矿井火灾学-4(6、7节)

第六节凝胶防灭火20世纪70年代美国原矿山局评估了三种密封堵漏材料，评估结果显示胍尔胶凝胶是唯一的富有弹性、易于制备、适用于煤矿并且寿命较长的密封堵漏剂，且该凝胶的组分大部分是水，它可以熄灭或冷却其附近的煤炭自燃。1985年，在俄国，由水玻璃、硫酸氨以及水制成的凝胶溶液被用于矿井采空区的防灭火，取得较好防灭火效果。

20世纪80年代后期，随着我国煤矿开始广泛采用综采放顶煤开采技术，原有的防灭火技术不能完全满足安全生产的需要，凝胶防灭火新技术应运而生。1990年西安矿院防灭火课题组和大同矿务局科研人员，把凝胶技术应用在煤矿储煤场防灭火，获得较佳效果；随后凝胶技术又被用在井下“综采面”、“综放面”防灭火，也获得成功，为我国的放顶煤开采提供了一项新技术。1995年，中国矿业大学研制了凝胶阻化剂，采用水玻璃(xNaCl·ySiO2·2H2O)加速凝剂混合而成，将其喷洒到采空区后，能够在浮煤表面形成一层保护凝胶层，隔绝煤氧接触，有效封堵了煤的裂隙及采空区的漏风通道，阻止了煤炭的氧化自燃，防火效果优于常规阻化剂。后来耐温高水胶体和粉煤灰胶体等一些改进后的灭火材料相继在矿井防灭火中获得较广泛使用，在使用效果和节省成本上都较单纯的凝胶材料有很大的提高。2003年，作者根据我国西北地区缺土少水而山砂较多的特点，研制出了具有悬浮稠化作用的新型凝胶――悬砂稠化剂，使凝胶防灭火技术内容更为丰富。一、凝胶及其特性1、凝胶的定义和特性胶体是指含分散颗粒的尺寸在1~100nm（1nm=10-9m）的水溶液。在适当的条件下，溶胶或高分子溶液中的分散颗粒相互联结成为网络结构，水介质充满网络之中，体系成为失去流动性的半固体状态的胶冻，处于这种状态的物质称为凝胶。凝胶是胶体的一种特殊存在形式，是介于固体与液体之间的一种特殊状态，它既显示出某些固体的特性，如无流动性，有一定的几何外形，有弹性、强度和屈服值等。但另一方面它又保留某些液体的特点，例如离子的扩散速率在以水为介质的凝胶中与水溶液中相差不多。2、凝胶的种类根据制备凝胶基料化学性质的不同，凝胶主要可分为有无机凝胶和有机凝胶两大类。（1）无机凝胶无机凝胶主要由基料、促凝剂和水按照一定比例配置成水溶液，发生凝胶作用而形成，胶体内充满着水分子和一部分其它物质，硅凝胶起框架作用，把易流动的水分子固定在硅凝胶内部。成胶的过程是一个吸热过程。对于由两种原料在水中经过物理或化学作用形成的胶体，通常把主要成胶原料称为基料，把促成基料成胶的材料称为促凝剂或胶凝剂。基料和促凝剂按照一定的比例配置成水溶液。在矿井防灭火常用的硅凝胶，水玻璃是基料，碳酸氢铵或硫酸氨或铝酸钠为促凝剂。无机凝胶存在失水后会干裂、粉化和灭火后的火区易复燃的不足。防火时，基料8～10%，促凝剂3～5%；灭火时，基料6～8%，促凝剂2～4%。成胶时间由基料和促凝剂的比例而确定，一般基料与促凝剂在水溶液中的比例越大，成胶时间越短。当基料为90～100kg/m3时，成胶时间为7～8min，促凝剂为20kg/m3；成胶时间为3～4min时，促凝剂比例为30kg/m3；成胶时间为25s时，促凝剂为50kg/m3。促凝剂为碳酸氢氨的凝胶，防灭火性能好，成本低，但碳酸氢铵在低温下容易分解，具有很大的刺激性气味——氨味，对井下工人的健康有危害。采用偏铝酸钠等其它促凝剂，可以避免产生有害刺激性气体，但是形成的凝胶的防灭火性能和稳定性稍差，成本也高一些。（2）有机凝胶（高分子凝胶）有机凝胶也称高分子凝胶。高分子凝胶是指分子量很高（通常为104~106）一类的高分子化合物的溶液。这种高分子化合物吸水能力很强，与水接触后，短时间内溶胀且凝胶化，最高吸水能力可达自身重量的千倍以上。目前用于矿井的高分子防灭火材料以聚丙稀酰胺、聚丙稀酸钠为主要成分。这种胶体材料与水玻璃凝胶相比，使用时仅采用单种材料，使用量小，通常为0.3~0.8%，在井下使用方便，且对井下环境无污染。这种胶体附着力强，可充分包裹煤炭颗粒，隔绝与氧气的接触。高分子凝胶材料的不足在于其成本较高，且吸热与成胶能力均不如由水玻璃与碳酸氢铵构成的铵盐凝胶。二、凝胶防灭火技术凝胶防灭火技术是将基料、添加剂与水按一定比例混合，然后用泵(或注浆系统)压注到煤层发火部位，先使注入口附近火源表面降温，在泵压和自重作用下，混合液体渗入到煤体裂隙和微小孔隙中，在发火部位形成凝胶或胶体，阻断氧扩散，阻止煤体继续氧化放热，进而降低煤体内部温度，从而达到防灭火的效果。1、凝胶的防灭火特性凝胶防灭火技术作为矿井火灾的防治技术之一，依靠其独有的自身特点在防治“综采面”、“综放面”的特殊区域火灾上有明显的优点，总结起来主要有以下四点：（1）凝胶易将流动的水分子固定起来，胶体中90%（质量分数）左右是水，从而充分发挥了水的防灭火作用。成胶前液态的溶液能渗入到煤体的裂隙和微小孔隙中，成胶后就堵塞了这些空隙和裂隙，与煤体一起形成一个凝胶整体，封堵煤的裂隙及采空区的漏风通道，使氧分子无法进入煤体的内部。（2）胶体能在煤的表面形成一层保护凝胶层，隔绝煤氧结合，其水蒸发形成的水蒸气，也使采空区氧气浓度降低，减少了煤与氧分子的接触机会。（3）凝胶具有很高的热稳定性，在高温下胶体仍有很好的完整性而不破灭。（4）凝胶具有很好的阻化性能，促凝剂和基料本身就是一种很好的阻化剂，能够阻止煤的自燃，所以起到了一般阻化剂的阻化效果。此外，成胶时间可以控制。可以根据不同的发火情况和现场使用的工艺设备，调节其促凝剂和基料的比例从而控制凝胶的成胶时间。综上所述，可用八个字来概括凝胶防灭火特性：固水、隔氧、耐热、阻化。2、材料选取的原则用于防治矿井火灾的凝胶目前较多，但是不同的矿井对材料又有不同的要求。根据煤矿火灾的特点，矿井防灭火凝胶材料的选择应遵从以下的原则：（1）无毒无害，对井下工作人员的身体健康没有危害，对设备无腐蚀，对井下环境无污染。（2）价格低廉，工艺设备简单。防灭火材料要有经济实用性，同时由于受到井下特定工作环境的限制，因此要求工艺设备简单，便于在矿井下现场应用。（3）要有良好的堵漏性。将氧气进入煤层的通道堵塞后，就大大的会降低其空间氧气的浓度，同时，外界的氧气很难进入采空区。（4）具有渗透性好的性能。要能够很容易的进入松散煤体的内部，从而与煤体形成一有机的整体，使氧分子很难进入煤体内部。（5）要有良好的耐高温性能。由于在煤炭自燃的区域，往往有很高的温度，因此材料在高温下不分解，保持原有的特性，才能充分发挥其防灭火效果。（6）吸热性能好。材料应该具有高的比热容，这样就能加速高温煤层温度的降低。3、技术参数和性质（1）成胶时间矿井灭火一般选择成胶体的时间在几十秒导十分钟之间的成胶原料，根据不同的使用条件，要求胶体有不同的成胶时间。用于封闭堵漏和扑灭高温火源点，其成胶时间应控制在混合液体喷出枪头30秒内；用于阻化浮煤自燃成胶时间应控制在混合液体喷出枪头5～10分钟。（2）固水性胶体都有固水性，能够是一定量的水固定在胶体网状结构骨架中失去流动性。不同的胶体，固水的能力不同。例如：硅酸凝胶，可以把90％以上的水固定在其网状结构中，失去流动性。一般来讲，胶体的固水量都在80%以上。胶体能够利用固定在其内的大量水分，充分发挥水灭火的特性，不仅如此，由于固定水失去了流动性，因而可向高空堆积，扑灭巷道及工作面顶部等高处火灾。（4）渗透性在矿井灭火过程中，需把胶体注入到发火的煤体里。着火的煤体常为破碎的松散煤体，它实际上是包含了大量空隙和裂隙的多孔介质。渗透性是多孔介质传导流体的性能，其数值的大小不仅与骨架的性质（颗粒成分、分布、大小、充填）有关，还与流体的性质有关。试验证明，当胶体的浓度为2％时，胶体的屈服值大于其自身的重力，所以可滞留在煤层中。（5）吸热性胶体的主要成分是水，由于水的比热容很大，因此水温的升高可以吸收大量的热能，从而降低煤层内部温度。煤的燃烧进入了高温阶段后，胶体中的水分汽化又能吸收大量的热能。可以计算，基料浓度为6％时，1m3胶体汽化后吸收热量为4×104kJ。（6）耐高温由于凝胶内固化有大量的水，高温下的胶体中的水分缓慢蒸发，因此胶体内部温度不会升到很高，也就是说凝胶在高温下不会迅速汽化。此外凝胶防灭火技术还具有材料来源广泛、灭火工艺相对简单等特点。4、技术工艺根据矿井具体条件和不同用途可采用不同的工艺。凝胶是由基料A和促凝剂B与水W按一定比例混合均匀而成，采用的工艺有如下几种：１）单液箱式注胶系统该工艺如图4-6-2所示。先把B与W混合均匀，再把A加入，混合均匀。然后用泵在混合液成胶前运至使用地点成胶。该工艺适用于成胶时间较长，用量不太大的地点，可采用静压或泥浆泵输送胶体。对火区密闭巷道的充填，也可用该工艺。工艺缺点是不能连续运行。图4-6-2单液箱式系统２）双箱双泵注胶系统采用双箱双泵工艺系统，如图4-6-3所示。在该工艺系统中，把基料A和促凝剂B按一定比例与水在矿车（或水箱）内搅拌均匀，然后同时启动两台泵。经两泵抽出的A液体和B液体在混合器内混合后，由胶管输送到注胶钻孔，待两种溶液输送完后，用清水稍冲洗泵和管路，重新配制。通过实践证明，此种注胶工艺简单易行，胶体质量稳定。但配料要求掌握严格，而且两台泵的压力和流量要相同，保证注胶配比均匀，否则将发生胶体凝结堵泵堵管现象（停泵前一定要用清水冲洗泵和管路）。图4-6-3双箱双泵系统３）井下移动式注胶系统当井下出现局部高温区或火点时，需要轻便灵活的注胶设备及工艺。井下轻便移动式注胶工艺主要是通过多功能胶体压注机把各种胶体材料按比例混合、搅拌，输送到火源点。该工艺使用方便灵活，对于局部火区、高温区可进行快速有效处理。如图4-6-4所示。移动式注胶系统通常注胶的流量不大，因此，对于大面积高温火区来说，该工艺系统不能及时快速的解决。井下移动式注胶系统的应用主体是移动式胶体压注系统，该系统把基料、促凝剂以及增强剂和水按比例混合，并压注进入松散煤体中。现场应用的井下移动式注胶系统主要有间歇式注胶系统、连续式注胶系统、定量配比泵注胶系统和全自动或半自定量配比注胶系统等。图4-6-4井下移动式注胶系统原理图5、适用范围及注意事项凝胶对于高位火点的防治有较好的作用。如高温点发生在上部的裂隙中，用一般的防灭火技术措施难以奏效，采用注凝胶方式，可使凝胶在上部的裂隙中堆积，堵塞漏风通道，起到防灭火作用。对于底部的煤炭自燃点，则采用注水、黄泥或粉煤灰浆均能起到很好的作用，浆体的灭火性能会更好，因为浆体的流动性好，只要知道明确的火源，注入的浆体能够到达火源点，最好采用一般注浆方法。此外，凝胶防灭火的设备操作相对简单，但对现场人员配料有较高的要求，一般无机凝胶材料的配比为，基料的使用量为浆量的7%～10％，促凝剂为5%～6％，正确掌握其配比，是保证凝胶防灭火技术效果的关键。6、应用实例现以枣庄柴里煤矿2321工作面防灭火工作为例，来具体介绍凝胶防灭火的现场应用情况。该工作面为高档普采工作面，开采煤层气煤，煤层瓦斯含量低，煤层有爆炸危险性和自然发火倾向，巷道布置如图4-6-5所示。图4-6-5

