粉煤灰在煤矿防灭火的应用研究现状及展望

赵 培，鲁 义，盛真可

(1．煤矿瓦斯与火灾防治教育部重点实验室，江苏 徐州 221116;2．中国矿业大学安全工程学院，江苏 徐州 221116)

粉煤灰是煤粉经过燃烧后，从锅炉烟气中排放出的细灰状残留物，80%左右为飞灰(Fly Ash)，20%左右为底灰(Bottom Ash)，是一种人工火山灰质［1］。近年来，随着国家和企业对矿井防灭火工作力度的加强，通过各科研院所和现场单位的配合，研究出了一系列粉煤灰为基料的防灭火材料。2005年以来，成功研制出一种全新的立体多方位堵漏灭火技术—粉煤灰三相泡沫。本文介绍了各阶段有代表性的以粉煤灰为基料的防灭火材料，以及这些材料在现场具体实际应用中存在的一些问题，并对相应的应用研究，特别是粉煤灰固化泡沫的调配研制提出展望。

1 粉煤灰的物理化学性质

粉煤灰是灰色或灰白色的具有潜在活性的火山灰质粉末材料，其物理和化学性质随燃煤的品种、煤粉的细度、燃烧的方式和温度、其收集和排放方式等的不同，而有所差异。粉煤灰是多种颗粒机械混合的粒群，颗粒粒径在0．5～300μm之间，具有非常大的比表面积，一般为1 600～3 500 cm3/g。粉煤灰颗粒的主要化学成分为Si02，Al2O3和Fe2O3，这3种成分的含量大约占70%以上，其中还含有CaO，MgO等其他氧化物和微量元素，如磷、硼、铜、钼、锌、锰等，也有可溶性盐类，常见的为钾、镁、钠和钙的硫酸盐。它本身略有或没有水硬胶凝性能，但当以粉状及有水存在时，能在常温，特别是在水热处理(蒸汽养护)的条件下，与氢氧化钙或其他碱金属氢氧化物发生化学反应，生成具有水硬胶凝性能的化合物，成为一种增加强度和耐久性的材料。

另外粉煤灰不燃烧，比重为0．7，浸水后体积缩比为0．586。停止流动的灰浆立即脱水沉淀，沉淀后的堆积体具有抗压能力，粉煤灰的颗粒能充填微小裂隙和空洞，具有隔风和堵水作用，粉煤灰的堆积体(失水后)松散易清除，无腐蚀性。

2 以粉煤灰为基料的矿用防灭火材料的应用

2．1 一般粉煤灰浆液

由于粉煤灰化学性质和物理性质都符合注浆防灭火要求，其原理是：将粉煤灰加水合成浆液，通过注浆泵注入火区，充填火区裂隙或空间，减少或杜绝新鲜空气的供给;包裹煤体，防止煤体颗粒氧化生热，带走热量，使可燃物(煤体)的自燃温度或火源温度降至带温状态，起到防灭火作用［2］。粉煤灰，即高炉烟囱灰，已失自燃倾向性，且价廉物美，货源充足，为理想的注浆充填材料。根据注压空间计算所需粉煤灰体积，按比例配备水泥，另准备适量水玻璃。粉煤灰与水泥比例，可视火区范围大小、灾情程度及煤质要求而确定，一般质量比5∶1～8∶1，最高可达10∶1。水玻璃只在遇裂隙，如大巷裂隙或密闭漏浆以及最后封孔时加注，灰浆与水玻璃体积比一般为5∶1～8∶1。浆液浓度，火区、高温点对浆液浓度要求不严。为充分利用水直接灭火，浆液浓度可定为25%左右。在封堵裂隙及封孔过程，浆液浓度可适当加大，一般情况下，浆液浓度为20% ～35%，最浓不超过50%。其配比流程见图1。

图1 粉煤灰浆液调配图

其具有以下优点：1)灭火速度快。粉煤灰属惰性材料，不含助燃物质和可燃物质，不易发生复燃现象。2)密封性能好。粉煤灰可塑性较黄土小，适合充填采空区、煤柱裂隙或空间，增加其密闭性，从而减少漏风。3)脱水快。4)粉煤灰能够成浆，流动性好，有利于管道的水力输送［3］。

2．2 粉煤灰复合凝胶材料

粉煤灰复合胶体材料是以粉煤灰为主体，配合其它具有胶凝增强和提高早期强度的外掺料，以及能改善浆液性能使之满足注浆施工作业要求的外加剂，经特殊加工而成的一种新型注浆材料［4］。该材料与普通粉煤灰浆液相比有流动性好、凝结时间适当、抗压强度较高、结石率高的特点，粉煤灰是具有潜在活性的粉状物质，单独配水不具活性，含水量低，脱水速度快。在粉煤灰水液中加入各种促凝剂后，能使粉煤灰在极短的时间内水化、泥浆化，保水性能大大提高，黏性增大，流动性和渗透性提高。初期具有良好流动性，后期则克服了原有凝胶类抗压不抗拉的特性，固化煤体，增强了封堵能力，能堵住较大裂隙和孔洞。充填作业时，材料经过制浆被注入煤体，浆液渗透到破碎煤体裂隙中，胶结凝固，包裹碎煤，堵塞漏风通道，起到了很好的整体充填封闭作用。同时，由于浆液中含有丰富的游离水可充分湿润煤体，水分蒸发时，可吸收煤体氧化产生的热量，起到降温的效果。另外，复合胶体材料在干燥失水后，再遇水还具有较强的吸水性，且紧固好，不会被灌浆水冲散，克服了化学凝胶、黄泥浆等遇水易流失的问题，可达到长期防灭火的目的，其配比流程见图2。

