D0I:10.13374/1.issnl00103.2007.10.005 第29卷第10期 北京科技大学学报 Vol.29 No.10 2007年10月 Journal of University of Science and Technology Beijing 0t.2007 三相泡沫防治煤炭自燃的特性及应用 秦波涛王德明 中国矿业大学煤炭资源与安全开采国家重点实验室，徐州221008 摘要介绍了三相泡沫的防灭火特征，分析了三相泡沫的覆盖效果和阻化特性，实验研究了三相泡沫扑灭多孔介质中的高 位火源·结果表明，靠大流量的三相泡沫不断渗透、堆积和扩散，能将整个采空区完全覆盖，可防治采空区内任何位置的火源 根据矿井采空区及三相泡沫的特性推导出三相泡沫的扩散距离、注浆管出口离工作面的距离及连续注三相泡沫的时间·通过 三相泡沫在大兴煤矿N2703综放工作面的实际应用，提出了向采空区预埋管注三相泡沫的方案，并成功地防治了该面的煤炭 自燃， 关键词三相泡沫：防灭火；渗流：预埋管 分类号TD752.2 近年来，煤矿安全形势骤然紧张，事故频发不 充分克服了这些技术的不足： 断，而煤炭自燃又是我国煤矿的主要灾害之一，由煤 (1)泥浆通过注入氨气发泡后形成三相泡沫， 层自燃引发的瓦斯爆炸、煤尘爆炸，轻则影响生产， 体积量大幅度增大，在采空区中可向高处堆积，对 重则导致矿井封闭、设备损害，甚至导致煤矿人员的 低、高处的浮煤都能覆盖，能够避免“拉沟”现象：注 重大伤亡山，我国煤矿地质条件复杂，有一半以上 入到采空区的氮气被封装在泡沫之中，能较长时间 的煤层都存在自燃，如何有效地防治煤炭自燃，实现 滞留在采空区中，充分发挥氮气的室息防灭火功能， 矿井安全高效的开采，一直是煤矿安全工作人员研 这是三相泡沫比一般单纯注浆、注氮气的优越之处 究的课题， (2)三相泡沫中含有粉煤灰或黄泥等固态物 为了有效防治煤炭自燃，中国矿业大学通风防 质，这些固态物质是三相泡沫面膜的一部分，可较长 灭火课题组提出了三相泡沫防灭火新技术。三相泡 时间保持泡沫的稳定性，即使泡沫破碎了，具有一定 沫是将不溶性的固态不燃物（如粉煤灰或黄泥）分散 黏度的粉煤灰或黄泥仍然可较均匀地覆盖在浮煤 在液体（水）中，通入惰性气体(N2)或空气并添加极 上，可持久有效地阻碍煤对氧的吸附，防止煤的氧 少量的添加剂（发泡剂和稳泡剂）通过三相泡沫发泡 化，从而有效地防止煤炭自然发火，这是三相泡沫 器充分搅拌混合，形成固体颗粒均匀附着在气泡壁 比两相泡沫的优越之处 上的大量富集的含有气液固三相的体系，该技术 由于松散煤体是很复杂的多孔介质，且漏风是 集注浆、注泡沫、注惰性气体和注阻化剂的综合防灭 时间和空间的函数，因此可以根据采空区内氧浓度 火功能，又克服了各自技术的不足]，特别适用于 分布进行推算松散煤体的漏风强度可，在工作面中 扑灭和防治采空区大面积火灾、防治大倾角俯采综 心轴往采空区布置观测点，利用观测到的氧气浓度 放采空区煤炭自燃、捕寻采空区高位和不明位置火 分布来推算漏风强度，三相泡沫注入采空区后，采空 源等.三相泡沫技术已经成功应用于众多矿井，取 区漏风速率大大减少，如图1所示.图1表明三相 得了显著的经济效益，并保障了矿井的安全开采， 泡沫封堵漏风通道和裂隙、包裹煤体的效果优良， 1三相泡沫防灭火特征 (3)三相泡沫发泡剂添加了阻化剂，因此其发 泡剂本身就是一种很好的阻化材料，能均匀地分散 气相为氨气的三相泡沫兼有了一般注浆、注两 在煤体上，有效阻止煤氧结合官能团的产生和自由 相泡沫、注氮气、注阻化剂等防灭火技术的优点，又 基的链式反应，对煤的自燃有很好的阻化效果：发泡 收稿日期：2006-05-09修回日期：2007-03-12 剂作为一种表面活性剂，可以改善煤体的表面润 基金项目：国家自然科学基金资助项目(No,50274068):教育部博 湿性能，从而能使煤吸收更多的水分，极大地增加煤 士点基金资助项目(N。.20020290001):中国矿业大学青年科研基金 体的湿度；同时，含有发泡剂的水能在煤体表面形成 资助项目(N。.2005A003) 作者简介：秦波涛(1977-)男，副教授，博士 一层水膜，隔断煤与氧气的结合，这是三相泡沫比
三相泡沫防治煤炭自燃的特性及应用 秦波涛 王德明 中国矿业大学煤炭资源与安全开采国家重点实验室徐州221008 摘 要 介绍了三相泡沫的防灭火特征分析了三相泡沫的覆盖效果和阻化特性实验研究了三相泡沫扑灭多孔介质中的高 位火源．结果表明靠大流量的三相泡沫不断渗透、堆积和扩散能将整个采空区完全覆盖可防治采空区内任何位置的火源． 根据矿井采空区及三相泡沫的特性推导出三相泡沫的扩散距离、注浆管出口离工作面的距离及连续注三相泡沫的时间．通过 三相泡沫在大兴煤矿 N2703综放工作面的实际应用提出了向采空区预埋管注三相泡沫的方案并成功地防治了该面的煤炭 自燃． 关键词 三相泡沫；防灭火；渗流；预埋管 分类号 TD752∙2 收稿日期：2006-05-09 修回日期：2007-03-12 基金项目：国家自然科学基金资助项目（No．