2321工作面布置图该工作面一分层于1993年8月开采，1994年2月停采。开采期间，工作面采用单体液压支柱，铰接顶梁、金属菱形网漫顶支护方式，溜子道进风，材料道回风，进风量为450m3/min。2321两巷于1994年4月开始掘进，采用局部通风机通风。由于停采线冒落不实，造成停采线处漏风，漏风量高达200m3/min左右，封堵工作也十分困难。当二分层溜子道掘至450m、材料道掘进至550m时在材料道停采线附近巷道顶板上出现CO和少量的烟雾，继而在溜子道停采线处发现明火。为了消灭此次火灾，采取了一边由救护队员直接灭火控制火势，一边以常规打钻注浆为主的灭火措施。共施工钻孔200个余个，累计进尺2500m，注浆注水10000m3，但由于钻孔深度不够、浆水扩散面积有限，致使灭火效果较差，随后又在停采线外侧新掘进了120m长的灭火巷，在灭火巷内向一分层停采线及火点打钻注水、注浆、后期注凝胶。1）注凝胶工艺系统采用如图4-6-3所示的双箱双泵工艺系统。该注胶方式简单易行，胶体质量稳定。但配料要求掌握严格，而且两台污水泵压力和流量必须相同，以保证注胶配比均匀，否则将发生胶体凝结堵管现象（停泵前一定要用少量清水冲洗泵和管路）。2）注凝胶工艺参数①注凝胶范围、凝胶量。根据2321工作面现场火灾情况分析认为，注凝胶范围应在溜子道停采线里长30m，宽10m范围内。根据采空区压实程度，确定注胶量为150m3。②凝胶配料。根据流量和输送管路长短及采空区空隙率，选用成胶时间为3～4min。考虑到用于停采线附近采空区浮煤自燃和堵漏的双重作用，采用基料为7%左右的配方，具体为：A、B箱中各加水约800kg，在A箱里加基料136kg，在B箱里加促凝剂60kg，搅拌均匀。边远钻孔和采空区深部注凝胶时，为使混合液在采空区渗透更大的范围，选用了6～7min成胶，B箱里加促凝剂50kg。③钻孔分布。在2321溜子道和防火巷注胶时，利用前期的注浆钻孔，由停采线外侧沿溜子道向里依次注胶，每次注4～6个钻孔。根据钻孔的布置密度和凝胶范围，要保证每个钻孔注胶量不小于1～2m3。注凝胶钻孔布置如图4-6-6所示。图4-6-6注凝胶钻孔布置图3）应用效果1994年12月至1995年1月，先后在2321溜子道、防火巷注凝胶100余个孔，注凝胶120m3。首次注胶后，监测取样点的CO深度逐渐下降，直到下降为零；回风流温度由注胶前的29℃降到24℃。在正常供风条件下，加强监测，自注凝胶后从未查到CO气体成分。1995年2月恢复了正常掘进生产，达到了较为理想的防治效果。三、稠化砂浆防灭火技术我国西北部地区地表缺土少水，山砂资源相当丰富，采用常规的黄泥注浆防灭火技术面临困难，注砂灭火技术却正好可以利用这些资源在这些特殊地区发挥灭火的功能，但在矿井灭火实践中发现，普通的注砂方法需水量大、易脱水、易沉淀、易磨损管路。为克服上述缺陷，作者领导的课题组开发了一种防治矿井火灾制浆用的特殊凝胶――KDC悬砂稠化剂，丰富了我国现有的矿井灭火技术。1、稠化剂材料及其性质稠化砂浆防灭火技术所选用的KDC型稠化剂由天然高分子材料制成，是从天然植物中提取出来的多糖聚合物，其分子结构是甘露糖醛酸（β-1.4-DMannuronicacid）与古罗糖醛酸(α-.4-LGuluronicacid)构成，在线性分子链中呈不规则的嵌段性排列。该添加剂亲水性极强，溶于水后呈黏稠状胶液，含有一价盐（Na+，K+，NH4+）、镁盐、汞盐及其它一些衍生物。KDC型稠化剂所选取的材料特性突出：（1）在水中形成的三维网状结构和高粘度特性可以悬浮固相物质制成复合浆体，在水溶液中的溶解性随pH值的增大而增加，在pH值为5.8～7.5之间的水溶液为均匀透明液体，粘度随pH的变化成一倒钟形曲线，在pH＝7时粘度最大；（2）具有屈服假塑性流体特性，在低剪切速率(6～20ｓ-1)下，能达到的粘度为0.33～2.94Pa·s；在0.4%的水溶液浓度条件下，屈服应力约为5～10Ｐａ，其粘度是水的1500多倍；（3）无毒无味无害，不污染环境，且使用成本低廉；（4）砂浆稳定，悬浮时间长。在静止状态下，水砂质量比为2∶1的砂浆悬浮时间大于48h。2、稠化砂浆灭火技术特性稠化砂浆防灭火技术是在原有注砂灭火的技术上，在砂浆中添入天然高分子材料制成的稠化剂，通过加砂搅拌得到稠化砂浆，利用槽车将其运输至井下，然后通过移动式注浆系统喷射到自燃发火火煤层表面，通过覆盖煤层，隔绝氧气，达到灭火效果。该技术较传统灭火技术相比：（1）将砂泥悬浮，提高砂了浆粘度，增加了砂量，减小了水砂比；（2）由于砂子悬浮在管道中，且泥浆又有较高的粘度，能极大地降低砂浆对管路的磨损；（3）水溶液具有成膜特性，使砂浆成为连续密实的覆盖层，注入采空区后能够有效覆盖遗煤，隔绝浮煤与氧气的接触；（4）砂浆中的山砂可捕获煤炭自燃过程中生成的自由基，从而阻断煤的低温氧化过程，具有较强的防灭火作用。图4-6-7为采用神东矿区的山砂在实验室制出稠化砂浆，该稠化砂浆流动性较好、不堵管、堵漏隔氧效果好。

