矿用防灭火固体泡沫材料试验研究

贾鹏辉

（山西西山晋兴能源有限责任公司 斜沟煤矿，山西 吕梁033602）

0 引 言

由于近些年来我国采煤技术的飞速发展，特厚煤层放顶煤开采及瓦斯抽采技术取得空前进步，工作面开采后采空区遗煤较多，自然发火问题越发凸显[1-2]。根据最近的统计结果，我国开采的煤层90%以上属于自燃煤层或者易自燃煤层，因自然发火引发的矿井火灾达到总数的85%以上[3]。在25个主要产煤大省里，共有130个以上矿区因煤层自然发火问题而受到不同程度的影响，宁夏宁东矿区、陕北神东矿区等地方每年都发生因为自然发火引发CO浓度超限的问题[4]，每年给矿井造成巨大的经济损失，甚至发生人员伤亡事故[5-6]。

为有效防治煤炭自然发火，科研人员开展了大量的试验研究，研究出的防灭火技术有，阻化剂、注惰气、泡沫树脂、预防性灌浆、凝胶等[7-11]，但这几种防灭火技术也存在不足。比如阻化剂不易均匀分喷洒在煤体表面，腐蚀井下设备，影响工作人员的身体健康；注惰气降温灭火效果差，注氮机需经常维护，惰气伴随工作面漏风扩散[12]；胶体防灭火材料多数为铵盐类构成，易反应产生有毒气体—氨气，胶体材料的防灭火成本较高；预防性灌浆扩散区域有限，只能沿着地势低的地方流，很难流向地势高的地方，浆液很难均匀覆盖浮煤，堆积效果差，易产生“拉沟”现象，易跑液和溃浆[13]；固体泡沫充填密闭时只需将2种原料充分混合注入井下，简单易行，可有效封堵漏风地点，封闭效果好，同时具有固化前流动性好、固化后粘结性强、堆积性好且凝固速度可调控、价格低廉等优点[14]。因此，本文通过实验研究，改变固体泡沫2种材料的配比以得到最大发泡倍数，在斜沟煤矿23103尾巷进行现场实践，以提高矿井火灾防治效果。

1 添加沙前后固体泡沫的发泡试验

1.1 试验方法

将规定量的原料A和发泡剂B通过注射器吸至模具里，同时将直径2 mm的沙子添加到模具里，之后搅拌直至均匀，等到原料A和发泡剂B完全发泡凝固成型之后，根据阿基米德原理实测泡沫的总体积，同时根据发泡倍数的计算公式：发泡倍数=（样品总体积）/（沙子体积+原料总体积）核算原料A和发泡剂B的发泡倍数。

1.2 未添加沙时固体泡沫的发泡试验

想得到在配比不一致的条件下原料A与发泡剂B的发泡倍数，按照不同配比把原料A与发泡剂B随机划分为18组开展试验研究。试验数据见表1，利用数值软件生成发泡倍数和不同配比之间的变化曲线如图1所示。

图1 发泡倍数与不同配比之间的曲线Fig.1 Curve between foaming ratio and different ratio

表1 固体泡沫在未添加沙时的发泡数据Table 1 Foaming data of solid foam without adding Gaza

从图1中可以看出，随着A料和B料配比的变化，固体泡沫的发泡倍数先是升高接着下降，曲线形状是抛物线，曲线有个峰值点，即当A料和B料为1∶1.2的配比时，固体泡沫的发泡倍数达到最大，最大发泡倍数是16.83。所以为了确保固体泡沫达到最大的发泡倍数，选择A料和B料的最佳配比为1∶1.2即可达到目的。

1.3 添加沙子之后发泡特性研究

设置A料和B料为1∶1.2的配比时，分成15组样品开展试验，研究当含沙质量分数不同时固体泡沫的发泡倍数。通过搜集整理得到相关实验数据，具体见表2。依据实验数据利用数值模拟软件得到固体泡沫发泡倍数与含沙质量分数之间的变化曲线，如图2所示。

图2 固体泡沫发泡倍数随着含沙质量分数的变化曲线Fig.2 The change curve of solid foam foaming ratio with the content of sediment

从图2中看出，伴随含沙质量分数的变化，固体泡沫的发泡倍数开始产生明显的变化，总体变化趋势为先增后减。通过表2实验数据得到，第20号和21号试验样品产生的发泡平均倍数是14.211，其样品的含沙质量分数是22.73%；第22号和23号试验样品产生的发泡平均倍数是14.229，其样品的含沙质量分数是27.27%。因此当样品中的含沙质量分数达到25%时，固体泡沫具有最大的发泡倍数，最大发泡倍数可达到14.220。

表2 含沙质量分数不同时发泡倍数试验数据Table 2 Test data of foaming times with different content of sand

1.4 添加沙子前后固体泡沫的成本核算

在开展成本核算之前先要获得试验用的原料A、原料B和沙子的密度，通过测试计算得到，原料A的密度ρA=1.045 7 g/cm3，原料B的密度ρB=1.133 9 g/cm3，沙子的密度ρs=1.351 g/cm3。计算3种材料的价格，按原料A和B的单价为3万元/t核算，沙子的单价为40元/t，同时采用K这一修正系数以缩小因测定体积而引起的误差，K由一组数据中最小体积与平均体积及最大体积与平均体积相比得到，它是一个比值；得到以上数据后核算在添加沙子和未添加沙子后封堵体积空间Vm3时所花费的成本。

