二氧化碳三相泡沫防灭火技术应用

李志海

(山西西山煤电股份有限公司西铭矿，山西 太原 030052)

矿井火灾是影响煤矿安全生产的五大自然灾害之一。目前，国内外对治理煤炭自燃发火的技术有大断面通风，快速掘进，加快工作面的推进速度，在自燃发火期之内就采掘完毕;还有灌浆、注惰气等。但是针对易燃超厚煤层综放面，由于综采放顶煤冒落高度大、采空区遗留残煤多、漏风严重，极易发生煤炭自燃。上述技术对矿井安全生产起到了重要作用，但也有诸多不足之处。大量灌浆成本高，而且堆积高度低，容易出现“拉沟”现象;注惰气易随漏风扩散，不能长期滞留，降温效果差［1］。鉴于以上几点，综合气、液、固三种物质特性研制出三相泡沫新技术。通常三相泡沫气相是以氮气为载体，但是CO2在矿井防灭火中有着氮气、烟气等惰性气体无法比拟的优点，因其经济，运输方便、灭火性能好等特点，本文将探讨利用二氧化碳作为气相制备二氧化碳三相泡沫。

1 二氧化碳理化性质及防灭火特点

在标准状态下，气态CO2相对于空气的比重为1.529，密度为 1.976 kg/m3。在常温、常压下，CO2为无色、略带酸味的气体，是一种化学稳定性较高的惰性化合物。CO2本身不燃烧也不支持燃烧，因其稳定的化学性能，所以在各领域将其作为灭火剂而广泛使用。CO2对于控制煤炭自燃发火的机理和优势主要表现在以下几方面:

1)惰化速度快。CO2密度比N2密度大，可快速沉入底部而排挤出氧气，使火区内氧气浓度急速下降。与注氮防灭火相比，对已完全封闭的采空区，使用注氮约需7～10天。而压注液态二氧化碳仅需2天的时间。

2)吸附阻化作用。煤的结构复杂，为含有多种无机矿物杂质并被裂隙切割的多孔有机体，具有较强的吸附能力，可以吸附无机物质如 CH4、CO2和N2等。然而煤对这些物质的吸附能力和吸附速度有所不同，一般具有较高临界温度和沸点的气体可以通过可溶性机理迅速扩散至固体煤的孔隙。

3)成本低。液态CO2成本为600元/t，转化为CO2气体为1元/m3，比N24.87元/m3材料成本节省了3.87元，井上井下注CO2灭火过程需5～7人，工程费用较低。该系统的建立减少了购买制氮机的直接投资，降低了向采空区注惰气的成本［2］。

鉴于上述分析，综合现有防灭火技术，将气、液、固三相结合起来，探讨研究二氧化碳三相泡沫防灭火新技术。

2 二氧化碳三相泡沫组成、发泡原理及特点

2.1 二氧化碳三相泡沫的组成

CO2三相泡沫是一种气体、液体和固体三相混合物。CO2来自地面低温运输槽车，将液态CO2气化成CO2气体，液体为水加4‰～6‰发泡剂;固体为坚实的粉煤灰或黄泥。发泡剂减少了对水的表面张力和粉煤灰或黄泥的物理和化学性质的变化，可以很容易地吸附气泡壁上;依靠自身动力的CO2和浆体，使气、液、固三相混合物通过发泡形成三相高膨胀、时间长及稳定的泡沫。

2.2 二氧化碳三相泡沫的发泡原理

CO2三相泡沫是以CO2为气相，粉煤灰或黄泥为固相，水混入添加剂为液相而形成的混合物。泡沫中的CO2有惰化和抑制爆炸的作用，可以有效固封在泡沫里，以及随后的破裂释放;粉煤灰或黄泥等固体物质为三相泡沫面膜的一部分，可以维持很长一段时间使泡沫破裂后，均匀、稳定地覆盖在煤体上，有效地阻碍煤吸附氧气，以防止煤氧化［3］。

2.3 二氧化碳三相泡沫的特点

与现有的矿井防治技术比较，CO2三相泡沫优势在于同时拥有一般灌浆和注惰性气体火灾防治的特点。泥浆通过注入CO2泡沫，明显地快速增长，在数量和空间积累，可以堆积到采空区高处，也可以覆盖低处的浮煤，以避免底部小道流失现象;在采空区注入CO2可以有效地固封在三相泡沫中，随着泡沫的破灭和释放，并充分发挥CO2惰化和抑制爆炸的效果［4］。粉煤灰或黄泥等固体物质为三相泡沫面膜的一部分，可以使泡沫稳定地保持很长一段时间，待泡沫破灭后，可在煤体上均匀覆盖，有效地阻碍煤与氧的接触，抑制煤的氧化，从而有效地防止和控制煤炭自燃，这是三相泡沫灭火的一个特性。