（a）制备过程中的稠化砂浆(b)制备好的稠化砂浆图4-6-7实验室制出的稠化砂浆3、悬稠砂浆技术参数(1)粘度粘度是一个很重要的参数，它影响着稠化砂浆在管道内的流动特性。经过实验室的不断试验和改进以及灭现场的实践证实，稠化砂浆在低剪切速率(6～20ｓ-1)下，能达到的粘度为0.33～2.94Pa·s；在高剪切速率(>500s-1)下的表面粘度<0.28Pa·s。这一参数满足了现场的灭火要求，较传统技术相比降低了注浆材料在管道中的流动阻力，具有可泵性好的特点。(2)悬砂特性稠化砂浆防灭火技术的关键是将砂浆悬浮，可将砂浆悬浮的最低稠化砂浆浓度则成为衡量该技术是否经济实用的关键指标，实验证实：其浓度仅为0.4%时就可以完全把砂浆悬浮起来。不仅如此，稠化添加剂还可作为单料使用，不再需要其它的复配物，可在地面或井下一次性添加，形成的稠化砂浆可长距离输送，使用方便，工艺简单。4、悬稠砂浆生产工艺悬稠砂浆的生产系统包括以下几个部分：热水罐、消化罐、制浆罐、提砂机、加热系统、泵及配套管路。其生产工艺流程程如下：将原料切碎并在消化罐中浸泡，然后将浸泡水排净，将热水缺罐中的热碱水加入消化罐，使原料分解，然后将消化液加入制浆罐稀释，并加入触变剂配置出稠化剂，将山砂加入稠化剂中搅拌均匀，制备出的砂浆即可泵送至井下。工艺流程如图4-6-8所示。切碎原料浸泡排污水消化注入井下稠化砂浆稀释、触变得到稠化剂通入热碱水加砂搅拌图4-6-8稠化砂浆的生产工艺流程图地面制浆系统有稠化剂制系统、砂浆生产系统以及电气控制系统三部分组成，其中砂浆生产系统如图4-6-9所示。图4-6-9在神东矿区的防灭火稠化砂浆生产系统5、现场应用大柳塔煤矿活鸡兔井位于陕西省神木县中鸡镇境内乌兰木伦河西岸，井田南北长89km，东西宽74km，面积约63km2。陕西省煤田地质局185队提供的井田精查地质报告表明，活鸡兔井田地质储量95078万ｔ，可采储量62410万ｔ，可采煤层七层，主采煤层1-2煤、2-2煤和5-2煤。煤种为不粘结煤和长焰煤。该井田煤层埋藏浅，地质构造简单，开采和赋存条件优良，瓦斯含量低，但易自燃，煤尘有爆炸危险。活鸡兔井三盘区1-2煤综采面从2003年10月开始，先后回采了21302、21301、21303三个面，在回采期间，采空区遗煤较多且存在严重漏风，矿井的防灭火形势十分严峻。为解决该矿井的煤炭自燃问题，神东煤炭公司决定采用防灭火稠化砂浆进行煤炭自燃防治工作。（1）注浆工艺：在矿区附近制备稠化砂浆（20t/罐）——20吨槽车运输至活鸡兔井井口工业广场——经槽车压转到5吨农用车——农用车运输至21304回顺各联巷密闭前——经加压泵和注浆管向采空区进行灌注。（2）注浆地点：21303综采面采空区（21304回顺与21303运顺间84-2联巷、21303回撤通道及辅巷内）。（3）注浆方式：采用槽车泵送的方式注浆，即槽车开至注浆位置（21304工作面回风顺槽）处，通过柔性软管及可快速装卸式法兰盘将槽车的出料孔与注浆泵的入口相连接，再用柔性管将注浆泵的出口与联巷砖密闭预留的2寸铁管连接好，采用注浆泵通过2寸铁管将砂浆泵送至21303采空区。（4）注浆压力：泵站压力达到5MPa以上。（5）注浆量：灌注点85个，以每个注浆孔灌注量200m3（长16m×宽5m×高2.5m）计，共需灌注稠化砂浆17000m3。第七节三相泡沫为了防治煤炭自燃，国内外广泛采用注浆、洒阻化剂、注惰气、注凝胶、胶体泥浆、阻化汽雾等技术。这些技术对保证矿井安全生产起到了重要作用，但还存在不足：采用注浆技术，浆体注入到采空区后，一般为由高向低的“线”流动（即“拉沟”现象），扩散范围小，浆液易流失，有时还会发生溃浆事故；注惰性气体，气体易随漏风遗散，不易滞留在注入的区域内，且灭火降温能力差；注凝胶、泡沫树脂等，流动性差、流量小、成本较高；注惰气泡沫，泡沫易破灭，一旦水分挥发，防灭火的性能就消失。针对目前矿井已有的防灭火技术存在的不足，特别是针对综放采空区、巷道高冒区的隐蔽火源和高位火源治理的难题，作者研制出了防治煤炭自燃的三相泡沫防灭火新技术。三相泡沫防灭火技术集固、液、气三相材料的防灭火性能于一体，充分利用粉煤灰或黄泥的覆盖性、氮气的窒息性和水的吸热降温性进行防灭火。现场应用表明，三相泡沫防灭火技术对一般采空区煤炭自然发火、大型火区及火源位置不明区域、综放工作面的高位及巷道高冒火区、倾斜俯采综放工作面采空区煤炭自然发火的治理和预防，效果相当显著。本节将从三相泡沫组成及特性、防灭火特性、防灭火工艺及现场应用等方面对这一新型防灭火技术予以详细介绍。一、组成及产生机理1、固相成分三相泡沫的固相成分主要是粉煤灰或者黄泥，粉煤灰是火力发电厂排烟系统中排放，通过收尘器收集的细粒灰尘，约占固体废弃物的70％～85％。粉煤灰有干灰和湿灰之别，用于制备三相泡沫的是干飞灰或是干飞灰的浆液；黄泥取土主要来自矿区附近地区，一般都含有大量的杂质以及大颗粒的石头、硬块等，进入注浆池之前必须先进行过滤。三相泡沫的形成因固相的加入而变得复杂，因而必须首先对固相成分的颗粒粒度大小、物相组成以及化学性质等进行研究。（1）颗粒粒度大小颗粒的粒度对形成三相泡沫有很大的影响，颗粒的粒度越小，越容易形成三相泡沫，形成的三相泡沫的防灭火性能也越好。颗粒越大，固相颗粒与泡沫之间结合就越弱，颗粒不容易粘附在泡沫上，在重力的作用下就越容易沉淀下落，不能形成稳定的三相泡沫。采用LS800激光粒度分析仪对煤矿粉煤灰和黄泥的颗粒粒度进行了测定，仪器的测量范围为0.05μm-300μm，当颗粒粒度大于仪器测定范围时，采用筛分的方式来分析颗粒的粒径，测定结果如图4-7-1所示。

