高倍阻化泡沫治理大空间巷道煤自燃火区工程实践

陆新晓 王德明 朱红青 胡 超 赵鸿儒

(1. 中国矿业大学(北京)资源与安全工程学院，北京市海淀区，100083；2. 煤矿瓦斯与火灾防治教育部重点试验室，江苏省徐州市，221116)

煤炭自燃是煤矿生产中的主要灾害之一，我国55%的矿井存在煤炭自燃危害，每年因煤炭自燃造成的损失高达数百亿元，还易诱发火灾与瓦斯爆炸事故。煤炭自燃存在火源隐蔽、过火面积大、火区呈空间立体分布的防治难点，目前，国内外多采用灌浆、惰气、阻化剂、胶体等防灭火技术和材料，这些技术对保障煤矿安全生产起到了重要作用，但也存在不足。如浆液重力大，在采空区只沿着地势低的地方流动，不能向高处堆积，无法均匀覆盖煤体，且渗流范围小，扩散能力弱；惰气随漏风逸散，不易滞留在燃空区，灭火周期长，惰化效果差，灭火降温能力弱；阻化剂对防止煤体复燃效果显著，但治理范围有限，且部分阻化材料易腐蚀井下设备；胶体流量偏小，成本高，扩散范围小，部分高分子胶体还易产生有毒气体(如NH3)，危害矿工身心健康。

高倍阻化泡沫治理煤炭自燃是以流动性好、堆积性强、粘附性大的高倍泡沫为载体，以惰气为充填材料，将阻化剂输运到一般液固介质难以到达的高位火源区域，然后利用水的冷却性、氮气窒息性和发泡剂的阻化性抑制煤炭自燃，实现对大空间高位隐蔽火源的快速治理。高倍阻化泡沫以其流量大、扩散堆积性好的优点，已被认为是扑灭大空间隐蔽火源的重要选择。

阻化泡沫的高效制备是决定泡沫灭火效果的关键，煤矿现场复杂的作业条件，使得现有泡沫制备装置在进行灭火时存在一定局限性，主要体现在泡沫发生装置结构设计不合理，产生泡沫发泡倍数低和发泡量小，很大程度上制约了泡沫的高效快速灭火。为此，亟需研发一种能够满足煤矿高效灭火的泡沫发生装置，解决大空间火区的防治难题。

1 螺旋射流式泡沫发生装置

大空间巷道火区高倍阻化泡沫工艺流程如图1所示，在高压水的作用下，发泡剂(含阻化剂)被引射进入添加装置，混合形成的均匀泡沫液进入发泡装置，在发泡装置内，气液两相进行能量及动量交换，形成直径均匀的大流量高倍泡沫群，经钻孔或预埋管路被灌注至巷道火区内，泡沫充填覆盖大空间火区，进行快速灭火降温，其中，该灭火工艺系统的关键核心是发泡装置的设计。

根据发泡装置在煤矿灭火应用中的特殊环境，提出了气液射流混合与网式发泡的设计思路，并基于此研发新型泡沫发生装置，在装置的设计过程中，从以下4个方面提高泡沫发生装置性能：(1)利用射流混合结构，合理匹配气液供给压力，减少混合损失；(2)采用螺旋喷头雾化泡沫液，提高泡沫液喷射雾化效果与扩散范围；(3)采用多层复合凹面网，提高网面上泡沫液吸附效率；(4)采用扩散结构，提高泡沫发生装置出口驱动能力。

新型螺旋射流式泡沫发生装置结构如图2所示，实物图如图3所示。

图1 灭火泡沫制备工艺系统

图2 螺旋射流式泡沫发生装置结构图

图3 螺旋射流式泡沫发生装置

装置水平进口采用快速接头形式与井下进水管路相连，射流喷嘴内腔呈圆锥形渐缩状，前端布置有阶梯型螺旋喷头，内腔为畅通流线型，垂直方向为压风进口，压风接头与连接室相连，连接室与扩散器通过法兰连接，特制的双层复合凹面网由螺母固定在扩散器丝杆上，扩散器和泡沫分配器通过法兰连接，根据现场的实际需求，分配器数量设计为2～4个。

设计的新型螺旋射流式泡沫发生装置整体长度500 mm，射流部分长200 mm，出口直径300 mm。螺旋喷头安装在射流喷嘴的最前端，螺旋喷头呈环腔螺旋结构，外部有多个逐渐减小的喷淋分层界面，内腔为畅通流线型，液体通过与连续变小的螺旋面发生强烈的界面剪切和分子碰撞后，雾化为小液滴，螺旋结构增大了喷口的出流断面，最大程度减少了液体堵塞，在井下复杂水质环境中的适用性更强。