50274068）；教育部博 士点基金资助项目（No．20020290001）；中国矿业大学青年科研基金 资助项目（No．2005A003） 作者简介：秦波涛（1977—）男副教授博士 近年来煤矿安全形势骤然紧张事故频发不 断而煤炭自燃又是我国煤矿的主要灾害之一由煤 层自燃引发的瓦斯爆炸、煤尘爆炸轻则影响生产 重则导致矿井封闭、设备损害甚至导致煤矿人员的 重大伤亡［1］．我国煤矿地质条件复杂有一半以上 的煤层都存在自燃如何有效地防治煤炭自燃实现 矿井安全高效的开采一直是煤矿安全工作人员研 究的课题． 为了有效防治煤炭自燃中国矿业大学通风防 灭火课题组提出了三相泡沫防灭火新技术．三相泡 沫是将不溶性的固态不燃物（如粉煤灰或黄泥）分散 在液体（水）中通入惰性气体（N2）或空气并添加极 少量的添加剂（发泡剂和稳泡剂）通过三相泡沫发泡 器充分搅拌混合形成固体颗粒均匀附着在气泡壁 上的大量富集的含有气—液—固三相的体系．该技术 集注浆、注泡沫、注惰性气体和注阻化剂的综合防灭 火功能又克服了各自技术的不足［2—4］特别适用于 扑灭和防治采空区大面积火灾、防治大倾角俯采综 放采空区煤炭自燃、捕寻采空区高位和不明位置火 源等．三相泡沫技术已经成功应用于众多矿井取 得了显著的经济效益并保障了矿井的安全开采． 1 三相泡沫防灭火特征 气相为氮气的三相泡沫兼有了一般注浆、注两 相泡沫、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： （1） 泥浆通过注入氮气发泡后形成三相泡沫 体积量大幅度增大在采空区中可向高处堆积对 低、高处的浮煤都能覆盖能够避免“拉沟”现象；注 入到采空区的氮气被封装在泡沫之中能较长时间 滞留在采空区中充分发挥氮气的窒息防灭火功能． 这是三相泡沫比一般单纯注浆、注氮气的优越之处． （2） 三相泡沫中含有粉煤灰或黄泥等固态物 质这些固态物质是三相泡沫面膜的一部分可较长 时间保持泡沫的稳定性即使泡沫破碎了具有一定 黏度的粉煤灰或黄泥仍然可较均匀地覆盖在浮煤 上可持久有效地阻碍煤对氧的吸附防止煤的氧 化从而有效地防止煤炭自然发火．这是三相泡沫 比两相泡沫的优越之处． 由于松散煤体是很复杂的多孔介质且漏风是 时间和空间的函数因此可以根据采空区内氧浓度 分布进行推算松散煤体的漏风强度［5］．在工作面中 心轴往采空区布置观测点利用观测到的氧气浓度 分布来推算漏风强度三相泡沫注入采空区后采空 区漏风速率大大减少如图1所示．图1表明三相 泡沫封堵漏风通道和裂隙、包裹煤体的效果优良． （3） 三相泡沫发泡剂添加了阻化剂因此其发 泡剂本身就是一种很好的阻化材料能均匀地分散 在煤体上有效阻止煤氧结合官能团的产生和自由 基的链式反应对煤的自燃有很好的阻化效果；发泡 剂作为一种表面活性剂［6］可以改善煤体的表面润 湿性能从而能使煤吸收更多的水分极大地增加煤 体的湿度；同时含有发泡剂的水能在煤体表面形成 一层水膜隔断煤与氧气的结合．这是三相泡沫比 第29卷 第10期 2007年 10月 北 京 科 技 大 学 学 报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol．29No．10 Oct．2007 DOI:10．13374／j．issn1001－053x．2007．10．005
.972. 北京科技大学学报 第29卷 三相泡沫扑灭矸石堆上部火源的过程如图3~ 0.10 008 一◆一注三相泡沫前 6所示，图中可知，三相泡沫在多孔介质中可以很 。一注三相泡沫后 快地进行各个方位的渗透，在很短的时间内就完全 覆盖了整个矸石堆，图中熊熊燃烧的煤火在15min 0.02 后就被三相泡沫覆盖扑灭，其煤炉内的温度变化结 05101520253035404550556065 果如图7所示 距工作面的距离m 图1三相泡沫堵漏，包裹煤体效果 Fig-1 Enveloping effect of three-phase foam 般的注水、注阻化剂的优越之处， 取潘一矿肥煤(40~80目)进行温升实验，研究 三相泡沫的阻化效果.煤样质量为50g,一组是原 煤样，一组是加三相泡沫后的煤样（三相泡沫质量为 煤体质量的10%)·利用2001型煤炭自燃测试 仪[门]，采用程序升温方式，在绝热罐内通入氧气 图3三相泡沫注2min后的情况 Fig.3 Penetrative range of three"phase foam after 2 min (100 mL'min)对煤样进行氧化，煤样随时间的温 升速率曲线如图2所示.从图2可以看出，随着氧 化时间的增加，加了三相泡沫煤样的温升速率比原 煤样慢了许多，说明三相泡沫对煤体有很好的阻化 效果，能有效抑制煤体的氧化温升速率 一◆一原煤样升温速率曲线 。