（a）大屯煤电公司姚桥煤矿的干灰(b)徐州热电厂的湿灰（c）山东枣庄的黄泥(d)辽宁抚顺老虎台煤矿湿灰（含有炉渣和沙粒）图4-7-1实验测定粉煤灰和黄泥的颗粒粒径分布从图中可以看出，干灰颗粒成粉状，又称为飞灰，颗粒粒径都基本集中2μm~50μm之间，最大颗粒粒径都小于84μm；而湿灰因细微部分都随水流失，颗粒主要集中在5μm~100μm之间，最大颗粒粒径196.3μm；黄泥在过滤掉其中夹杂的石块溶于水后，颗粒也很小，主要分布在1μm~80μm之间，最大也不超过128.4μm，；而含有炉渣、沙子的湿灰颗粒粒径主要集中在100μm~1000μm之间。实验研究发现，大的固相颗粒不能粘附在泡沫壁上，这是因为气泡的承受力大小有一个限度，如果颗粒过大，其重力超过气泡的承受能力，气泡就容易破裂，因而不容易形成三相泡沫。取无法粘附在泡沫上而直接沉淀的固体颗粒，测量其颗粒的最小尺寸为300μm。因此，容易形成三相泡沫的颗粒粒度应小于300μm。（2）物相组成利用X衍射法测定粉煤灰和黄泥的物相组成，实验测定结果如图4-7-2、4-7-3和表4-7-1所示。图4-7-2粉煤灰样品X衍射测试分析图图4-7-3黄泥样品X衍射测试分析图表4-7-1粉煤灰和黄泥的物相组成成分含量/%成分含量/%粉煤灰黄泥粉煤灰黄泥石英(SiO2)2033硬石膏(CaSO4)－4莫来石(Al6Si2O13)176磁铁矿(Fe3O4)－4长石((Na,Ca)AlSi3O8)125粘土－－氧化钙(CaO)816氧化钛(TiO2)11赤铁矿(Fe2O3)53其它晶体物质35高温石英(SiO2)31其它非晶体物质余量余量方解石(CaCO3)11粉煤灰中的矿物组成主要有方石英、莫来石、鳞石英晶体，同时有氧化铁存在，随着燃烧时环境的不同，也可能出现磁铁矿和少量赤铁矿等晶体。但粉煤灰中的物相并不是在平衡条件下形成的。燃烧灰渣处于熔融状态，经空气快速冷却，就可能发生晶化。由于组成中Al2O3含量较高，熔体粘度较大，加之冷却速度快，在晶化过程中，往往就不容易生成完整晶体，甚至在有些情况下可能保留相当量的玻璃相，按一般估计，玻璃相含量通常在70％以上。此外，粉煤灰中，还可能存在未燃尽的无定型碳及残留的石英和长石等晶体。黄泥样品的主体矿物成分为石英和氧化钙，有部分莫来石、长石、硬石膏、磁铁矿和赤铁矿等矿物成分。这些成分均为亲水性很强的物质，加入的发泡剂应具有改变粉煤灰或黄泥表面物理化学性质的特性，即应使粉煤灰表面由亲水性变成疏水性，从而能使粉煤灰或黄泥能很容易地附着在泡沫上，从而使固体颗粒黏附在泡沫上形成三相泡沫群体。（3）化学组成由于黄泥颗粒属于一种惰性物质，且具有较大粘性，能够更牢固的粘附在气泡壁上；而粉煤灰是一种活性物质，其化学组成主要是SiO2和Al2O3，两者总含量一般在60％以上，另外还含有少量的Fe2O3、CaO、MgO等，如表4-7-2所示。表4-7-2测定粉煤灰的化学组成（%）样品来源SiO2Al2O3Fe2O3TiO2CaOMgONa2OK2OP2O5SO3姚桥粉煤灰柴里粉煤灰48.3252.2329.2924.615.284.681.291.117.769.281.942.010.350.461.060.980.2600.1263.100从化学分析可知，粉煤灰溶于水中必然产生较高浓度的Ca2+离子，Ca2+离子存在会对发泡剂和稳泡剂的性能产生一定的影响。因此，在选择发泡剂、稳泡剂时，要充分考虑到Ca2+离子的作用和影响。（4）显微结构粉煤灰是由煤粉燃烧经过急冷，在一定温度范围内形成的粉状硅酸盐物质。利用电子扫描显微镜可以分析研究粉煤灰颗粒的显微结构。粉煤灰颗粒显微结构可分为密实微珠、漂珠、海绵状玻璃体、高铁磁珠、碳粒等几大类。大屯姚桥煤矿粉煤灰和枣庄柴里煤矿粉煤灰的显微结构分析如图4-7-4和图4-7-5所示：

图4-7-4姚桥粉煤灰电镜照片

图4-7-5柴里煤矿电厂粉煤灰电镜照片由上图可以看出，粉煤灰的显微结构复杂，主要是由不规则的海绵状玻璃颗粒和片状碳粒子组成，一般的表面活性剂很难将它们悬浮，它们在水中的沉降速度很快，不利于形成三相泡沫。因此在选择发泡剂和稳泡剂及其他添加剂的时候，应该充分根据粉煤灰的结构特征。2、液相成分三相泡沫的形成是在水介质中进行的，水对固体颗粒的表面性质、发泡剂的物理化学性质都有较大的影响。水的分子结构很复杂，简单的说，水是由H+和OH-离子组成，水中氢离子极少，但其电场强度大。水的结构近似四面体，在没有外电场的作用时，水分子的缔合可以达到几十个或几百个水分子，但是这种水偶极子之间的联系是很弱的。同时，杂质水中含有的大量铁、钙离子对三相泡沫的形成有重要的影响。在一些缺水的矿区，可以采用井下抽到地面的废水作为液相，这样节约了水资源、降低了液相水的成本。对某矿井下循环废水测定后得出，废水浑浊度为20～28、PH为7.5，氧气饱和量为65%，具体分析结果见表4-7-3。由表可知，水的硬度较高，同时还含有其他各种盐类杂质，因此在选择发泡剂、稳泡剂等添加剂的时候，要充分考虑到这些杂质的影响。

