惰性阻化泡沫技术防治采空区自然发火研究

李 敬 郭玉印 范宝同

（山东济矿鲁能煤电股份有限公司阳城煤矿，山东 汶上 272502）

目前国内外煤矿采空区防灭火技术主要有灌浆、注凝胶、注惰性气体、均压、阻化气雾等技术。但是这些技术还存在一些不足，如注惰气（主要是氮气）技术，惰气易随漏风流失，不易长时间滞留采空区；注浆技术，浆体易流向地势低的部位且易跑浆，不能均匀覆盖浮煤[1]。生产实践中，需要根据工作面开采实际采取针对性防灭火措施，提高防灭火效果。惰性阻化泡沫防灭火技术在阳城煤矿3306 工作面防治采空区自然发火获得了成功应用，取得了显著效果，确保了工作面安全回采。

1 惰性阻化泡沫防灭火特性

惰性阻化泡沫是由MF-1 防灭火材料（以下简称“阻化剂”）、发泡剂及惰性气体组成，惰性阻化泡沫技术是一种集固、液、气三相材料结合的综合技术。该技术是利用阻化剂对煤体的包裹性、惰性气体的窒息性及发泡剂的稳定性，通过输送装置注入到防灭火区域。同时因为惰性阻化泡沫发泡系数可达到200 倍，可使单位体积的泡沫材料成本大幅降低，进而具有较高的经济效益。

惰性阻化泡沫不仅有阻化剂通过泡沫均匀覆盖煤体阻止氧化的作用，还有惰气泡沫本质稳定性防灭火的优点。

（1）混合发泡剂后的阻化剂通过惰性气体注入采空区，可很快地形成泡沫，泡沫的体积及数量迅速增加，由于该泡沫具有堆积性、稳定性，在区域内向高处堆积并进行大面积扩散，对高、低处的浮煤达到覆盖包裹的作用。

（2）把封装在泡沫中的惰性气体及阻化剂注入采空区或防火区域内，由于泡沫的液膜是由其表面活性剂分子的非极性基础相互吸引形成的吸附膜，使泡沫可较长时间滞留在采空区中，更好地发挥惰性气体惰化换氧的窒息防灭火作用。即使泡沫破碎了，泡沫内具有较强粘度的阻化剂仍可有效的长时间覆盖到煤体的表面上，达到隔绝氧气、阻止氧化的效果。

2 惰性阻化泡沫技术参数的确定

惰性阻化泡沫防灭火技术是一种防治采空区煤炭自燃的新技术和工艺，为达到理想实践效果，还需对以下三个工艺技术参数进行确定：发泡剂的浓度、阻化剂的浓度及压注距离。

以下是通过试验得出的“惰性阻化泡沫”的几个关系曲线[2]。

2.1 发泡剂浓度与发泡能力的关系

图1 发泡剂浓度与发泡能力的关系曲线图

通过图1 可以得出：当发泡剂达到0.03%以上时，发泡能力已经基本稳定，体积在300ml 左右。说明在井下施工压注惰性阻化泡沫时，发泡剂的浓度越高发泡体积不一定越好，而是要找到一个基本点，做好调节工作。这样既能达到快速覆盖高温煤体、隔离空气的防灭火目的，又能节约材料费用。

2.2 发泡倍数与稳定时间的关系

图2 发泡倍数与稳定时间的关系曲线图

通过图2 可以得出：泡沫的稳定时间与发泡倍数成反比，发泡倍数越小，稳定时间越长。在实际应用过程中，根据现场压注距离及空间合理选择发泡倍数，由发泡倍数选定发泡剂浓度。

2.3 阻化剂浓度的选择

阻化剂在选择过程中，由于发泡剂的混合，必将对发泡效果有所影响。通过试验，得出阻化剂浓度与发泡体积关系曲线图，如图3 所示。

通过图3 可以得出，阻化剂浓度与发泡体积成反比，在现场应用过程中，根据发泡体积来选取阻化剂的浓度。

图3 阻化剂浓度与发泡体积关系曲线图

3 惰性阻化泡沫在现场的应用

3.1 3306 工作面概况

3306 工作面位于阳城煤矿三采区下山北翼，回采3 煤层，煤层底板标高位于-743 ～-920m 之间，煤层厚度7.2m，煤层倾角24°～32°。工作面采用走向长壁后退式综采放顶煤采煤方法，工作面倾斜长202m，回采长度677m，现已回采410m。工作面采用上行通风方式，Ⅱ类自燃煤层，最短发火期33d，配有完善的防灭火注氮、注浆系统。

3.2 气体情况介绍

2019 年1 月13 日，工作面在正常回采期间，工作面回风流一氧化碳出现升高现象。到1 月16 日，回风流一氧化碳浓度达到26ppm，回风隅角一氧化碳浓度达到最高78ppm。通过监测，采空区温度高达51℃，一氧化碳浓度达到389ppm。由于回采时间较长，采空区面积较大，不能准确地判断出高温点的位置，若不及时采取措施治理，必将影响工作面安全回采。根据现场情况进行分析，研究提出采用惰性阻化泡沫防灭火技术治理采空区发火隐患。

3.3 现场方案的确定及实施

由于采空区面积较大，为及时有效地消除采空区发火隐患，通过进风隅角提前预埋20m 管路至采空区，另外通过ZLJ537 煤矿用坑道钻机在高位处向工作面50#、100#架后20m 施工钻孔。使用这三套管路同时压注惰性阻化泡沫，迅速惰化采空区环境。惰性气体采取了二氧化碳作为载气，能够更好地长时间滞留在采空区。如图4、图5 所示。

根据3306 工作面回采进度及采空区漏风状态情况，基本参数确定如下：

（1）发泡倍数150～200 倍，稳定时间高于24h；

（2）二氧化碳提供量在600 ～800m3/h，压力为0.5MPa；

（3）惰性阻化泡沫发泡量：600m3/h；

（4）发泡器喷嘴工作压力为0.5MPa；

（5）所需水量为3m3；

（6）阻化剂添加量为200 ～350kg/h；

（7）发泡剂添加量为0.09m3/h。

图4 惰性阻化泡沫流程工艺示意图

图5 现场压注惰性阻化泡沫施工示意图

4 应用效果分析

从2019 年1 月18 日起，惰性阻化泡沫通过三路管路不间断地压注到采空区后，充分发挥了它的特点，在采空区内迅速扩散，并逐步向高处堆积。1 月23 日早班，可以从综放支架后方的煤体裂隙中看到惰性阻化泡沫扩散，说明惰性阻化泡沫已充分地压注到采空区，并很好地包裹了采空区内的遗煤，封堵了煤体间的裂隙。期间通过检测，发现渗透出的泡沫存在温度较高现象，说明了惰性泡沫对高温点具有较好的吸热降温作用。治理期间，合计压注惰性阻化泡沫约150000m3，采空区内温度、一氧化碳下降迅速，基本恢复正常水平，采空区内自然发火隐患得到有效治理，确保了综放工作面的安全回采，杜绝了火灾事故的发生。如图6 所示。

图6 采空区一氧化碳和温度变化曲线图

5 结语

惰性阻化泡沫在采空区内不断地进行扩散、堆积及渗透，可以充分、迅速地将采空区进行覆盖，达到对防火区域惰化、堵漏、窒息、阻爆灭火的作用，可以很好地防治采空区大面积火灾和不明位置的煤体高温氧化自燃现象。该技术在阳城煤矿3306工作面的应用结果表明，惰性阻化泡沫防灭火效果显著，为煤矿采空区煤炭自然发火的防治提供了新的手段。