一加10%浓度三相泡沫后的 3 煤样升温速率曲线 1 图4三相泡沫注9min后的情况 40 6080 100120 Fig.4 Penetrative range of three-phase foam after 9min 时间min 图2煤氧化升温速率曲线 Fig-2 Speed curves of coal temperature vs.time 2 三相泡沫防治采空区火灾的模拟实 验 在地面用矸石模拟采空区，矸石堆长4m,宽 4m,高1.2m,矸石堆的空隙率为0.2.在矸石堆上 放一火炉，里面是燃烧很旺的煤火，火源位置离地面 0.8m,将注三相泡沫的管路埋藏在矸石堆中，出口 图5三相泡沫注15min后的情况 Fig.5 Penetrative range of three-phase foam after 15min 位于矸石堆的中部位置，火炉上放一温度传感器， 测量注三相泡沫过程中火炉温度的变化情况 从图7可以看到：当开始注三相泡沫9mim后 当一切准备就绪后，开始注黄泥三相泡沫，在 三相泡沫通过渗流大量涌出达到火炉，火炉温度开 以上的实验条件下，60s后三相泡沫开始从矸石堆 始急剧下降；当开始注三相泡沫l7mim后，即短短8 的前侧壁的缝隙中冒出来，80s后三相泡沫开始从 min的时间火炉温度就下降到45℃，表明三相泡沫 矸石堆的上部冒出，100s后矸石堆各个地方都可以 灭火灾能力强，覆盖性好，因此对于采空区大面积 看到有三相泡沫冒出来，120s后三相泡沫大量从矸 和不明位置的煤炭自燃、高位火源，靠大流量的三相 石堆的裂隙中冒出来， 泡沫不断渗透、堆积和扩散，从而能将整个采空区进
图1 三相泡沫堵漏、包裹煤体效果 Fig．1 Enveloping effect of three-phase foam 一般的注水、注阻化剂的优越之处． 取潘一矿肥煤（40～80目）进行温升实验研究 三相泡沫的阻化效果．煤样质量为50g一组是原 煤样一组是加三相泡沫后的煤样（三相泡沫质量为 煤体质量的 10％）．利用 2001 型煤炭自燃测试 仪［7］采用程序升温方式在绝热罐内通入氧气 （100mL·min —1）对煤样进行氧化煤样随时间的温 升速率曲线如图2所示．从图2可以看出随着氧 化时间的增加加了三相泡沫煤样的温升速率比原 煤样慢了许多说明三相泡沫对煤体有很好的阻化 效果能有效抑制煤体的氧化温升速率． 图2 煤氧化升温速率曲线 Fig．2 Speed curves of coal temperature vs．time 2 三相泡沫防治采空区火灾的模拟实 验 在地面用矸石模拟采空区矸石堆长4m宽 4m高1∙2m矸石堆的空隙率为0∙2．在矸石堆上 放一火炉里面是燃烧很旺的煤火火源位置离地面 0∙8m将注三相泡沫的管路埋藏在矸石堆中出口 位于矸石堆的中部位置．火炉上放一温度传感器 测量注三相泡沫过程中火炉温度的变化情况． 当一切准备就绪后开始注黄泥三相泡沫．在 以上的实验条件下60s 后三相泡沫开始从矸石堆 的前侧壁的缝隙中冒出来80s 后三相泡沫开始从 矸石堆的上部冒出100s 后矸石堆各个地方都可以 看到有三相泡沫冒出来120s 后三相泡沫大量从矸 石堆的裂隙中冒出来． 三相泡沫扑灭矸石堆上部火源的过程如图3～ 6所示．图中可知三相泡沫在多孔介质中可以很 快地进行各个方位的渗透在很短的时间内就完全 覆盖了整个矸石堆．图中熊熊燃烧的煤火在15min 后就被三相泡沫覆盖扑灭其煤炉内的温度变化结 果如图7所示． 图3 三相泡沫注2min 后的情况 Fig．3 Penetrative range of three-phase foam after2min 图4 三相泡沫注9min 后的情况 Fig．4 Penetrative range of three-phase foam after9min 图5 三相泡沫注15min 后的情况 Fig．5 Penetrative range of three-phase foam after15min 从图7可以看到：当开始注三相泡沫9min 后 三相泡沫通过渗流大量涌出达到火炉火炉温度开 始急剧下降；当开始注三相泡沫17min 后即短短8 min 的时间火炉温度就下降到45℃表明三相泡沫 灭火灾能力强覆盖性好．因此对于采空区大面积 和不明位置的煤炭自燃、高位火源靠大流量的三相 泡沫不断渗透、堆积和扩散从而能将整个采空区进 ·972· 北 京 科 技 大 学 学 报 第29卷
第10期 秦波涛等：三相泡沫防治煤炭自燃的特性及应用 .973 行覆盖，完全能防止和扑灭采空区任何位置的火源， 式(2)右端第2项表示采空区的漏风宽度，当推进度 较快(W>1.5md一1)，并且采空区和顺槽之间存 在漏风时，需要对这一项进行修正，某矿相关参数 取值如下：D=5~9m,W:=2md1,t=18~35d, 同时考虑到自然发火情况以及扑灭速度等因素，因 此该矿埋管时管路出口离工作面的间距可定为 B,=30~40m. 向采空区延续注三相泡沫的时间取决于煤炭和 围岩的温度、泡沫的冷却能力以及覆盖采空区的空 图6三相泡沫注30min后的情况 间体积和注三相泡沫的流量，可用下式计算防灭火 Fig-6 Penetrative range of three-phase foam after 30min 区域需要连续注三相泡沫的时间： 600r t=zln(aTx+ozTo)/(aiT.