表4-7-3某矿井下废水水质成分测定成分总硬度硫酸盐溶解性固体硝酸盐氨盐铁锰铜锌含量（mg/L）47110268610.65.60.020.010.0010.0013、气相成分由于三相泡沫是通过三相泡沫发泡器物理机械发泡形成的，与化学发泡机理不同。气体通过机械搅拌、涡流运动等形式直接被液相成分包裹起来。因此三相泡沫的气相成分可以采用空气、氮气、二氧化碳等不溶于水或较难溶于水的气体。（1）从形成三相泡沫来讲，氮气和空气的效果比二氧化碳要好。从表4-7-4和图4-7-6可以看出，氮气和空气在水中的溶解度以及被煤体的吸附能力都比二氧化碳要小的多，这样就有利于三相泡沫的形成。表4-7-4各种气体在1个大气压、200C时的溶解度气体空气氮气二氧化碳溶解度（ml/L）25.423.21281.5图4-7-6煤体对各种气体的吸附能力（2）从防灭火效果来讲，氮气三相泡沫要比空气三相泡沫的防灭火效果好。因为空气中含有21%的氧，采用空气可能会给采空区带进一定量的氧气。因此，在矿区有氮气的情况下首选氮气作为气相。一方面氮气是一种惰性气体，除非在特殊的条件和催化剂的参与下，否则很难与其它物质发生反应，因而本身就是一种很好的防灭火材料；另一方面它可以作为载体，将大量的粉煤灰或黄泥输送到采空区。4、三相泡沫的产生由于粉煤灰或黄泥颗粒表面的亲水性，当其分散在水中形成泥浆后，颗粒周围形成了一层水化层，以阻止颗粒黏附在气泡壁上。当在水中加入表面活性剂后，表面活性剂一方面能使亲水性颗粒表面形成亲水基朝向粉煤灰或黄泥，疏水基朝向水的定向吸附，使粉煤灰或黄泥表面变成疏水性，这样易于粘附在气泡壁上；同时表面活性剂吸附在气泡壁上，能形成稳定的水化层，且能防止气泡兼并；另一方面表面活性剂能有效地降低浆液的表面张力，有很强的发泡能力，能克服液相成分中大量阴阳离子及杂质的影响，使水容易形成大量的泡沫群体，三相泡沫的形成过程如示意图4-7-7所示。图4-7-7三相泡沫形成示意图（1）发泡剂由于粉煤灰或黄泥颗粒表面亲水性强、显微结构复杂很难悬浮而且含有大量阴阳离子，硬度较高，因此，一般的单一表面活性剂很难将粉煤灰或黄泥悬浮，而且浆液中的各种离子与杂质很容易使发泡剂失去发泡性能。如图4-7-8所示，一般的单一表面活性剂只适合两相泡沫发泡，难以使固体介质悬浮。

图4-7-8单一表面活性剂只产生两相泡沫图4-7-9均匀稳定的三相泡沫三相泡沫发泡剂是根据三相泡沫的形成及稳定机理，通过多种发泡剂的复配，发挥各种发泡剂的协同作用，并针对三相介质的特性及防灭火要求，加入相关添加剂，而研制成功的一种具有低界面张力、良好的发泡、稳泡以及阻燃性能的表面活性剂，该发泡剂能使固体介质完全悬浮，形成均匀稳定的三相泡沫，如图4-7-9所示。复配形成的三相泡沫发泡剂，发泡剂分子间结合更紧密，极性头之间的空隙更小，因此很低的浓度下就能使浆液完全发泡并形成高倍数三相泡沫。同时由于分子排列的紧密程度和牢固程度增强，气泡表面强度和弹性增强，使气泡透气性大大降低；电荷增多，使气泡间的斥力增强，防止了气泡的合并，因此泡沫具有长时间的稳定性。采用灰水质量比1:4的粉煤灰浆液（50ml），通过在量筒中搅拌的方式发泡，发泡剂浓度与发泡能力的关系如图4-7-10所示，可以看出，形成三相泡沫最佳的发泡剂浓度为0.2～0.5%，在此实验条件下形成的三相泡沫稳定时间可以达到26小时。同时，浆液浓度对发泡剂的性能也有一定影响，图4-7-11表明当灰水质量比为1:4～1:2时，形成的三相泡沫的性能最好。

