基于防止煤自燃的煤礦防火裝置的設計應用 *

郝亞兵

(西山煤電(集團)有限責任公司通風處，山西 太原 030024)

0 引 言

作為煤炭消耗大國之一，我國的煤炭開采量也在逐年急增。我國煤炭存儲量雖大，但其存儲地質環境比較復雜，工業開采條件相對不便，隨著開采量越來越大，礦井開采深度和難度不斷增加，開采過程中常常伴隨著很多危險因素，其中，火災發生的可能性極高，我國一半的礦井存在自燃的可能，煤礦火災事故不僅威脅著開采事業、國民經濟的發展，還嚴重威脅著開采工作者的生命安全，因此開采作業中的防火設施的研究和投入十分重要。筆者研究設計一種膠體阻化泡沫制備裝置，通過制備膠體阻化泡沫并將其充分填充至采空區，得到降低采空區氧含量，從而降低煤氧結合[1]，以期解決采空區煤自燃問題。

1 研究方案

1.1 技術路線

隨著煤炭開采強度的不斷增長，礦井采空區面積越來越大，而采空區正是開采中最易發生自燃火災的區域。一般采空區環境復雜，面積大，自燃點不易確定，而且由于面積大，很難進行填充，火災防治效果不理想。文中設計思路是采用膠體阻化泡沫防火，將膠體阻化泡沫填充至采空區，不僅易填充、可達任何角落，而且可以降低環境中氧氣含量，可惰化氣體，有較好的防自燃防火效果，因此提出通過設計膠體阻化泡沫制備裝置而達到防治礦井采空區煤自燃的目標。

1.2 總體設計

采空區發生火災時由于面積大火源點不易找到，通常用的防火材料堆積性不好，難以填充至整個空間，因此可能到達不了火源處，也就達不到火災防治作用，因此所設計防火材料、裝備必須易堆積、易填充，可達采空區整個空間包括高位空間，且對采空區空間降氧、惰化和堵漏效果明顯[2]。此文研究設計的膠體阻化泡沫制備裝置具備上述特點。總體設計如圖1所示。

圖1 膠體阻化泡沫制備裝置總體設計思路圖

工作時，高壓水進入射流比例混合器內形成負壓，膠體阻化液被吸入后與高壓水混合，在一級、二級發泡裝置內與氮氣作用充分發泡，最終泡沫輸送至采空區進行填充堆積，達到煤自燃防治作用。

1.3 射流比例混合器

射流比例混合器結構圖如圖2所示。其利用高速流體獲取能量和質量，將其按一定比例混合。已知高壓水進口壓力，高壓水流量、吸液量可以確定射流比例混合器其他尺寸及參數。噴嘴直徑和喉管直徑與壓力成正比，猴嘴距和喉管長與壓力成反比，擴散管出口直徑確定時，其長度與壓力成正比。根據分析計算，本文選擇黃銅比例式水泡沫混合器[3]。此外，供水壓力增加時，噴嘴處負壓隨之增加，吸附能力將變大，射流比例混合器壓力損失率會有變化，根據計算分析，可以設定供水壓力在0.8～1.0 MPa之間。

圖2 射流比例混合器結構示意圖

1.4 裝置構件的確定

膠體阻化泡沫制備裝置工作中對壓力和流量的精確數值要時刻進行測定和控制，常用的壓力表和流量計通常獨立工作、分別測量，操作難度增加，本文選擇帶有溫差補償的渦街流量計，安裝操作簡便且可同時測流量和壓力。

噴嘴的選擇，工作時膠體阻化混合液經噴嘴噴至發泡網，需均勻噴灑，文中選擇螺旋噴嘴，材質為不銹鋼，噴嘴噴射角60°、外螺紋直徑3/4。發泡網選用不繡鋼材質，網目密度選擇35目/平方英寸。截止閥選用球型礦用截止閥，內螺紋、內部裝有濾網，尺寸為DN25。快速接頭選用PC螺紋直通型快速接頭，膠管選擇相匹配的高壓膠管。其他構件按需選擇，不再贅述。

1.5 整體尺寸設計

根據選用的螺旋噴嘴的參數，噴嘴到發泡網的距離大致為15 cm，20 cm，25 cm，最佳距離取20 cm ，結合噴射角度60°，計算發泡室外觀直徑：

分別計算得出發泡室外管直徑為60cm。膠體阻化泡沫制備裝置設計結構圖如圖3所示。

圖3 膠體阻化泡沫制備裝置結構圖

2 應用測試

2.1 抑制煤氧化試驗測試

準備適量原樣煤分為兩部分，一部分保持原狀不變，另一部分經膠體阻化泡沫處理，對兩者進行升溫加熱，通過測定不同溫度下兩者的耗氧率、各種標志性氣體的生成量、臨界溫度、放熱量等現象[4]，總結膠體阻化泡沫在防治煤自燃中的作用。實驗裝置如圖4所示。

圖4 試驗裝置圖

通過試驗測試發現，經過泡沫處理的煤樣耗氧速率明顯降低，原煤耗氧率突增的臨界點為80 ℃，而經處理的煤樣的耗氧率突增臨界點為110 ℃，使臨界溫度提高30 ℃。同時對原煤樣CO產生量在80 ℃時發生，80℃之后明顯加快，經處理的煤樣CO產生量突增臨界點為100 ℃，表明膠體阻化泡沫有效抑制了煤氧結合，降低了CO產生。CO2產生量突增臨界點由60 ℃提升至90 ℃，此外經過處理的煤樣的CH4、C2H4、C2H6的產生量也明顯低于原煤樣，經過處理的煤樣的干裂溫度提高了大約20℃。

2.2 工業測試

設計完成后，在某煤礦的7309工作面對所設計裝置進行了工業試驗，該工作面在回采期間停采了一段時間，利用停采時間并選擇環境適宜的時間進行了實際測試。

試驗時，利用設計的膠體阻化泡沫制備裝置向采空區壓注泡沫。井下高壓水做為動力條件，經過圖2所示的各環節，產生膠體阻化泡沫并注入至防火區域。膠體阻化泡沫在工作面橫向擴散至約10 m，且管路內少有溢出，且具有良好的堆積性，基本接頂。

泡沫注入前，采空區最初CO濃度維持在穩定值，CO2濃度也是小范圍增加，基本穩定，某日CO濃度迅速增加，之后CO2濃度隨之增加。在注入膠體阻化泡沫后，CO、CO2濃度迅速減少，最終數值接近0并保持穩定。說明膠體阻化泡沫對防治煤自燃有顯著效果，且泡沫制備裝置設計由井下高壓水和N2作為動力，安全可靠、便于使用，此外膠體阻化泡沫還同時具有良好的填充、堆積效果。

3 結 語

根據煤礦采空區火災的特點，提出設計膠體阻化泡沫制備裝置對采空區煤自燃進行防治。

(1) 根據采空區自燃火災特點，給出設計思路，進而提出膠體阻化泡沫制備裝置的總體結構設計，通過逐一確定各構件的型式、結構和參數，最終得出裝置的結構圖。

(2) 對所設計的膠體阻化泡沫制備裝置進行試驗測試，通過分析特定氣體變化現象，得出本裝置具有良好的防治煤自燃的作用。

(3) 利用某礦7309工作面的停采時間，對設計的膠體阻化泡沫制備裝置進一步進行了實際工業測試，測試表明本裝置安全可靠，簡單易操作，填充堆積有效，防治煤自燃效果良好，在礦井采空區煤自燃防治方面有良好的應用價值。