+@To)+Y(3) 500 9400 式中，41为被三相泡沫解除热量参数，s1；g为漏 300 风解除热参数，s1；Tk为采空区煤体最高温度，K; 200 To为流向采空区风流的温度，K;T。为三相泡沫冷 100 600 4:48 9:36 14:24 19:12 却后的煤体温度，K;V为采空区的空间体积，m3;I 时间 为三相泡沫的流量，m3h-1. 图7火炉温度变化趋势 4三相泡沫防治煤炭自燃的应用实例 Fig.7 Change of temperature in the burner 铁法煤业集团大兴煤矿目前开采的N2703综 3采空区注三相泡沫技术参数的确定 放工作面煤层属于易自燃煤层，自然发火期短，为 1~3个月，最短为18d,且工作面开采为大倾角俯 三相泡沫作为一种防治采空区煤炭自燃的新手 斜开采.该工作面于200409-22开始开采，采空区 段和工艺，需要确定以下三个主要工艺技术参数：三 于10月25日起开始出现大量C0,于26日取样开 相泡沫扩散的距离，管路出口离工作面的距离和三 始出现C2H4,情况十分危机，此时工作面已推进了 相泡沫连续喷注的时间， 90多m,根本不能准确地判断出高温火源点的位 在采空区的破碎岩煤中，三相泡沫扩散的距离 置.采用预先埋管随采随注三相泡沫，管路布置如 取决于破碎煤岩的结构、煤层的角度和厚度，以及流 图8所示 体本身的流变性能，通过推导，采用下式计算三相 预埋管随采随注三相泡沫法就是在标高比较高 泡沫的扩散距离： 的顺槽(N2703回风顺槽比运输顺槽高)预埋2根 L=KTsin a+(KTsin a)2+4PKT/(Pg)(1) 10.16cm的管路，两根管都留好出口.当工作面往 式中，K为三相泡沫的渗透系数，ms1；T为三相 前推进10m左右的距离后，2根管路中留在外面的 泡沫的稳定性，s;α为煤层的倾角，°；P为注三相泡 一根先注沙，形成一道砂墙，长度大约为10m,高度 沫的管路出口处泡沫的压力，Pa;P为泡沫的密度， 就是充填到煤顶板的冒落高度.这样，在阻力小的 kgm3;g为重力加速度，m2s1,取9.8m2s-1； 区域内有砂墙阻挡，三相泡沫在采空区的流场就发 当工作面推进到一定程度时，就需要大量注三 生了根本性的变化，使三相泡沫能充分覆盖整个采 相泡沫来预防采空区煤炭自燃，即管路出口离工作 空区，每次在运输顺槽内看到有三相泡沫流出，就可 面的间距用下式计算： 以停止注三相泡沫.根据前面公式可知，在N2703 B.<D十W:t (2) 沿工作面大约注20~24h的三相泡沫就可完全覆 式中，B,为管路出口离工作面的距离，m;D为三相 盖走向半径为25~30m,长度为160m的倾斜方向 泡沫影响区域宽度，m;W:为工作面日推进速度，m 的范围 d一1；c为煤层自然发火期，d. 采用压缩空气作为气相，黄泥作为固相，井下抽 研究表明，影响区域宽度D取决于泥浆的成 到地面来的废水作为液相.配制的浆液与灰水质量 分：固相的增加和气相的减少都会使D减小. 比大约为1：4，浆液控制流量为15~20m3h-1,气
行覆盖完全能防止和扑灭采空区任何位置的火源． 图6 三相泡沫注30min 后的情况 Fig．6 Penetrative range of three-phase foam after30min 图7 火炉温度变化趋势 Fig．7 Change of temperature in the burner 3 采空区注三相泡沫技术参数的确定 三相泡沫作为一种防治采空区煤炭自燃的新手 段和工艺需要确定以下三个主要工艺技术参数：三 相泡沫扩散的距离管路出口离工作面的距离和三 相泡沫连续喷注的时间． 在采空区的破碎岩煤中三相泡沫扩散的距离 取决于破碎煤岩的结构、煤层的角度和厚度以及流 体本身的流变性能．通过推导采用下式计算三相 泡沫的扩散距离： L＝ KTsinα＋ （ KTsinα） 2＋4PKT／（ρg） （1） 式中K 为三相泡沫的渗透系数m·s —1 ；T 为三相 泡沫的稳定性s；α为煤层的倾角°；P 为注三相泡 沫的管路出口处泡沫的压力Pa；ρ为泡沫的密度 kg·m —3 ；g 为重力加速度m 2·s —1取9∙8m 2·s —1 ； 当工作面推进到一定程度时就需要大量注三 相泡沫来预防采空区煤炭自燃即管路出口离工作 面的间距用下式计算： Bs＜ D＋ Wfτi （2） 式中Bs 为管路出口离工作面的距离m；D 为三相 泡沫影响区域宽度m；Wf 为工作面日推进速度m ·d —1 ；τi 为煤层自然发火期d． 研究表明影响区域宽度 D 取决于泥浆的成 分：固相的增加和气相的减少都会使 D 减小． 式（2）右端第2项表示采空区的漏风宽度当推进度 较快（ Wf＞1∙5m·d —1）并且采空区和顺槽之间存 在漏风时需要对这一项进行修正．某矿相关参数 取值如下：D＝5～9mWf＝2m·d —1τi＝18～35d 同时考虑到自然发火情况以及扑灭速度等因素因 此该矿埋管时管路出口离工作面的间距可定为 Bs＝30～40m． 