图4-7-10发泡剂浓度与发泡能力的关系图4-7-11泡沫性能随浆液浓度的变化关系（2）发泡器根据三相泡沫中固相颗粒的特点，作者成功研制出了一种适用于固体颗粒发泡的三相泡沫发泡器（2004年获国家发明专利授权）。该发泡器主要采用射流喷射的原理，主要部件之一是内置的文丘里管，文丘里管的流道截面形状是一个先收缩后扩张的圆形管子；文丘里管的扩散段周边上设有多个引入气体的孔隙，其喉颈口处设有集流器和两个可以旋转的叶轮。三相泡沫发泡器结构简单，发泡器本身不需要任何动力装置，仅依靠浆体自身的能量就足以带动，而且能适应不同固体颗粒粒径浆液材料的发泡，实物如图4-7-12所示。图4-7-12三相泡沫发泡器实物图三相泡沫发生器利用文丘里管内动压与静压之间的相互转换，在收缩段，随着截面积的变小，浆液的流速逐步增大，压力却逐步下降。在文丘里管的截面积达到最小(喉部)时，流度达到最大，而静压力则达到最小，泥浆成射流状态；在发泡器与集流器之间的旋转斜面上，已成为湍流涡流，由于高速泥浆射流表面的粘滞和卷吸作用，文丘里管外的气体可通过扩散管上的孔洞被引射吸至管路内，从而实现气-液-固三相的充分混合；利用高速泡沫泥浆自身的能量冲击叶轮旋转，泡沫流体间、流体与叶轮间强烈撞击，使泡沫进一步分散、细化，产生二次发泡，使发泡率高，泡沫均匀细腻致密，且有利于增强三相泡沫的稳定性。由以上分析，三相泡沫的发泡机理可以归结为：当浆液经过发泡器时，泥浆和气体成为射流状态，在发泡器与集流器之间的旋转斜面上，形成湍流涡流，使气-液-固充分混合。由于浆液和气体具有较高的动能，混合后在低压区造成了能量过剩，根据热力学原理，过剩的能量就对三相混合液做功，同时由于表面活性剂的存在，形成了大量的具有三相介质的泡沫群体。高速泡沫泥浆冲击的旋转叶轮即在封闭系统内对泡沫泥浆进行高速搅拌而使泡沫机械切割、挤压分散而均匀细化；同时也能使粉煤灰或黄泥颗粒进一步分散，增强了泡沫泥浆的稳定性，从而形成了均匀致密而细腻的三相泡沫。二、三相泡沫特性1、三相泡沫的稳定性三相泡沫的稳定性可以用它的稳定时间来表征，稳定时间是指当三相泡沫破裂后体积下降到泡沫原来体积的一半时所需要的时间，通常用T1/2来表示，稳定时间越长，三相泡沫体系的稳定性越高。与两相泡沫相比，三相泡沫的破灭以及体积的减少并不是均匀性的，如图4-7-13所示。从图中看出，对于两相泡沫，脱水速度相当快，在短短的几十分钟内脱水就基本完成，泡沫全部破灭。而对于含有固体颗粒的三相泡沫，脱水速度就明显减慢，且在相当长时间都处于稳定状态。图4-7-13发泡倍数为30倍时脱水速度三相泡沫是一种具有很高表面能的不稳定体系，没有实现固化，因此，泡沫最终是要破灭的，影响三相泡沫稳定性的因素较多，归结起来主要有以下几方面:（1）固体颗粒三相泡沫能保持长时间稳定的一个重要因素就是固体颗粒的存在。固体颗粒对三相泡沫稳定性的影响主要体现在以下几个方面。①表面活性剂能使固体颗粒均匀致密地粘附在气泡外壁并互相交错分布，这就增大了水层流动的阻力；在气泡间隙处，固体颗粒可以堵塞水流通道，阻止水层流动，从而延缓了三相泡沫液膜层的变薄；同时固体颗粒覆盖在气泡表面，能防止气泡合并，减缓了大小气泡间由于压力差造成的气体扩散。②由于固体颗粒粘附在气泡外壁上，其密度一般较大，更易构成坚固的泡沫外壳，将气泡包裹起来，增加了气泡的机械强度，在外界扰动和机械振动下，泡沫不易破灭，从而增强了泡沫的稳定性。③固体颗粒能够形成三相泡沫的支撑骨架，对内部的泡沫起到了很好地保护作用，极大的延缓了泡沫的破灭速度；同时，即使全部泡沫的液膜破裂后，体系纵横交错的骨架仍然能保持体系保持相当长时间的稳定。④固体颗粒和硬骨架的存在，极大地增加了三相泡沫的热阻力，因此在较高的温度下，能很好的防止液相水分的蒸发和里面气体的扩散。（2）溶液粘度所谓溶液粘度就是指液体本身的粘度。液体内部粘度对泡沫稳定性也有一定的影响。粘度越高，在排液过程中就会减缓排液速率，从而提高泡沫的稳定性。但是这只是辅助因素，如果没有液膜，液体的浓度再高也不一定有稳泡的作用。（3）浆液的浓度和温度浆液浓度和温度对三相泡沫稳定性的影响如图4-7-14所示。图4-7-14发泡倍数为30倍时的稳定时间由图可以看出，三相泡沫浆液浓度越大，三相泡沫稳定性越高，这是因为粉煤灰或黄泥浆液的浓度越大，颗粒越密集，这层膜越致密，生成泡沫的膜也就越坚固，这样更有利于防止气泡的兼并和水层的流动，从而使三相泡沫越稳定；同时，浆液浓度越大，在泡沫上存在着硬的骨架就越稳定，越能抵抗外部的干扰和保持泡沫的稳定性。随着温度的升高，三相泡沫稳定时间降低，但是降低的速度是不均匀的。开始阶段，由于温度不太高，泡沫排液和气体扩散受温度的影响较小，泡沫的稳定性缓慢下降；但当温度超过80℃以后，粉煤灰或黄泥的热阻力急剧减少，固体颗粒及骨架对泡沫本身的保护能力减弱，泡沫的稳定性急剧下降；超过100℃以后，水分蒸发很快，泡沫的体积都是靠固体骨架支撑，稳定性又开始趋于平衡，但是这种条件下的支撑维持时间较短。（4）发泡剂表面张力及其自修复作用表面张力在泡沫的液膜受到冲击或扰动而导致局部变薄或表面积增大时，具有使液膜厚度修复、强度恢复的作用，这种作用称为表面张力的自修复作用，此作用也是泡沫具有良好稳定性的原因之一。发泡剂的浓度对其自修复作用有一定的影响。发泡剂的浓度如果太低，当液膜变形伸长时，液膜表面的发泡剂浓度变化不大，表面张力下降也不大，液膜弹性降低，其自修复作用就差，所以泡沫稳定性也差。当发泡剂的浓度达到某一值时，此时泡沫稳定性最高。该浓度是泡沫最稳定的临界浓度，如果发泡剂浓度过高，液膜变形区表面活性剂分子的补充往往是从垂直方向补充，液膜变形区表面活性剂浓度可以恢复，但是液膜的厚度却不能恢复，因此液膜的机械强度差，泡沫稳定性也就相应下降。2、三相泡沫的防灭火特性1）三相泡沫防灭火机理（1）包裹煤体，隔绝氧气，封堵漏风通道与煤体裂隙在综放面采空区中，普遍存在大量的浮煤。在采空区中注入三相泡沫，三相泡沫中的固体不燃物（粉煤灰或黄泥）就能起到包裹煤体、隔绝氧气、封堵采空区漏风通道与煤体裂隙的作用，进而阻止煤的氧化反应，达到防治煤炭自燃的目的。采空区松散煤体是很复杂的多孔介质，引起煤体自燃漏风速度极小（0.001~0.5cm·s-1），且漏风是时间和空间的函数，因此可以根据采空区内氧浓度分布进行推算松散煤体的漏风强度。例如在大兴矿，沿工作面倾斜走向的中间安置气体采集数据线，在注三相泡沫前后根据气体样中氧气的浓度大致计算出漏风量的大小，三相泡沫封堵效果如图4-7-16所示。图4-7-16三相泡沫的封堵效果（2）吸热降温，降低煤体和周围环境的温度煤体与周围环境的温度升高，煤氧反应的作用就会增加，化学反应速率和放热速率就会加快。煤炭自燃的诱因之一是煤的自然氧化产生的热量聚集，使周围环境与煤体自身的温度上升。温度上升的速度既取决于反应产热量，又取决于周围环境的散热条件。在采空区一般仅存在漏风小通道，散热条件较差，易于形成热量积聚。当产热速率大于散热速率时，采空区内将迅速聚集大量热量，随即温度上升，化学反应速度加快，同时产生更多的热量，造成恶性循环，直至引发煤炭自燃。泡沫灭火主要基于两个原理：一是水汽化过程要从热源中带走大量的热；二是汽化的水蒸汽不断积聚会形成具有隔离空气作用的屏障。当泡沫被加热到100℃时，泡沫会膨胀30％。但是液态水蒸发变成水蒸汽时体积膨胀比是1700：1。假设泡沫中的空气与水的比为1000：1，那么当1000升这样的泡沫蒸发后，就会变成1300升的空气（膨胀率30%）加上1700升的水蒸汽，也就是3000升的混合气体。空气原来还有体积比为21％的氧气量，那么随着与产生的水蒸气的混合，氧气浓度下降为：这种浓度的氧气，可以使明火熄灭。因此往采空区注三相泡沫，可以吸收大量的热量，大大地降低煤体和周围环境的温度，快速的冷却已有升温趋势的煤体，有效地阻止煤炭的自燃。（3）降低采空区氧气浓度，抑制煤的氧化，窒息自燃的煤体采空区氧气浓度过高，必然会加快化学反应速率和放热速率。如果三相泡沫材料中的气相采用氮气，注入在采空区的氮气被封装在泡沫之中，能较长时间滞留在采空区中，充分发挥氮气的窒息防灭火作用。当泡沫破灭后，氮气充斥在采空区中，降低了采空区的氧气浓度。一般制氮机产生氮气的浓度都高于97%，另外液相水蒸发后产生的水蒸气也具有一定的惰化效果，因此，持续的注三相泡沫，能有效的将采空区氧气浓度控制在5%以下，长时间地保持采空区的惰化状态，使煤的自燃因缺氧而窒息，从而抑制煤体的自燃。（4）润湿煤体，增加煤体的湿度由于使用的发泡剂是由几种表面活性剂复配而成，对煤的自燃有很好的阻化效果，起到了阻化剂的作用；同时发泡剂作为表面活性剂，可以改善煤体的表面的润湿性能，从而能使煤吸收更多的水分，极大地增加煤体的湿度，当添加发泡剂0.2%后，煤体吸收水的质量大约增加4~6倍。同时，含有发泡剂的水能在煤体表面形成一层水膜，隔断煤与氧气的结合。（5）抑制煤体自由基的产生，阻断已有自由基和官能团的链式反应煤炭自燃的过程包含有自由基的反应，因此，为了防治煤炭自燃，需要抑制自由基的产生，切断自由基和官能团的链式反应。发泡剂溶液本身就是一种很好的阻化剂，能有效地隔绝氧气、抑制官能团和自由基的产生并中止链式反应；特别是固相成分的存在，煤氧化过程中产生的自由基碰撞到这些大颗粒的物质而被吸收，从而能有效抑制自由基的链式反应并消除煤自然发火的危险。2）三相泡沫防灭火实验（1）三相泡沫对煤炭自燃的阻化实验采用自制的煤自燃特性测试装置（如图4-7-17所示），对原煤样和经三相泡沫处理后的煤样的自燃特性进行了实验，实验结果如图4-7-18所示。