装置采用气液射流低阻混合、螺旋喷头分层雾化、双层复合凹面网高效吸附耦合机制进行发泡，产生的泡沫成泡率高、发泡倍数高、流量大，具有操作方便、体积小、重量轻、使用灵活的显著优点，而且装置内部无任何复杂运动部件，阻力损失小，可靠性高，突破了传统泡沫发生装置在应对煤矿现场恶劣作业环境时，气液混合损失大、发泡效果差、适用性不强的技术瓶颈，尤其适合于煤矿大面积自燃空间所需灭火泡沫的大流量制备。

2 矿井大空间巷道火区形成特点

本文从某煤矿的现场灭火实际出发，分析矿井大空间巷道火区形成过程及特点。该矿自然发火期为3～6个月，属瓦斯矿井，火情最早于上副巷废弃的溜煤眼处发现，伴随有烟雾及明火，并闻到上副巷与上联巷的交叉处有木垛燃烧的气味，之后救护队开始对火区进行4道(1#、2#、3#、4#)封闭，并完成了对2#、3#永久密闭墙的施工和对4#密闭墙及附近巷道的喷浆堵漏工作。在随后的一个月里，对火区内气体重新进行取样分析，4#密闭墙内CO浓度已达3.1002%，C2H4浓度0.0019%，CH4浓度0.67%，火区内CO浓度越积越多，回风上山中的CO浓度已经达到0.0028%，高出了《煤矿安全规程》对CO浓度规定的上限，严重影响了矿工安全，并且密闭漏风，瓦斯不断积聚，瓦斯爆炸的危险性不断上升，火区治理迫在眉睫。

图4 巷道火形成示意图

图4为此次巷道火的形成过程，风流由下向上，从三部胶带巷通过溜煤眼进入上部回风下山，溜煤眼已长时间废弃不用，但由于部分碎煤遗留在废弃溜煤眼，造成溜煤眼遗煤极易自燃，随着溜煤眼处煤体被烧完全，燃烧区域开始向周围扩散，由于上联巷、溜煤眼与上副巷形成的三角煤柱，煤层薄，煤体松散，溜煤眼内自燃的煤体很容易引燃松散的三角煤柱区域，上副巷为全煤巷，燃烧的溜煤眼和三角煤柱区加剧了上副巷顶板冒落带煤体自燃，使煤层顶板燃烧垮落坍塌，并在上副巷内不断堆积，形成大面积多孔介质高温火区；之前在上副巷内采用木垛和编织袋充填以防止漏风，由于火区沿风流向回风下山发展，堆积的木垛已被完全引燃，造成三角煤柱内靠近木垛侧的煤柱被烧穿，形成松散煤柱燃烧带。启封后也发现，距废弃溜煤眼往回风下山区域，有大面积煤体塌方形成的空洞区域，巷道内垮落非常严重，而且随着燃烧进行，上副巷顶板煤体冒落加剧，巷道火沿顶板向回风侧发展。

3 大流量高倍阻化泡沫灭火实施工艺

3.1 钻孔施工方案

根据巷道火区特点和灭火泡沫灌注方式，决定通过实施钻孔进行大流量泡沫的灌注，共在火区内设计1#、2#、3#3个灭火钻孔，钻孔终孔位置均落在上副巷冒落带，钻孔长度分别为35 m、25 m、19 m，其中1#钻孔打向靠近溜煤眼处的顶板冒落带，2#钻孔打向上副巷中间的顶板冒落带，3#钻孔打向上联巷与上副巷相交的顶板冒落带，具体的钻孔位置如图4中的标识。

由于火区较大，泡沫在高温下破裂较快，需要始终保证泡沫的连续灌注，而溜煤眼处于上风侧，是火区治理的主要区域，因此靠近溜煤眼的1#钻孔是火区治理的首选灌注地点，同时为了保证大空间巷道火区的快速治理，在对溜煤眼火区治理到一定程度后，需更换灌注钻孔，为此确定了高倍泡沫灌注顺序为：先集中灌注1#和2#钻孔，随后灌注2#和3#钻孔，最后灌注1#和3#对溜煤眼进行彻底治理。

3.2 泡沫灌注工艺

在构建大流量泡沫灭火系统时，首先将供水和压风管路引至轨道下山与回风下山联络巷内两道风门靠近轨道下山侧，即水仓泵房附近，并在此处安装供液管路和供气管路的球阀和流量计等测试仪表进行远程安全调控灌注，为保证大流量泡沫高质量地灌注到高温火区，在发泡装置出口与钻孔之间设计了耐高压透明胶管，根据透明胶管内泡沫的流动形态，对工况进行调控，发泡装置及高压胶管均放置在封闭火区4#密闭巷道口附近。