3 二氧化碳三相泡沫防灭火技术在现场的应用

结合CO2三相泡沫的特点，对一般性封闭采空区煤炭自燃、较大范围采空区火灾和巷道火灾、采空区高位和不明位置隐蔽火源、综放及俯采工作面煤炭自燃的扑灭和预防，效果都十分显著。结合煤矿现场的实际情况，提出了地面打钻、支架后方插花管、沿顺槽采空区埋管和与其它防灭火技术手段(注砂、注凝胶等)相互配合使用的多种注CO2三相泡沫的工艺技术［5］。

1)地面打钻大流量注CO2三相泡沫扑灭特大型火区技术。当采空区发生较大范围火灾，井下无法采取灭火技术手段时，可利用地面打钻大流量注CO2三相泡沫技术，将大量CO2三相泡沫在采空区迅速堆积，快速充满整个防灭火区域，有效地控制和扑灭采空区火灾。

2)巷道打钻大流量注CO2三相泡沫扑灭大范围高冒火区技术。当发生大范围巷道高冒火灾，可利用巷道打钻大流量注CO2三相泡沫，依靠大量的CO2三相泡沫迅速在高冒区中呈三维状向周围运移堆积，包裹、覆盖高冒区内松散煤体;同时泡沫破灭后释放出CO2，充分发挥CO2的惰化、抑爆作用。

3)停采线打钻注CO2三相泡沫防治采空区煤炭自燃技术。对于防治封闭采空区的煤炭自燃，利用在停采线每隔15～20 m打一个钻孔，通过钻孔注CO2三相泡沫，在采空区进行范围覆盖和堆积而捕捉隐蔽火源点。

4)CO2三相泡沫挤压工作面上偶角的瓦斯。采用CO2三相泡沫技术，用CO2三相泡沫挤占瓦斯占据的空间来降低瓦斯的浓度。该法处理速度快，效果明显，这是发展的趋势。

4 结论

通过CO2三相泡沫在现场的应用可以得出如下结论:

1)CO2三相泡沫防灭火技术充分利用黄泥的覆盖性，CO2的窒息性和水的吸热性、降温性来防治煤炭自燃与灭火，并将这三相作为一个有机的整体长时间地保留在采空区，从而更有效地提高了灭火性能。

2)提出了地面或停采线打钻、支架后方插花管、沿顺槽采空区埋管及与其它防灭火技术手段(注砂、注凝胶等)相互配合使用等多种注CO2三相泡沫新工艺，尤其适合大范围采空区或巷道高冒火灾、采空区隐蔽火源及高位火源、综放及俯采工作面煤炭自燃的防治。

3)利用CO2三相泡沫注浆技术防治采空区煤炭自燃，具有成本低、效果好、操作简单的特点。由于CO2三相泡沫发泡倍数较高，单位体积的充填量大幅下降，因而降低了充填成本;由于其具有膨胀性，因而充填材料能向采空区高位煤体空隙浸入，而不是大量灰浆流入工作面。但是，CO2三相泡沫在注浆工艺方面，例如水和灰的配比，注浆的时间和位置，发泡倍数，以及泡沫稳定性等方面还需大量的试验研究。

总之，CO2三相泡沫防灭火新技术与其它各类防灭火技术优势互补，互为补充，具有广阔的应用前景。

［1］秦波涛，王德明.矿井防灭火技术现状及研究进展［J］.中国安全科学学报，2007，17(12):70－75.

［2］王艳军.试论对综放采空区隐蔽火源点防治新技术［J］.中小企业管理与科技，2009(6):33－35.

［3］陆 伟，刘朝文，张青松.泡沫载体技术在煤矿防灭火中的应用［J］.矿业安全与环保，2009，36(Z1):185－187.

［4］陈 晨，齐庆杰.矿井火灾防治技术的发展现状及趋势［J］.煤炭技术，2009(3):21－22.

［5］么大刚.三相泡沫在防灭火技术上的应用［J］.煤矿开采，2009，14(1):96－97.

［6］郭庆凯，彭担任.三相泡沫防灭火机理［J］.山东煤炭科技，2007(5):36－37.