矿用防灭火材料的特性综述*

熊珊珊 田兆君,2 禄 伟 银亚飞

1.湖南科技大学 资源环境与安全工程学院 2.煤矿安全开采技术湖南省重点实验室

矿用防灭火材料的特性综述*

熊珊珊1田兆君1,2禄 伟1银亚飞1

1.湖南科技大学 资源环境与安全工程学院 2.煤矿安全开采技术湖南省重点实验室

本文综述了常用防灭火材料（阻化剂、惰性气体、胶体以及泡沫载体）的研究现状，指出了其防灭火性能及其特点，并总结了影响其防灭火特性的因素，意在引导今后改善防灭火性能的方向，推动防灭火技术的发展，促进煤炭的安全开采。

煤炭；防灭火材料；性能

我国能源资源条件的特点：富煤、少油、缺气，这就决定了煤炭在未来相当长的时间内仍将占我国能源结构的主体地位[1-2]。据预测，2020年全国煤炭需求量将达48～53亿吨[3-4]。随着煤炭市场的扩大，煤炭产量的不断增加，以及矿井开采深度、强度的增大，矿井安全事故也会越来越多。矿井火灾因其对煤炭行业的物力、人力、财力造成了重大伤害，成为了安全开采煤矿的瓶颈之一[5]，其中煤炭自燃造成的事故伤害所占的比例最重，成为整个矿山损失的主要源头[6]。针对上述情况，如何有效的对煤自燃采取预防和治理措施，对于煤矿的顺利开采起着关键性作用。随着防灭火技术的发展，防灭火措施在不断完善，特别是在防灭火的材料上，就目前总体来看，矿井火灾的防治技术主要集中在阻化剂、惰性气体、胶体、泡沫载体四种。笔者在丰富阅读文献研究的基础上，对几种矿用防灭火材料的研究现状进行了简单概括，并对不同种类材料的防灭火性能进行一定的总结，指出了影响其防灭火性能的因素。有利于为下一步的实证对比分析提供基础，意在指导防灭火材料的研究以及开展防灭火实际工作时材料的选择，推动煤炭的安全、健康、绿色开采。

1 阻化剂防灭火

阻化剂主要是通过降温、隔氧、阻断自由基来防止煤自燃，郑兰芳[7]对几种盐类阻化剂的抑制性能进行了实验，得出碳酸氢铵（NH4HCO3）和氯化镁(MgCl2)的阻化率超过了88%，；磷酸二氢铵（NH4H2PO4)的阻化率则在75%以上。战婧[8]通过一些阻化试验证实了磷酸钠（Na3PO4）对煤样的热解速率有着显著的降低作用，氯化铜（CuCl2）成功地降低了该反应显著发生的起始温度,并抑制了其平行氧吸附反应的发生。王德明等人[9]用原位红外光谱来分析抑制煤自燃的化学抑制剂对煤表面官能团的分布和浓度的变化进行了实验研究。窦国兰[10]等利用交叉点温度、低温氧化耗氧量和一氧化碳释放速率说明了儿茶素和PEG200添加剂对煤氧化的抑制。

在实际应用中，预注阻化剂，能软化护顶煤，降低粉尘浓度，提高工作面的回采次效率，且施工相对比较简单，投资少。但其具有腐蚀性，对井下的设备和工人的身体会造成损害，会造成地下水的污染，而且不能均匀的覆盖在煤体表面，其覆盖在煤表面的液膜容易蒸发，阻化时间短，大面积灭火的效果欠佳，其防灭火效果主要受其浓度的影响。

2 惰性气体防灭火

气态惰性介质的防灭火效果主要是依靠它的贫氧窒息作用，液态惰性介质的防灭火作用主要体现在汽化降温和隔氧。邢叶红[11]对氮气的防灭火技术做了深刻的研究，包括其原理、设备装置及其应用。张超[12]阐述了二氧化碳的防治煤自然的机理、对采空区自燃“三带”和瓦斯抽采变化的影响进行了实验模拟研究。张长山[13]等人揭示了液态二氧化碳的防灭火机理以及设计了液态二氧化碳罐装储运设备。周福宝[14]等人提出了直接液氮灌注灭火新工艺解决效率低、线路堵塞等问题。