全部装备安装完成，进行了灌注前的相关调试工作，防止灌注过程中出现漏气及漏泡沫，根据透明胶管内泡沫流动形态，调整发泡系统运行工况，水量4 m3/h，氮气流量300 m3/h，发泡剂添加比例为0.5%，出口产泡量约250 m3/h，发泡倍数约70倍，该泡沫量及发泡倍数足够满足现场对泡沫灭火需求。随后正式启动大流量泡沫灌注系统，进行灌注，泡沫在透明胶管内的流动如图5所示，形成的泡沫致密，流动性非常好，灌注过程中未出现分层及不满管的情况，在进行泡沫灌注21 d后，停止灌注。

图5 泡沫钻孔灌注效果

4 灭火效果考察

在灌注泡沫的过程中，为深入考察泡沫灭火技术对巷道空洞火区的灭火效果，了解灭火降温过程中火区温度及指标气体CO的变化规律，选取3#密闭和4#密闭观察孔作为取样地点，采用铠装热电耦及数字式测温仪测温，球胆及多种气体采样器、气相色谱仪等仪器设备测试CO浓度，测试每隔1～2 d进行一次。

4.1 火区温度变化

灌注泡沫之前，火区温度很高，在灌注泡沫的21 d内，4#密闭内温度由128.7 ℃降至14.3 ℃，3#密闭内温度变化不大，由24.4 ℃降至14.0 ℃，4#密闭内的温度始终高于3#密闭内温度，如图6所示。主要原因是3#密闭处于下水平的三部胶带巷，离火区较远，4#密闭靠近高温火区，热量散失的较慢，但随着火区被扑灭，火区热量逐渐扩散至3#密闭，因而在泡沫灌注过程中的部分时间段内，3#密闭温度有上升趋势，停止泡沫灌注后，最终1#钻孔、2#钻孔、3#钻孔、3#密闭、4#密闭内的温度的均处于20 ℃以下，通过测试4#密闭底部流出的水温，发现其接近井下正常水温，表明燃烧的高温火区已得到了根本控制。

图6 泡沫灌注过程中密闭墙内温度变化

4.2 火区CO浓度变化

由于在治理该火区之前，封闭区内已燃烧了一个多月，不仅火区温度高，CO浓度也非常高，4#密闭CO浓度已达3.1002%，是《煤矿安全规程》规定的1292倍，表明火区内正进行着剧烈的大面积燃烧。持续灌注泡沫21 d后，4#密闭CO浓度由3.1002%降至小于0.0006%，由于3#密闭距离火区较远，CO浓度较低，变化不明显，但在灌注泡沫的1月12和14日，CO浓度出现了小幅回升，升至0.08277%，如图7所示，这主要是由大量的泡沫灌注将上副巷火区内的CO排挤至下部胶带巷内引起的，随着后期火区被完全扑灭，最终3#密闭CO浓度也低于《煤矿安全规程》规定值。

图7 泡沫灌注过程中密闭墙内CO浓度变化

之后一个月内，经复查，封闭火区内温度、CO浓度及其他指标气体浓度均符合《煤矿安全规程》规定的启封条件，矿方决定对火区进行启封，并对封闭空间内的巷道壁面进行喷浆，大流量泡沫技术的实施确保了启封过程的安全，未发生一起伤亡事故，安定了人心，稳定了队伍，该治理技术及经验丰富和发展了我国煤矿火灾防治理论与技术体系，推动了煤炭行业防灭火领域的科技进步。

5 结论

(1)设计了新型螺旋射流式泡沫发生装置，装置采用气液射流低阻混合、螺旋喷头分层雾化、双层复合凹面网高效吸附机制进行发泡，产生的泡沫成泡率高、发泡倍数高、流量大，且可进行远距离高阻传输，具有操作方便、体积小、重量轻、使用灵活的特点，非常适合于井下复杂条件下防灭火的技术需要。

(2)从灭火现场的实际出发，分析了矿井大空间巷道火区形成过程及火区特点，并针对性地提出了灭火钻孔实施方案及泡沫灌注工艺，通过现场调试，确定了发泡系统最佳的运行工况为水量4 m3/h，氮气流量300 m3/h，发泡剂添加比例为0.5%，出口产泡量250 m3/h，发泡倍数70倍。

(3)大空间巷道火区高倍泡沫灭火实践表明，在实施泡沫灌注后，密闭内温度由128.7 ℃降至14.3 ℃，CO浓度由3.1002%降至0.0006%以下，温度和CO浓度均达到了《煤矿安全规程》启封要求，高倍泡沫灭火的成功实施，有力地确保了大空间巷道火区的安全启封。

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