向采空区延续注三相泡沫的时间取决于煤炭和 围岩的温度、泡沫的冷却能力以及覆盖采空区的空 间体积和注三相泡沫的流量．可用下式计算防灭火 区域需要连续注三相泡沫的时间： t＝ 1 α1 ln（α1Tk＋α2T0）／（α1Tn＋α2T0）＋ V I （3） 式中α1 为被三相泡沫解除热量参数s —1 ；α2 为漏 风解除热参数s —1 ；Tk 为采空区煤体最高温度K； T0 为流向采空区风流的温度K；Tn 为三相泡沫冷 却后的煤体温度K；V 为采空区的空间体积m 3 ；I 为三相泡沫的流量m 3·h —1． 4 三相泡沫防治煤炭自燃的应用实例 铁法煤业集团大兴煤矿目前开采的 N2703综 放工作面煤层属于易自燃煤层自然发火期短为 1～3个月最短为18d且工作面开采为大倾角俯 斜开采．该工作面于2004—09—22开始开采采空区 于10月25日起开始出现大量 CO于26日取样开 始出现 C2H4情况十分危机此时工作面已推进了 90多 m根本不能准确地判断出高温火源点的位 置．采用预先埋管随采随注三相泡沫管路布置如 图8所示． 预埋管随采随注三相泡沫法就是在标高比较高 的顺槽（N2703回风顺槽比运输顺槽高）预埋2根 10∙16cm 的管路两根管都留好出口．当工作面往 前推进10m 左右的距离后2根管路中留在外面的 一根先注沙形成一道砂墙长度大约为10m高度 就是充填到煤顶板的冒落高度．这样在阻力小的 区域内有砂墙阻挡三相泡沫在采空区的流场就发 生了根本性的变化使三相泡沫能充分覆盖整个采 空区每次在运输顺槽内看到有三相泡沫流出就可 以停止注三相泡沫．根据前面公式可知在 N2703 沿工作面大约注20～24h 的三相泡沫就可完全覆 盖走向半径为25～30m长度为160m 的倾斜方向 的范围． 采用压缩空气作为气相黄泥作为固相井下抽 到地面来的废水作为液相．配制的浆液与灰水质量 比大约为1∶4浆液控制流量为15～20m 3·h —1气 第10期 秦波涛等： 三相泡沫防治煤炭自燃的特性及应用 ·973·
.974 北京科技大学学报 第29卷 三相泡沫管路 出口 综采支架 注砂管路 回顺 顶板 20-30 运顺 平面图 剖面图 。三相泡沫流动方向 一·一10.16cm管路 图8预埋管注三相泡沫方式 Fig.8 Method of pouring three-phase foam in the embedded pipe 量为600m3h1,发泡剂为浆液量的0.5%（质量分 气、注阻化剂等防灭火技术的优点，又充分克服了这 数)[8].于10月30号埋管大量注三相泡沫，连续注 些技术的不足，并具有很好的堆积性、覆盖性和阻化 7d.11月5号上午，可以从综放面支架以及采空区 性，靠大流量的三相泡沫不断渗透、堆积和扩散，能 后面各个地方的煤体裂隙中看到了三相泡沫扩散出 将整个采空区进行覆盖，从而完全可以防治采空区 来，说明三相泡沫均匀充满了整个采空区，并进入了 大面积火灾和不明位置的煤炭自燃、高位火源，在 煤体的裂隙和漏风通道，有效地包裹了整个采空区 大兴矿的应用结果表明，三相泡沫防灭火效果显著 低、高处的的浮煤，封堵了采空区的煤体裂隙，对采 该技术为我国煤矿采空区煤炭自然发火的防治提供 空区内存在的高温火源点进行了有效的控制和扑 了新的手段 灭，采空区C0和温度变化发展趋势如图9所示， 参考文献 800 760 。一采空区C0变化趋势 ◆一采空区温度变化静势 50 [1]邓军，徐精彩，王洪权.新型复合胶体防灭火技术及应用，煤 600 矿安全，2001,32(12)：42 40 400 [2]王德明.矿井防灭火新技术一三相泡沫.煤矿安全，2004， 30 20 35(7),16 8 200 [3]秦波涛，王德明，陈建华，等.高性能防灭火三相泡沫的实验研 10 究.中国矿业大学学报，2005,34(1).11 0 号 [4]秦波涛，王德明，陈建华，等.粉煤灰三相泡沫组成成分及形成 之 机理研究.煤炭学报，2005,30(2)：155 日期 [5]徐精彩.煤炭自燃危险区域判定理论，北京：煤炭工业出版 社，2001：199 图9注三相泡沫后采空区内C0和温度变化趋势 [6]徐燕莉.表面活性剂的功能.北京：化学工业出版社，2000：71 Fig.9 Changes of COand temperature in goaf after pouring three [7]李增华，王德明，陆伟，等.煤炭自燃特性研究的加速量热法 phase foam 中国矿业大学学报，2003,32(6)：612 [8]Wang D M.Qin B T,Liang X Y,et al.A new approach of 5 结论 three phase foam in controlling mine fire//Wang Y H.Ming Sci- ence and Technology(5th).Netherlands:AA Balkema.2004: 三相泡沫兼有了一般注浆、注两相泡沫、注氨 159 (下转第1004页)