对于惰性气体而言，具有流动性，容易扩散，简单易行，快速有效，但液态惰性气质具有惰化率特别高、安全性高、抑爆作用明显、成本价格低、防灭火速度快等特点。由于现阶段对于液态介质的制取与运输过程中的储存不够理想，液态惰性介质产生的冷缩应力极易损坏输送管路，甚至爆管；同时，液态惰性介质在长距离输送过程中已经大量汽化；地面钻孔液态惰性介质灌注工艺在实际应用中主要还存在低温液体泵的选择、地下水的影响等问题。

3 胶体防灭火

胶体的组成成分主要是具有吸水膨胀作用的基料、微量复合剂和促凝剂。在胶体形成中，基料（高分子，粉煤灰等）会吸收大量的水，从而具有保水降温的作用。赵建国[15]以粉煤灰和水泥作为骨料，水玻璃为集料，以羧甲基纤维素为分散剂制备出防灭火性能好的三元复合胶体。徐永亮[16]介绍了一种由无机凝胶和有机聚合物组成的新型悬浮胶体复合材料。

胶体的防灭火性能主要体现在：渗透和堵漏性:基料与水混合合成胶体后，具有一定的流动性，可以封堵煤块之间及其内部的空隙，有效的隔绝氧气；热稳定性：基料与添加剂的分散系在温度非常高的情况下，依旧能保持完整性，不会轻易熔化、破裂，即使干裂，及时补充水亦可恢复；吸热性能和保水性能：胶体的主要含量还是水，故具有水的蒸发吸热作用，一些增稠剂和保水剂的加入使得水分不易流失；阻化性：一些基料和添加剂都具有一些抑制煤氧化的功能，复合在一起具有协同作用，同样具有阻化的作用；有效期长，局部灭火作用特别明显。胶体灭火材料流动性不够强、渗透性也比较差，对高处作用有限，水分得不到及时补充就容易龟裂，成本较高。其防灭火的效果主要受基料及各添加剂量的影响。

4 泡沫防灭火

最早研究的泡沫是两相的，董帅军[17]在地下采空区含水泡沫灭火特性试验研究中证明泡沫具有良好的聚集特性、降温性能、封堵效果和抑制作用,泡沫增加了交叉点温度，减少了一氧化碳的生成。泡沫为载体的防灭火技术因具覆盖面积广、可向高处堆积等优点，可以有效减少煤炭自燃造成的人员伤亡和经济损失，因而被广泛应用于防治煤炭自燃，但其泡沫性能仍受许多因素制约。王德明和秦波涛[18]等人率先完成三相泡沫防灭火的理论研究和实际应用。田兆君、张雷林团队[19-20]为代表，系统的研究了凝胶泡沫的形成机理和防灭火机理，并通过系列实验证明了其防灭火效果。秦波涛、鲁义[21]等开展了无机固化泡沫的发生装置及其高性能的特性研究。实践表明固-液-气混合的三相泡沫弥补了两相泡沫的一些不足。

固-液-气混合的三相泡沫防治煤自燃的性能取决于其稳定性、流动性、封堵性、阻化性。其防灭火特点表现为：流动性比较强，以泡沫为载体，能作用到高处，可以在煤表面形成一层堵漏层，能长时间的隔绝氧气，不易复燃；能够利用惰气的窒息性、成胶过程的吸热和保水性以及水的蒸发热，因为有固体保水作用，在高温时不会喷出水蒸气及其相关的事故，具有一定的安全性；灭火周期一般较长，因设备的运送、安装、药品的配置以及需要接通电源等条件的限制，实施准备时间较长，一般非大型火灾不宜采用；影响固-液-气混合的三相泡沫性能的因素主要体现在表面活性剂的类型、浆液的表面张力、表观粘度、浆液浓度以及外界温度等。

5 结论

（1）介绍了防灭火材料的研究现状及其特点，为研发新的技术创造良好的条件，现在国内外主要聚焦于防灭火性能比较好胶体和泡沫载体的研究，影响防灭火材料的因素主要包括材料本身的内在因素和环境带来的外在因素。

（2）阻化剂主要是抑制活性基团，气体主要是稀释氧气浓度，液体主要是水的降温作用，固体主要是覆盖封堵效果，由此可以验证出防治煤自燃的主要方向是从火灾三要素方面着手。

（3）从现有研究来看，胶体和泡沫类相对于阻化剂和惰性气体较优，但究其何种材料的灭火效果更好，在实际运用过程中应根据煤矿的现场状况来选择，为了以后能更快更准的选择合适的技术方案，在今后的研究中，可以做模拟实验对比分析，选择出最佳性能的防灭火方法。

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