基于防止煤自燃的煤矿防火装置的设计应用 *

郝亚兵

(西山煤电(集团)有限责任公司通风处，山西 太原 030024)

0 引 言

作为煤炭消耗大国之一，我国的煤炭开采量也在逐年急增。我国煤炭存储量虽大，但其存储地质环境比较复杂，工业开采条件相对不便，随着开采量越来越大，矿井开采深度和难度不断增加，开采过程中常常伴随着很多危险因素，其中，火灾发生的可能性极高，我国一半的矿井存在自燃的可能，煤矿火灾事故不仅威胁着开采事业、国民经济的发展，还严重威胁着开采工作者的生命安全，因此开采作业中的防火设施的研究和投入十分重要。笔者研究设计一种胶体阻化泡沫制备装置，通过制备胶体阻化泡沫并将其充分填充至采空区，得到降低采空区氧含量，从而降低煤氧结合[1]，以期解决采空区煤自燃问题。

1 研究方案

1.1 技术路线

随着煤炭开采强度的不断增长，矿井采空区面积越来越大，而采空区正是开采中最易发生自燃火灾的区域。一般采空区环境复杂，面积大，自燃点不易确定，而且由于面积大，很难进行填充，火灾防治效果不理想。文中设计思路是采用胶体阻化泡沫防火，将胶体阻化泡沫填充至采空区，不仅易填充、可达任何角落，而且可以降低环境中氧气含量，可惰化气体，有较好的防自燃防火效果，因此提出通过设计胶体阻化泡沫制备装置而达到防治矿井采空区煤自燃的目标。

1.2 总体设计

采空区发生火灾时由于面积大火源点不易找到，通常用的防火材料堆积性不好，难以填充至整个空间，因此可能到达不了火源处，也就达不到火灾防治作用，因此所设计防火材料、装备必须易堆积、易填充，可达采空区整个空间包括高位空间，且对采空区空间降氧、惰化和堵漏效果明显[2]。此文研究设计的胶体阻化泡沫制备装置具备上述特点。总体设计如图1所示。

图1 胶体阻化泡沫制备装置总体设计思路图

工作时，高压水进入射流比例混合器内形成负压，胶体阻化液被吸入后与高压水混合，在一级、二级发泡装置内与氮气作用充分发泡，最终泡沫输送至采空区进行填充堆积，达到煤自燃防治作用。

1.3 射流比例混合器

射流比例混合器结构图如图2所示。其利用高速流体获取能量和质量，将其按一定比例混合。已知高压水进口压力，高压水流量、吸液量可以确定射流比例混合器其他尺寸及参数。喷嘴直径和喉管直径与压力成正比，猴嘴距和喉管长与压力成反比，扩散管出口直径确定时，其长度与压力成正比。根据分析计算，本文选择黄铜比例式水泡沫混合器[3]。此外，供水压力增加时，喷嘴处负压随之增加，吸附能力将变大，射流比例混合器压力损失率会有变化，根据计算分析，可以设定供水压力在0.8～1.0 MPa之间。

图2 射流比例混合器结构示意图

1.4 装置构件的确定

胶体阻化泡沫制备装置工作中对压力和流量的精确数值要时刻进行测定和控制，常用的压力表和流量计通常独立工作、分别测量，操作难度增加，本文选择带有温差补偿的涡街流量计，安装操作简便且可同时测流量和压力。

喷嘴的选择，工作时胶体阻化混合液经喷嘴喷至发泡网，需均匀喷洒，文中选择螺旋喷嘴，材质为不锈钢，喷嘴喷射角60°、外螺纹直径3/4。发泡网选用不绣钢材质，网目密度选择35目/平方英寸。截止阀选用球型矿用截止阀，内螺纹、内部装有滤网，尺寸为DN25。快速接头选用PC螺纹直通型快速接头，胶管选择相匹配的高压胶管。其他构件按需选择，不再赘述。

1.5 整体尺寸设计

根据选用的螺旋喷嘴的参数，喷嘴到发泡网的距离大致为15 cm，20 cm，25 cm，最佳距离取20 cm ，结合喷射角度60°，计算发泡室外观直径：

分别计算得出发泡室外管直径为60cm。胶体阻化泡沫制备装置设计结构图如图3所示。

图3 胶体阻化泡沫制备装置结构图

2 应用测试

2.1 抑制煤氧化试验测试

准备适量原样煤分为两部分，一部分保持原状不变，另一部分经胶体阻化泡沫处理，对两者进行升温加热，通过测定不同温度下两者的耗氧率、各种标志性气体的生成量、临界温度、放热量等现象[4]，总结胶体阻化泡沫在防治煤自燃中的作用。实验装置如图4所示。

图4 试验装置图

通过试验测试发现，经过泡沫处理的煤样耗氧速率明显降低，原煤耗氧率突增的临界点为80 ℃，而经处理的煤样的耗氧率突增临界点为110 ℃，使临界温度提高30 ℃。同时对原煤样CO产生量在80 ℃时发生，80℃之后明显加快，经处理的煤样CO产生量突增临界点为100 ℃，表明胶体阻化泡沫有效抑制了煤氧结合，降低了CO产生。CO2产生量突增临界点由60 ℃提升至90 ℃，此外经过处理的煤样的CH4、C2H4、C2H6的产生量也明显低于原煤样，经过处理的煤样的干裂温度提高了大约20℃。

2.2 工业测试

设计完成后，在某煤矿的7309工作面对所设计装置进行了工业试验，该工作面在回采期间停采了一段时间，利用停采时间并选择环境适宜的时间进行了实际测试。

试验时，利用设计的胶体阻化泡沫制备装置向采空区压注泡沫。井下高压水做为动力条件，经过图2所示的各环节，产生胶体阻化泡沫并注入至防火区域。胶体阻化泡沫在工作面横向扩散至约10 m，且管路内少有溢出，且具有良好的堆积性，基本接顶。

泡沫注入前，采空区最初CO浓度维持在稳定值，CO2浓度也是小范围增加，基本稳定，某日CO浓度迅速增加，之后CO2浓度随之增加。在注入胶体阻化泡沫后，CO、CO2浓度迅速减少，最终数值接近0并保持稳定。说明胶体阻化泡沫对防治煤自燃有显著效果，且泡沫制备装置设计由井下高压水和N2作为动力，安全可靠、便于使用，此外胶体阻化泡沫还同时具有良好的填充、堆积效果。

3 结 语

根据煤矿采空区火灾的特点，提出设计胶体阻化泡沫制备装置对采空区煤自燃进行防治。

(1) 根据采空区自燃火灾特点，给出设计思路，进而提出胶体阻化泡沫制备装置的总体结构设计，通过逐一确定各构件的型式、结构和参数，最终得出装置的结构图。

(2) 对所设计的胶体阻化泡沫制备装置进行试验测试，通过分析特定气体变化现象，得出本装置具有良好的防治煤自燃的作用。

(3) 利用某矿7309工作面的停采时间，对设计的胶体阻化泡沫制备装置进一步进行了实际工业测试，测试表明本装置安全可靠，简单易操作，填充堆积有效，防治煤自燃效果良好，在矿井采空区煤自燃防治方面有良好的应用价值。