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