图8 预埋管注三相泡沫方式 Fig．8 Method of pouring three-phase foam in the embedded pipe 量为600m 3·h —1发泡剂为浆液量的0∙5％（质量分 数） ［8］．于10月30号埋管大量注三相泡沫连续注 7d．11月5号上午可以从综放面支架以及采空区 后面各个地方的煤体裂隙中看到了三相泡沫扩散出 来说明三相泡沫均匀充满了整个采空区并进入了 煤体的裂隙和漏风通道有效地包裹了整个采空区 低、高处的的浮煤封堵了采空区的煤体裂隙对采 空区内存在的高温火源点进行了有效的控制和扑 灭．采空区 CO 和温度变化发展趋势如图9所示． 图9 注三相泡沫后采空区内 CO 和温度变化趋势 Fig．9 Changes of CO and temperature in goaf after pouring threephase foam 5 结论 三相泡沫兼有了一般注浆、注两相泡沫、注氮 气、注阻化剂等防灭火技术的优点又充分克服了这 些技术的不足并具有很好的堆积性、覆盖性和阻化 性．靠大流量的三相泡沫不断渗透、堆积和扩散能 将整个采空区进行覆盖从而完全可以防治采空区 大面积火灾和不明位置的煤炭自燃、高位火源．在 大兴矿的应用结果表明三相泡沫防灭火效果显著． 该技术为我国煤矿采空区煤炭自然发火的防治提供 了新的手段． 参 考 文 献 ［1］ 邓军徐精彩王洪权．新型复合胶体防灭火技术及应用．煤 矿安全200132（12）：42 ［2］ 王德明．矿井防灭火新技术———三相泡沫．煤矿安全2004 35（7）16 ［3］ 秦波涛王德明陈建华等．高性能防灭火三相泡沫的实验研 究．中国矿业大学学报200534（1）：11 ［4］ 秦波涛王德明陈建华等．粉煤灰三相泡沫组成成分及形成 机理研究．煤炭学报200530（2）：155 ［5］ 徐精彩．煤炭自燃危险区域判定理论．北京：煤炭工业出版 社2001：199 ［6］ 徐燕莉．表面活性剂的功能．北京：化学工业出版社2000：71 ［7］ 李增华王德明陆伟等．煤炭自燃特性研究的加速量热法． 中国矿业大学学报200332（6）：612 ［8］ Wang D MQin B TLiang X Yet al．A new approach of three-phase foam in controlling mine fire∥Wang Y H．Ming Science and Technology （5th）．Netherlands：A A Balkema2004： 159 （下转第1004页） ·974· 北 京 科 技 大 学 学 报 第29卷
,1004, 北京科技大学学报 第29卷 [9]Me L P.Cabe S G.Effect of microst ructure on t he erosion of [10]王新林，石世宏，郑启光.激光熔覆层凝固特征与凝固组织 steel by solid particles.Wear.1985,105:257 控制研究.应用激光，2001,21(3)：164 Microstructure and erosive wear properties of Ni-based alloy coating produced by plasma cladding LIU Shenglin,SUN Dongbai,FAN Zishuan,WANG Guogang,YU Hongying Beijing Corrosion and Protection Center,University of Seience and Technology Beijing.Beijing 100083.China ABSTRACI Using Ni46 alloy powder as the raw material,the erosive wear resistance of stainless steel was im- proved with Ni-based alloy coating onto the stainless steel by plasma cladding.The coating s microstructure was studied and its microhardness was measured using an HVS1000 micro-hardness tester.The erosive wear resis- tance of the coating in a slurry erosion tester was investigated.The results show that the mechanical properties of metal materials influenced their erosive wear resistance:the larger the hardness value of the