2．3 一般粉煤灰三相泡沫材料

图2 粉煤灰复合凝胶材料调配图

近年来，中国矿业大学以王德明教授［5］为首的火灾课题组进行了粉煤灰或黄泥、氮气和水形成的三相泡沫材料来防治煤炭的自燃，取得了良好的应用效果，在全国60多个矿井得到了推广应用。粉煤灰三相泡沫是指将粉煤灰与水按照一定的比例混合配成浆液，通入惰性气体(N2)并添加极少量的添加剂，通过三相泡沫发泡器发泡，形成了固体粉煤灰颗粒均匀，附着在气泡壁上的大量富集的含有气—液—固三相的体系。粉煤灰三相泡沫集固、液、气三相材料的防灭火性能于一体，利用粉煤灰覆盖性、氮气的窒息性和水的吸热降温性进行防灭火，大大提高了防灭火效率，其配比流程见图3。

图3 一般粉煤灰三相泡沫材料产生流程图

2．4 粉煤灰固化泡沫材料

针对目前三相泡沫还不能固化，在现有三相泡沫技术的基础上，进一步研制具有较高发泡倍数、能固化且应具有一定强度的三相泡沫材料。在初期对采空区遗煤全方位立体覆盖起到很好的堵漏防灭火功能，后期因其泡沫的稳定性和抗压力特征可以对采空区的充填支护起到一定的作用。粉煤灰固化由粉煤灰、水、黏结剂、悬浮剂、胶凝剂、固化剂等来实现。悬浮剂用量0．15%，黏结剂用量10%，胶凝剂5%［6］。在灌浆站通过地面粉煤灰胶体制备机将粉煤灰、水和水泥按比例混合好，并加入灌浆管网内，在井下充填地点附近通过加剂添加系统将水玻璃加入灌浆管网内，使之固化。它能在采空区大幅度增加，向高处堆积，且凝固时间可调，最后形成了具有抗压能力的轻质固态材料。其特点是不脱水、不污染环境、堵漏效果好，具有一定的支护强度，且成本低廉，其性能却高于凝胶及其它防火材料。其形成的流程图和一般三相泡沫类似，只是其配比中加固化剂，与其他复合添加剂的配方不同。其泡沫微观的形成见图4。

图4 粉煤灰固化泡沫材料形成微观示意图

3 结论与展望

粉煤灰作为热电厂的废气物，利用粉煤灰自身的物理特性，以其为基料研究出了一系列防灭火材料，可将它用于矿井火灾及煤自燃的防治，同时，避免堆积的粉煤灰污染环境，变废为宝。近年来，粉煤灰注浆，复合凝胶，三相泡沫，固化泡沫等材料已经在现场普及，各种配套注浆、发泡工艺系统在煤矿现场均已建成。有效解决了井下采空区充填，防治井下火灾的问题。但是针对不同的矿井条件，应该结合实际采用适合、经济的防灭火材料和技术，在某些复杂条件下，应该综合利用各种材料和技术进行井下的防灭火工作。

现有的防灭火材料也存在一些缺陷，比如普通粉煤灰浆液不易向高处堆积，容易跑浆;粉煤灰复合胶体材料流动量小，时间长了会龟裂，产生有毒气体;一般粉煤灰三相泡沫容易破灭，水分挥发后防火性能减弱;粉煤灰固化泡沫虽然克服了脱水，污染环境，堵漏效果好，且具有一定的支护强度，但是其实际的发泡倍数，固化效果，固化后泡沫的耐压强度等都有待于提高［7－9］。

粉煤固化泡沫将是未来一段时间内的研究重点，作者认为要结合粉煤灰主要的成分组成，选择合适的发泡剂，要能使亲水性的颗粒附着在泡沫上。选择合适的稳泡剂，增稠剂，固化剂，经过实验室的调配组合，进行实验筛选，有必要的情况下要结合化学材料理论自制合成一些表面活性剂。最主要的问题就是发泡倍数和泡沫固化强度的问题，要找出一种合适的固化剂，比如像水泥系列粉煤灰无机固化剂，石灰系列粉煤灰无机固化剂，石膏系列粉煤灰无机固化剂，菱苦土系列粉煤灰无机固化剂等等。至于发泡倍数问题主要是使用各种方法对粉煤灰的活性进行激发。

［1］ 潘 钟，罗津晶，薛姗姗，等．粉煤灰利用的回顾与展望［J］．环境卫生工程，2008，16(1)：19－22．

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［4］ 李 伟，阮国强，李 峰．粉煤灰胶体综合防灭火系统的研究及应用［J］．山东煤炭科技，2004，34(6)：74－75．

［5］ 王德明．矿井防灭火新技术—三相泡沫［J］．煤矿安全，2004，35(7)：16－18．

［6］ 秦波涛．煤矿防灭火粉煤灰固化泡沫的研制及应用［J］．金属矿山，2008，38(4)：139－140．

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［8］ 徐精彩，文 虎，邓 军．凝胶防灭火技术在煤层内因火灾防治中的应用［J］．中国煤炭，1997，23(5)：28－30．

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