（1）未添加沙子时原料A∶B为1∶1.2，16.83的发泡倍数时，通过核算得到K是1.026，那么：

（2）添加25%沙子后沙子体积占到总体积的20%，在原料A∶B为1∶1.2，14.220的发泡倍数时，通过核算得到K是1.02，那么

根据以上核算发现当原料A∶B为1∶1.2时，未添加沙子封堵体积空间V/m3时，所产生的成本C1是1 999.9 V元；添加25%沙子时，所生产的成本C2是1 892.4 V元，显而易见加沙后成本降低，C2＜C1。所以当矿井封堵工程量较大时，可通过向原料中增加黄沙的手段以减少成本。

2 现场实践

斜沟煤矿23103尾巷开采结束后由于矿压显现、垮落严重，在工作面后方100～200 m工作人员难以靠近，一直无法进行封闭。为了提高风量利用率，减少漏风，阻止采空区遗煤自然发火，采取固体泡沫来封闭后部采空区。

（1）试验开始之前将发泡时间调好，以确保喷枪喷出后才开始发泡[13]。

（2）等管路与泵体连接好后，利用卷尺测出所用高压管的尺寸，得到其直径为13 mm，长度为18 m。

（3）试验地点（固体泡沫发泡封闭采空区处）的巷道形状为矩形，通过测定其宽度是2.2 m，高度是1.2 m，得到断面积S是2.64 m2。

（4）两个地点人员就位后，接到启动命令后，外侧人员启动机器开始吸取液体，同时记录好泵的压力P、注液流量Q以及开始注液时间T1，具体为T1=10:48:41，P=1 MPa、Q=13 L/min；里侧人员把喷枪喷出液体时间T记录好，具体为10:48:54。

（5）封严巷道后，将泵停运，记录好停泵时间T2是11:16，共计注液25 min。共用泡沫液体的重量m是0.5 T，计算得到注液速度v是20 kg/min。

（6）回收所有的设备，试验结束。

利用上述参数根据ρ=v/Q和V1=m/ρ核算得到，使用防灭火材料的密度ρ是1.55 kg/m3，体积V1是0.32 m3；根据该种材料的发泡倍数为16倍，因此所用的泡沫体积增大到5.17 m3；依据h=V/S和v1=L/（T-T1），泡沫墙的厚度h是1.96 m，液体通过管路时的流动速度v1是1.64 m/s。由上述计算发现，密闭斜沟煤矿23103尾巷采空区过程中，需要使用的注液泵的压力要达到1 MPa、注液管路的直径需要达到13 mm的高压胶管才可满足长距离输送泡沫的要求，管路中输送泡沫的速度是1.64 m/s才可满足要求。结合上述理论和试验结果，开展斜沟煤矿23103尾巷采空区密闭工程，在23103工作面正常回采时，总计消耗20 t的固体泡沫。共计构筑15道挡墙，强化喷射5道密闭墙，封闭堵漏23103尾巷密闭10道及封闭联络巷10道。23103工作面开采完成后，对其两巷相关的巷道进行封闭，总计构筑12道密闭墙，这12道密闭墙全部注入并喷射固体泡沫。在封堵23103工作面时瓦斯涌出量和风量的变化情况见表3。

在封堵23103工作面时，瓦斯浓度和涌出量显著减少，封堵前瓦斯浓度为1.83%，封堵后瓦斯浓度为0.49%，封堵前瓦斯涌出量为4.87 m3/min，封闭后瓦斯涌出量为1.35 m3/min，降低了72%。因此封堵23103尾巷后堵，能够有效降低23103工作面采空区漏风，显著减少采空区瓦斯浓度和涌出量。所以实施固体泡沫封堵采空区安全措施可有效保障23103工作面安全高效回采，对开展工作面防灭火工作极为有利。从表3中得到在封堵23103工作面时，相比封闭前瓦斯涌出量出现增加现象，瓦斯涌出量增大了0.32 m3/min，灌注和喷涂泡沫后瓦斯涌出量发生显著减少，降低到1.35 m3/min。原因是在开展灌注和喷涂固体泡沫封闭23103工作面时，显著减少了采空区风量，23103工作面的风量通过联络巷到达23103尾巷，把之前积存在联络巷内部的瓦斯排放出来，使得在封闭过程中的瓦斯涌出量出现短暂性升高现象。

表3 封堵过程中风量和瓦斯量记录Table 3 Air volume and gas volume records in the plugging process

3 结 论

（1）通过开展固体泡沫防灭火材料发泡特性试验研究，发现当原料A和B的配比为1∶1.2时，固体泡沫材料能够产生最大发泡倍数，达到16.83。

（2）在原料A、B最佳配比1∶1.2条件下，通过向固体泡沫中添加黄沙以研究发泡倍数，发现当固体泡沫的含沙百分比达到25%时，固体泡沫可产生最大发泡倍数，达到14.220。

（3）通过分析在固体泡沫材料中添加沙子和未添加沙子时封堵体积空间V m3所花费的成本，表明固体泡沫材料加入黄沙后不但满足封堵效果，而且减少了防灭火成本。

（4）在斜沟煤矿23103尾巷现场实践表明：固体泡沫材料可将漏风通道快速封堵，明显减小采空区自然发火的危险，且封堵成本较低，具备良好的防灭火效果。