material is,the better the anti erosive wear properties are.On the same experimental condition,the erosive wear rates of the materials follow this rule:Ni-based coatingOCr13Ni5Mo 1Cr18NiTi.The improvement in erosion resis- tance can be attributed to the solution strengthening of y-Ni matrix and the presence of large amounts of borides and carbides which withstood the impingement of slurry erosion. KEY WORDS Ni-based alloy coating:plasma cladding:microstructure:microhardness:slurry erosion (上接第974页) Characteristics and application of three phase foam in spontaneous combustion of coal QIN Botao,WANG Deming State Key Laboratory for Coal Resources and Mine Safety China University of Mining and Technology.Xuhou 221008.China ABSTRACI The characteristics of three phase foam in mine fire control were introduced,its covering and inhi- bition were analyzed,and experiments on extinguishing the top fire in a porous medium were carried out.The results show that three phase foam can cover the whole goaf and prevent everyw here fire by pervasion and accu- mulation.According to the characteristics of goaf and three phase foam,technical parameters,such as diffused distance of three-phase foam,length between working face and pipe bottom and durative time for spontaneous combustion of coal,were deduced.Based on them,three phase foam was applied in the workface N2703 of Dax- ing coal mine in China,and laying pipes in advance in goaf was carried out.The effect of application shows that three phase foam can successfully prevent spontaneous combustion of coal in the working face. KEY WORDS three phase foam:mine fire control;pervasion;embedded pipe
［9］ Mc L PCabe S G．Effect of microst ructure on t he erosion of steel by solid particles．Wear1985105：257 ［10］ 王新林石世宏郑启光．激光熔覆层凝固特征与凝固组织 控制研究．应用激光200121（3）：164 Microstructure and erosive wear properties of N-i based alloy coating produced by plasma cladding LIU ShenglinSUN DongbaiFA N ZishuanWA NG GuogangY U Hongying Beijing Corrosion and Protection CenterUniversity of Science and Technology BeijingBeijing100083China ABSTRACT Using Ni46alloy powder as the raw materialthe erosive wear resistance of stainless steel was improved with N-i based alloy coating onto the stainless steel by plasma cladding．