惰性阻化泡沫技術防治采空區自然發火研究

李 敬 郭玉印 范寶同

（山東濟礦魯能煤電股份有限公司陽城煤礦，山東 汶上 272502）

目前國內外煤礦采空區防滅火技術主要有灌漿、注凝膠、注惰性氣體、均壓、阻化氣霧等技術。但是這些技術還存在一些不足，如注惰氣（主要是氮氣）技術，惰氣易隨漏風流失，不易長時間滯留采空區；注漿技術，漿體易流向地勢低的部位且易跑漿，不能均勻覆蓋浮煤[1]。生產實踐中，需要根據工作面開采實際采取針對性防滅火措施，提高防滅火效果。惰性阻化泡沫防滅火技術在陽城煤礦3306 工作面防治采空區自然發火獲得了成功應用，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（以下簡稱“阻化劑”）、發泡劑及惰性氣體組成，惰性阻化泡沫技術是一種集固、液、氣三相材料結合的綜合技術。該技術是利用阻化劑對煤體的包裹性、惰性氣體的窒息性及發泡劑的穩定性，通過輸送裝置注入到防滅火區域。同時因為惰性阻化泡沫發泡系數可達到200 倍，可使單位體積的泡沫材料成本大幅降低，進而具有較高的經濟效益。

惰性阻化泡沫不僅有阻化劑通過泡沫均勻覆蓋煤體阻止氧化的作用，還有惰氣泡沫本質穩定性防滅火的優點。

（1）混合發泡劑后的阻化劑通過惰性氣體注入采空區，可很快地形成泡沫，泡沫的體積及數量迅速增加，由于該泡沫具有堆積性、穩定性，在區域內向高處堆積并進行大面積擴散，對高、低處的浮煤達到覆蓋包裹的作用。

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

2 惰性阻化泡沫技術參數的確定

惰性阻化泡沫防滅火技術是一種防治采空區煤炭自燃的新技術和工藝，為達到理想實踐效果，還需對以下三個工藝技術參數進行確定：發泡劑的濃度、阻化劑的濃度及壓注距離。

以下是通過試驗得出的“惰性阻化泡沫”的幾個關系曲線[2]。

2.1 發泡劑濃度與發泡能力的關系

圖1 發泡劑濃度與發泡能力的關系曲線圖

通過圖1 可以得出：當發泡劑達到0.03%以上時，發泡能力已經基本穩定，體積在300ml 左右。說明在井下施工壓注惰性阻化泡沫時，發泡劑的濃度越高發泡體積不一定越好，而是要找到一個基本點，做好調節工作。這樣既能達到快速覆蓋高溫煤體、隔離空氣的防滅火目的，又能節約材料費用。

2.2 發泡倍數與穩定時間的關系

圖2 發泡倍數與穩定時間的關系曲線圖

通過圖2 可以得出：泡沫的穩定時間與發泡倍數成反比，發泡倍數越小，穩定時間越長。在實際應用過程中，根據現場壓注距離及空間合理選擇發泡倍數，由發泡倍數選定發泡劑濃度。

2.3 阻化劑濃度的選擇

阻化劑在選擇過程中，由于發泡劑的混合，必將對發泡效果有所影響。通過試驗，得出阻化劑濃度與發泡體積關系曲線圖，如圖3 所示。

通過圖3 可以得出，阻化劑濃度與發泡體積成反比，在現場應用過程中，根據發泡體積來選取阻化劑的濃度。

圖3 阻化劑濃度與發泡體積關系曲線圖

3 惰性阻化泡沫在現場的應用

3.1 3306 工作面概況

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

3.2 氣體情況介紹

2019 年1 月13 日，工作面在正常回采期間，工作面回風流一氧化碳出現升高現象。到1 月16 日，回風流一氧化碳濃度達到26ppm，回風隅角一氧化碳濃度達到最高78ppm。通過監測，采空區溫度高達51℃，一氧化碳濃度達到389ppm。由于回采時間較長，采空區面積較大，不能準確地判斷出高溫點的位置，若不及時采取措施治理，必將影響工作面安全回采。根據現場情況進行分析，研究提出采用惰性阻化泡沫防滅火技術治理采空區發火隱患。

3.3 現場方案的確定及實施

由于采空區面積較大，為及時有效地消除采空區發火隱患，通過進風隅角提前預埋20m 管路至采空區，另外通過ZLJ537 煤礦用坑道鉆機在高位處向工作面50#、100#架后20m 施工鉆孔。使用這三套管路同時壓注惰性阻化泡沫，迅速惰化采空區環境。惰性氣體采取了二氧化碳作為載氣，能夠更好地長時間滯留在采空區。如圖4、圖5 所示。

根據3306 工作面回采進度及采空區漏風狀態情況，基本參數確定如下：

（1）發泡倍數150～200 倍，穩定時間高于24h；

（2）二氧化碳提供量在600 ～800m3/h，壓力為0.5MPa；

（3）惰性阻化泡沫發泡量：600m3/h；

（4）發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 現場壓注惰性阻化泡沫施工示意圖

4 應用效果分析

從2019 年1 月18 日起，惰性阻化泡沫通過三路管路不間斷地壓注到采空區后，充分發揮了它的特點，在采空區內迅速擴散，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散，說明惰性阻化泡沫已充分地壓注到采空區，并很好地包裹了采空區內的遺煤，封堵了煤體間的裂隙。期間通過檢測，發現滲透出的泡沫存在溫度較高現象，說明了惰性泡沫對高溫點具有較好的吸熱降溫作用。治理期間，合計壓注惰性阻化泡沫約150000m3，采空區內溫度、一氧化碳下降迅速，基本恢復正常水平，采空區內自然發火隱患得到有效治理，確保了綜放工作面的安全回采，杜絕了火災事故的發生。如圖6 所示。

圖6 采空區一氧化碳和溫度變化曲線圖

5 結語

惰性阻化泡沫在采空區內不斷地進行擴散、堆積及滲透，可以充分、迅速地將采空區進行覆蓋，達到對防火區域惰化、堵漏、窒息、阻爆滅火的作用，可以很好地防治采空區大面積火災和不明位置的煤體高溫氧化自燃現象。該技術在陽城煤礦3306工作面的應用結果表明，惰性阻化泡沫防滅火效果顯著，為煤礦采空區煤炭自然發火的防治提供了新的手段。