图4-7-17自燃特性实验系统图4-7-18不同三相泡沫浓度下的氧化温度曲线从图4-7-18中可以看出，三相泡沫处理后的煤样氧化升温速度明显低于原煤样。在相同的升温时间时，经5%和10%质量浓度的发泡剂溶液处理后的煤样与原煤样的温度最大相差42℃和62℃，说明三相泡沫对煤样有良好的阻化性能。（2）三相泡沫灭火与水灭火对比实验利用相同液体流量的水和三相泡沫来扑灭两堆相同的木垛火源，考察水和三相泡沫的灭火效果、灭火速率、防复燃性等。采用水灭火的木垛，喷水4分钟后木垛火基本熄灭，当停止喷水约3分钟后，该木垛发生了复燃；而采用三相泡沫灭火的木垛，喷射三相泡沫1分钟后木垛火彻底熄灭，而且无复燃现象发生。水在灭火的过程中产生了大量的水蒸汽，并伴随有较浓的烟；且火熄灭后木垛已被烧毁严重；而三相泡沫灭火时，产生的烟雾较少，且三相泡沫能均匀地覆盖在木垛上，将整个木垛包裹起来，隔绝了外部空气的进入，实验效果如图4-7-19所示。试验表明三相泡沫比水的灭火速度快、效率高，而且能够有效防止复燃。

（a）燃烧很旺的木垛火（b）水灭火效果（c）三相泡沫灭火效果图4-7-19水与三相泡沫扑灭木垛火效果图（2）三相泡沫扑灭采空区高位火源模拟实验在地面堆积长×宽×高=4×4×1.2（m3）的矸石堆，空隙率为0.2，在其上方距离地面0.8m处放一燃烧很旺的煤火炉，火炉旁放一温度传感器。在矸石堆底部埋管3m，分别注黄泥浆和三相泡沫，试验这两种灭火材料扑灭高位火源和在矸石堆内的渗流与覆盖效果。注黄泥浆时，浆液仅从矸石堆最下部渗流出，不能向上流动，不能扑灭高位火源；而注三相泡沫2分钟后，三相泡沫就开始从矸石堆中的多个缝隙涌出来（图4-7-20）；炉内熊熊燃烧的煤火在15分钟后就被三相泡沫覆盖扑灭（图4-7-21）；30分钟后，三相泡沫将矸石堆完全覆盖（图4-7-22）。灭火过程中的炉温变化情况如图4-7-23所示，可见，短短8分钟的时间，火炉的温度就下降到了45℃。

图4-7-20三相泡沫注2分钟后图4-7-21三相泡沫注15分钟后的情况

图4-7-22三相泡沫注30分钟后图4-7-23火炉温度变化趋势大流量三相泡沫在孔隙介质中渗透性强，覆盖面广，能从矸石堆底部通过裂隙迅速向上及四周扩散堆积，很快就对整个矸石堆完全覆盖并扑灭任何位置的火源，吸热降温能力强，防灭火效果显著。三、防灭火工艺与现场应用三相泡沫作为一种新型高效的防灭火技术和材料，兼有注浆、注氮气、注泡沫和注阻化剂的优点，又克服了这些技术和材料的不足，具有广泛的适用性。目前，三相泡沫防灭火技术已经在国内外六十多个矿井成功应用，对一般采空区、大型火区、巷道高冒区等地点的煤自然发火的扑灭和预防，效果都相当显著。1、三相泡沫防灭火工艺1）三相泡沫制备工艺流程三相泡沫制备的简单工序是：在制浆站中将一定比例的水与粉煤灰或黄泥混合形成的浆液送到注浆管路中；通过定量螺杆泵将发泡剂注入到注浆管路中；浆液与发泡剂在混合器中充分搅拌混合后进入发泡器，在发泡器中接入氮气管路，气体与粉煤灰或黄泥浆体相互作用产生出高倍数的三相泡沫。三相泡沫在使用过程中，发泡剂的添加十分灵活，可以根据现场情况的需要，采取井下添加或者地面添加的方式。（1）在地面添加发泡剂为了使注浆工艺更简单，减少井下电线连接与用电设备以及减少井下工人的劳动，提高系统运行的可靠性，且在地面注浆量可调的情况下，采用直接在制浆池中添加发泡剂，将浆液与发泡剂混合搅拌好以后直接注入注浆管路，如图（4-7-24）。采用该法在枣庄矿业集团的柴里煤矿应用效果显著。图4-7-24地面添加发泡剂的三相泡沫制备工艺流程

三制浆站（粉煤混合器发泡器相泡沫发泡剂或空氮气气灰或黄泥）（2）井下添加发泡剂井下添加发泡剂的方式适用于浆液产生量较大而注浆量又无法控制的矿井，三相泡沫最适宜的浆液产生量为10～30m3/h，如果浆液量过大，有可能导致发泡剂的浪费，因此，可以在井下对其进行分流，然后采用井下添加发泡剂的方式，如图（4-7-25）所示。这种添加方式最早在大屯煤电（集团）有限责任公司姚桥煤矿获得了应用。图4-7-25井下添加发泡剂的三相泡沫制备工艺流程制浆站（粉煤灰或黄泥发泡剂混合器发泡器氮气或空气三相泡沫2）注三相泡沫的工艺程序（1）检查设备在注三相泡沫前，应该先检查注浆管路、供电设备、制氮机或空气压缩机、发泡装置、螺杆泵及一些辅助设备是否处于工作状态，以保证注三相泡沫的顺利进行。（2）制浆采用粉煤灰或黄泥为固相成分，制备合适浓度的泥浆，一般水土比为2：1～5：1。事先尽量过滤掉浆液中的10mm以上的大颗粒杂质，且粉煤灰需用热电厂出来的干飞灰。制浆可以采用以下几种方式：①直接将粉煤灰或黄泥倒入制浆池中，加入水配制成合适浓度的浆液。②将热电厂出来的粉煤灰浆液通过管路直接接入到注浆池中。由于热电厂直接用水捕集后的粉煤灰浆浓度较低，仅含7～8％的粉煤灰，因此需要将粉煤灰浆流至泥浆池中，沉淀数次，经过多次沉淀，最后配制成合适的浆液浓度。③采用高压水枪喷射在黄泥上取土，泥浆经过过滤网过滤，除去杂物后流入注浆池配制合适浓度的浆液。制备好合适浓度的浆液后，需要用搅拌机不断的往复搅拌，保证浆液不沉淀，使进入注浆管的浆液浓度均匀。（3）注三相泡沫制好合适浓度的浆液后，首先在注浆站提前供给十分钟的清水，冲洗注浆管路；接着开始注泥浆；当浆液达到注发泡剂的地点后，启动螺杆泵，将发泡剂按定量比加入到注浆管路之中；当浆液和发泡剂的混合液到达发泡器后，打开气体阀门开始供气，此时形成的三相泡沫注入需要防灭火的区域；当注泡沫结束后，用清水冲洗管路，以防堵塞管路；完成这些工作后停气、停水、断电。3）三相泡沫技术指标三相泡沫技术指标如表4-7-6所示。表4-7-6三相泡沫技术参数技术指标参数值技术指标参数值发泡倍数≥30倍耗浆量10～30m3/h稳定时间>8～24h三相泡沫产生量300～900m3/h水灰质量比1:1～4:1发泡剂用量0.2%～0.5%2、防治一般采空区煤炭自燃采空区如果封闭不严，必然会存在一定的漏风，这就为采空区浮煤的自然发火提供了必要的条件。采用注三相泡沫的措施，能使浆液短时间内大面积地覆盖煤体、封堵煤体裂隙，有效地防治煤炭自燃。1）在姚桥煤矿中的应用（1）矿井概况姚桥煤矿位于江苏省沛县境内，为特大型现代化矿井，目前矿井实际产量达340万t/a。开采煤层为易燃发火煤层，矿井自然发火危险等级为Ⅰ～Ⅱ级，自然发火期1～3个月。如7361工作面在掘进期间就曾出现多处自然发火，若发生火灾，可能会侵袭－650轨道、皮带大巷，对全矿井安全生产构成严重威胁。（2）工艺过程由于姚桥煤矿注浆站的注浆量不能控制其流量大小，进入注浆管路中的浆液量非常大，约为50~60m3/h；大大超过了注三相泡沫所需浆液量的范围，因此如果采用在井上加发泡剂，势必造成发泡剂的浪费。因此在注浆管路系统上接入分流管路，注三相泡沫需要的注浆量由注浆管上的截止阀和压力表来控制在15m3/h左右，其它浆液可通过分流管路直接注入到别的采空区进行防灭火。井下发泡器附近用螺杆泵将发泡药剂按比例定量添加到管路里，再用氮气发泡后加注到采空区中。气相采用氮气，空气进口压力0.8MPa，氮气出口压力约0.5MPa，温度43.5℃，氮气纯度为98~99％。（3）应用效果在姚桥矿应用产生的粉煤灰三相泡沫如图4-7-26和4-7-27所示。姚桥煤矿注三相泡沫的水灰比约为3:1，到达试验点的压力为0.2MPa，发泡效果良好，泡沫稳定细腻，发泡倍数30倍左右，泡沫稳定时间8个小时，注三相泡沫后，采空区内的一氧化碳浓度明显降低。