The coating’s microstructure was studied and its microhardness was measured using an HVS1000micro-hardness tester．The erosive wear resistance of the coating in a slurry erosion tester was investigated．The results show that the mechanical properties of metal materials influenced their erosive wear resistance：the larger the hardness value of the material isthe better the anti erosive wear properties are．On the same experimental conditionthe erosive wear rates of the materials follow this rule：N-i based coating ＞0Cr13Ni5Mo ＞1Cr18Ni9Ti．The improvement in erosion resistance can be attributed to the solution strengthening of γ-Ni matrix and the presence of large amounts of borides and carbides which withstood the impingement of slurry erosion． KEY WORDS N-i based alloy coating；plasma cladding；microstructure；microhardness；slurry erosion （上接第974页） Characteristics and application of three-phase foam in spontaneous combustion of coal QIN BotaoWA NG Deming State Key Laboratory for Coal Resources and Mine SafetyChina University of Mining and TechnologyXuzhou221008China ABSTRACT The characteristics of three-phase foam in mine fire control were introducedits covering and inhibition were analyzedand experiments on extinguishing the top fire in a porous medium were carried out．The results show that three-phase foam can cover the whole goaf and prevent everywhere fire by pervasion and accumulation．According to the characteristics of goaf and three-phase foamtechnical parameterssuch as diffused distance of three-phase foamlength between working face and pipe bottom and durative time for spontaneous combustion of coalwere deduced．Based on themthree-phase foam was applied in the workface N2703of Daxing coal mine in Chinaand laying pipes in advance in goaf was carried out．The effect of application shows that three-phase foam can successfully prevent spontaneous combustion of coal in the working face． KEY WORDS three-phase foam；mine fire control；pervasion；embedded pipe ·1004· 北 京 科 技 大 学 学 报 第29卷