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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·