图4-7-26喷涌出来的粉煤灰三相泡沫图4-7-27三相泡沫开始堆积3、在倾斜俯采综放工作面采空区中的应用对于倾斜俯采综放工作面，如果采用预防性注浆来防治采空区煤炭自燃，浆液就会顺着冲刷形成的小沟流向地势低洼区和工作面，不仅起不到防灭火效果，而且破坏井下环境，严重影响工作面的正常生产。而采用注三相泡沫技术效果相当显著，600～1000m3/h的大流量三相泡沫在短时间内就能充满整个采空区，由于三相泡沫质量轻，能够向高处堆积，破灭后产生的泥浆也会很好地覆盖在煤体上，而不会回流到开采工作面，因而不会给生产带来任何不良影响。辽宁铁法煤业集团大兴煤矿N2703综放工作面煤炭自燃的防治，充分证明了该项技术在治理倾斜俯采综放工作面采空区煤炭自燃方面的有效性。目前，该矿已把三相泡沫技术作为日常生产防止煤炭自然发火的一个主要手段。具体方式是在开采的过程中，工作面每向前推进40米，就在顺槽预埋一根注三相泡沫的管子，采取边采边注三相泡沫的方式防治煤炭自燃，取得了良好的效果。1）工作面概况大兴矿位于东北地区，是一座年设计生产能力为380万吨的特大型矿井。该矿目前开采的N2703综放工作面位于北二采区中部，工作面回顺长1431米，运顺长1411米，倾斜宽160米，工作面面积227360平方米。煤层以气煤为主，煤层厚度5.60~9.88米，一般煤厚7.81米，整个工作面设计回采率为85%，采区设计回采率为75.14%。煤层倾角为15~25度，工作面小断层构造多，裂隙较发育，漏风较严重。煤层属于易自燃煤层，自然发火期为1~3个月，最短为18天，该工作面周围与四个采空区相连，自然发火情况相当严重。2）应用过程N2703综放工作面于2004年9月22日开始开采，工作面采空区于10月25日起开始出现大量CO，26日开始出现C2H4，情况十分危急，此时工作面推进了90多米，无法准确判断出高温火源点的位置。该矿决定采用注三相泡沫来防治采空区的煤炭自燃，以黄泥作为固相，井下抽到地面来的废水作为液相。配制的浆液灰水比（质量比）大约为1:4，浆液每小时流量控制在15~20m3/h，气量为600m3/h，发泡剂为浆液量的0.5%（质量百分比）。由于该工作面是倾斜煤层的俯采，注三相泡沫的地点离工作面比离运顺近的多，因此三相泡沫容易先从回风顺槽的后三角点喷涌而出，因此在下图中离工作面大约10米处的采空区内先注沙形成一道沙墙；并于10月30号开始大量注三相泡沫，连续注了7天。图4-7-28为其三相泡沫地点及泡沫扩散示意图。图4-7-28三相泡沫灌注点及扩散示意图3）应用效果①注三相泡沫情况N2703综放工作面采空区从10月30号到11月5号，连续注了7天的三相泡沫，共向采空区中注黄泥约672吨，废水约2600吨，但是浆液几乎没有从采空区流出。10月5号上午，可以从综放工作面支架后采空区各个地方的煤体裂隙中看到了三相泡沫扩散出来，说明三相泡沫均匀充满了整个采空区，并进入了煤体的裂隙和漏风通道，有效地包裹了整个采空区低、高处的浮煤，封堵了采空区的煤体裂隙，有效地控制了采空区内的高温火源点。②取样孔参数变化情况采用三相泡沫防治技术以后，N2703综放工作面采空区的高温火源点得到了有效地控制，回风巷道和采空区CO浓度变化情况如图所示。由图中可以看出，从开始注三相泡沫以来，回风巷和采空区内的CO浓度显著降低，采空区的隐蔽高温火源点得到了有效的控制。三相泡沫在大兴矿的成功应用表明，三相泡沫不仅适用于扑救倾斜俯采综放工作面采空区的火灾，而且对位置无法准确探测的隐蔽火源，防灭火效果也十分显著。（a）回风巷道CO变化（b）采空区CO变化图4-7-29注三相泡沫后气体变化趋势（图中直立线位置代表开始注三相泡沫的日期）4、在特大型火区中的应用2003年10月24日，宁夏煤业集团白芨沟煤矿发生特大瓦斯爆炸事故，并引发了大面积的采空区火灾，最终导致全矿井封闭，井下无法进行任何灭火工作。如果采用地面打钻注浆方式，浆液在井下不能均匀分散，很可能沿着一些巷道流失并淹掉工作面，在恢复生产时发生溃浆现象；同时浆液难以达到高位火源点，起不到灭火效果。如果采用注凝胶，一方面大面积采空区用凝胶灭火不现实；另一方面若从地面钻孔注凝胶，凝胶流动性差，在井下扩散半径小，几十万元的一个钻孔很可能被堵塞，造成极大浪费。因此决定采取在地面打钻注三相泡沫技术来扑灭大面积采空区火灾。利用三相泡沫发泡倍数高、均匀分散浆液、能向高处堆积、对低高处煤体能有效覆盖的特点来进行灭火。最终有效地扑灭了采空区火灾，并且快速恢复了生产，火区也没有复燃。1）矿区概况与事故白芨沟矿是我国著名的太西无烟煤生产基地，设计生产能力为120万t/a。矿井煤层瓦斯含量大，属高瓦斯矿井，煤层自然发火期为12个月，煤尘有爆炸危险。2003年10月24日，宁夏煤业集团公司白芨沟煤矿南二采区2421-1综放面在回采过程中，采空区发生了瓦斯爆炸，将1700回风四川密闭摧毁，在封闭工作面火区的过程中，又发生无数次瓦斯爆炸，将1660进风二川密闭摧毁，为了保障人员的安全，最后被迫全井封闭。在封闭全井的过程中，又发生了无数次瓦斯爆炸，导致了井下火灾范围不断扩大。针对白芨沟矿综放采空区冒落高度大、遗煤多、火灾范围大、火源位置难以确定、全矿井完全封闭的实际情况，为了尽快扑灭井下火灾，恢复矿井生产，提出了地面打钻大流量注三相泡沫的技术。2）地面打钻及钻孔布置由于白芨沟矿地质条件和气候较恶劣，打钻采用了中煤大地公司引进的美国Schramm公司生产的T685WS车载顶驱钻机。仅用了42天时间就为白芨沟矿施工了11个灭火钻孔。地面钻孔分布情况及实际钻孔如图4-7-30和4-7-31所示。图4-7-302421-1综放面火区钻孔分布

图4-7-31白芨沟矿的地面钻