高質量地灌注到高溫火區，在發泡裝置出口與鉆孔之間設計了耐高壓透明膠管，根據透明膠管內泡沫的流動形態，對工況進行調控，發泡裝置及高壓膠管均放置在封閉火區4#密閉巷道口附近。

全部裝備安裝完成，進行了灌注前的相關調試工作，防止灌注過程中出現漏氣及漏泡沫，根據透明膠管內泡沫流動形態，調整發泡系統運行工況，水量4 m3/h，氮氣流量300 m3/h，發泡劑添加比例為0.5%，出口產泡量約250 m3/h，發泡倍數約70倍，該泡沫量及發泡倍數足夠滿足現場對泡沫滅火需求。隨后正式啟動大流量泡沫灌注系統，進行灌注，泡沫在透明膠管內的流動如圖5所示，形成的泡沫致密，流動性非常好，灌注過程中未出現分層及不滿管的情況，在進行泡沫灌注21 d后，停止灌注。

圖5 泡沫鉆孔灌注效果

4 滅火效果考察

在灌注泡沫的過程中，為深入考察泡沫滅火技術對巷道空洞火區的滅火效果，了解滅火降溫過程中火區溫度及指標氣體CO的變化規律，選取3#密閉和4#密閉觀察孔作為取樣地點，采用鎧裝熱電耦及數字式測溫儀測溫，球膽及多種氣體采樣器、氣相色譜儀等儀器設備測試CO濃度，測試每隔1～2 d進行一次。

4.1 火區溫度變化

灌注泡沫之前，火區溫度很高，在灌注泡沫的21 d內，4#密閉內溫度由128.7 ℃降至14.3 ℃，3#密閉內溫度變化不大，由24.4 ℃降至14.0 ℃，4#密閉內的溫度始終高于3#密閉內溫度，如圖6所示。主要原因是3#密閉處于下水平的三部膠帶巷，離火區較遠，4#密閉靠近高溫火區，熱量散失的較慢，但隨著火區被撲滅，火區熱量逐漸擴散至3#密閉，因而在泡沫灌注過程中的部分時間段內，3#密閉溫度有上升趨勢，停止泡沫灌注后，最終1#鉆孔、2#鉆孔、3#鉆孔、3#密閉、4#密閉內的溫度的均處于20 ℃以下，通過測試4#密閉底部流出的水溫，發現其接近井下正常水溫，表明燃燒的高溫火區已得到了根本控制。

圖6 泡沫灌注過程中密閉墻內溫度變化

4.2 火區CO濃度變化

由于在治理該火區之前，封閉區內已燃燒了一個多月，不僅火區溫度高，CO濃度也非常高，4#密閉CO濃度已達3.1002%，是《煤礦安全規程》規定的1292倍，表明火區內正進行著劇烈的大面積燃燒。持續灌注泡沫21 d后，4#密閉CO濃度由3.1002%降至小于0.0006%，由于3#密閉距離火區較遠，CO濃度較低，變化不明顯，但在灌注泡沫的1月12和14日，CO濃度出現了小幅回升，升至0.08277%，如圖7所示，這主要是由大量的泡沫灌注將上副巷火區內的CO排擠至下部膠帶巷內引起的，隨著后期火區被完全撲滅，最終3#密閉CO濃度也低于《煤礦安全規程》規定值。

圖7 泡沫灌注過程中密閉墻內CO濃度變化

之后一個月內，經復查，封閉火區內溫度、CO濃度及其他指標氣體濃度均符合《煤礦安全規程》規定的啟封條件，礦方決定對火區進行啟封，并對封閉空間內的巷道壁面進行噴漿，大流量泡沫技術的實施確保了啟封過程的安全，未發生一起傷亡事故，安定了人心，穩定了隊伍，該治理技術及經驗豐富和發展了我國煤礦火災防治理論與技術體系，推動了煤炭行業防滅火領域的科技進步。

5 結論

(1)設計了新型螺旋射流式泡沫發生裝置，裝置采用氣液射流低阻混合、螺旋噴頭分層霧化、雙層復合凹面網高效吸附機制進行發泡，產生的泡沫成泡率高、發泡倍數高、流量大，且可進行遠距離高阻傳輸，具有操作方便、體積小、重量輕、使用靈活的特點，非常適合于井下復雜條件下防滅火的技術需要。

(2)從滅火現場的實際出發，分析了礦井大空間巷道火區形成過程及火區特點，并針對性地提出了滅火鉆孔實施方案及泡沫灌注工藝，通過現場調試，確定了發泡系統最佳的運行工況為水量4 m3/h，氮氣流量300 m3/h，發泡劑添加比例為0.5%，出口產泡量250 m3/h，發泡倍數70倍。

(3)大空間巷道火區高倍泡沫滅火實踐表明，在實施泡沫灌注后，密閉內溫度由128.7 ℃降至14.3 ℃，CO濃度由3.1002%降至0.0006%以下，溫度和CO濃度均達到了《煤礦安全規程》啟封要求，高倍泡沫滅火的成功實施，有力地確保了大空間巷道火區的安全啟封。

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