煤炭自燃火灾扑救的新型灭火技术

煤炭自燃火灾扑救的新型灭火技术

中国56%的矿山存在采矿和消防危险。近20年来,随着我国采煤新技术的试验和推广,煤炭的产量和效益大幅度提高。但开采强度大,端头支架处顶煤放出率低(有的不放),采空区遗煤量较多,使得煤层自然发火几率增高,矿井自燃火灾事故增多。目前,煤炭自燃已成为制约我国煤炭工业高产高效的主要灾害之一。本文即在分析煤炭火灾危险性及特点基础上,利用自行研制的新型灭火剂,对煤自燃的火灾防治进行分析研究。一、煤体阻燃机理煤矿火灾主要是煤自然发火,由于空气渗漏进入松散煤体,空气中的氧与煤分子表面的活性结构接触,发生物理吸附、化学吸附及化学反应,同时放出热量,在一定的蓄热环境下,煤体不断地氧化、放热、升温,当煤温超过临界温度后,煤体继续升温,达到煤的着火点温度,最终导致煤体燃烧。煤自燃火灾有其独特的性质。火灾一般发生在距煤体暴露面一定距离的深部,一旦发现煤体暴露面处有自燃征兆,煤体内部及围岩已储存了大量的热能,火源点周围煤岩体的温度升高,要降低如此大范围高温煤岩体的温度相对较困难。因此煤层自燃采用封闭灭火周期较长,火区启封后易于复燃。煤体自燃是煤氧复合放出热量的结果,煤体温度越高则煤的氧化活性越高,煤氧化反应速度越快,放热强度越大。煤氧复合只要有氧存在就能进行,氧浓度大小只影响煤氧复合速度的大小。煤自燃其实质是氧化放热与散热这对矛盾运动发展的过程,当煤氧化放热速率大于热量散发速率时煤温上升,放热速率小于散热速率时,煤温下降。从理论上分析煤体自燃主要取决于三大要素,即煤自身的氧化性能和放热性能、足够的供氧量以及良好的蓄热环境。这三大要素落实到实际条件下的煤自燃情况,其影响因素就更为复杂。首先,煤自身的氧化放热性能受温度的影响很大,温度越高,则在相同氧浓度下,氧化性和放热性越强;煤氧复合首先发生在煤分子表面活性结构,则煤岩本身的孔隙率、破碎度、煤岩硬度等都会影响煤氧复合的速度。其次,煤自燃的供氧条件主要取决于空气渗漏条件,即风压差、空隙率、瓦斯涌出状况,以及由温差引起的热风压等都会影响供氧条件。而蓄热环境又与煤中水分含量、空隙率、顶板岩性、松散煤层厚度、漏风强度、围岩原始温度、巷道风流温度等因素有关。煤自燃是三大主要因素的有机结合,缺一不可,在实际条件下,煤体自燃是上述诸多因素相互作用的结果。二、采空区浮煤防灭火技术一般情况下,易自燃的实体煤不会发生自燃,这是由于实体煤比表面积较小,煤与氧接触面积小,其氧化放热量也小,煤氧化放出的热量能很快发散到周围岩层,因而煤温不会升高而引起自燃;在采空区深部,尽管松散煤体量也较大,但由于煤的耗氧使采空区深部氧浓度很低,通常也不会发生自燃。所以煤氧接触和煤温达到一定高度是煤发火的两个要素。因而对于易自燃煤层,要防止其自燃应从减少煤氧接触入手,减少煤氧接触面积和阻止氧气向松散煤体附近扩散和渗漏。当发生自燃或煤温较高时,还要降低煤温。可通过尽量减少向煤体破碎带漏风,减少煤氧接触几率,防止煤体热量聚集。目前煤矿常用的灭火技术主要有:水灭火技术、注氮灭火技术、均压防灭火技术、灌浆防灭火技术、阻化剂灭火技术、惰气泡沫防灭火技术、雾化阻化剂防灭火技术、粉状惰化阻化剂防灭火技术、凝胶防灭火技术等,这些技术都有各自的特点。用水(或阻化剂水溶液)灭火,成体低,降温迅速,但水在600℃以上会分解成氢气和氧气,有水煤气爆炸的危险,水煤气与瓦斯的混合气体爆炸危险性也很大。水在100℃以上会迅速汽化,产生大量水蒸气,使气流体积猛烈膨胀,对井下灭火队员造成极大的威胁。雾化阻化防灭火技术对于综放面采空区大量浮煤堆积地点难以见效,由于高瓦斯矿自燃火区位置通常比较高,火源点可深入到支架或煤层顶部,而雾化阻化剂难以进入大于采高部分的浮煤中,故影响了其灭火效果。惰泡防灭火技术,根据目前的技术稳泡时间能达到36h,对采空区注惰泡能起到降温,减少漏风,降低采空区氧浓度等作用。但惰泡在碎煤中压注,发泡性能很差,起泡倍数低,若仅起阻化剂作用,则成本太高,且有效率太低。对已形成高温的浮煤,仅依靠惰泡隔氧灭火,需注泡量很大,成本很高,且一旦停止注泡很易复燃。灌浆(黄土、粉煤灰及矸石等制浆)防灭火技术,过去的事实证明是一种很有效的技术,但由于浆液沿底板向低处流动,使得大量堆积浮煤的综放面采空区防火较困难。同时它还存在用水灭火的缺点。该项技术对于顺槽高冒区、松散带、相邻采空区冒透区的防灭火显得很弱。均压防灭火技术,这是一项较成熟的防灭火技术。闭区均压减少采空区漏风,以防采空区浮煤自燃。开区均压降低采空区周围的压差,减少向采空区浮煤漏风,从而降低自燃危险程度。对于无煤柱沿空送巷开采的易自燃煤层及已经或曾经发生自燃的火区,若仅依靠均压技术达到完全杜绝漏风并防止自燃是不现实的。注氮防灭火技术,该技术目前对于注氮防火的机理,合理注氮时间、地点、注氮量、注氮防火使用条件等由于采空区自燃危险区域的模糊,而没有系统地解决好应用问题。此外由于注氮对降低煤温效果不好,所以注氮灭火周期较长,灭火后也有复燃现象。粉状惰化阻化剂防灭火技术,其优点是所使用的材料在煤体氧化蓄热到30℃以上,它即开始吸热放出惰性气体,发挥作用,煤体不自热,它不发生效用,对于淋水大的地点不适合。该阻化剂是水溶性材料,且该项防火技术的应用工艺和设备还有待于进一步研究。凝胶防灭火技术是一种较好的固水堵漏防灭火技术。所采用的凝胶是水凝胶。向水中加入少量添加材料,经过一段时间物理、化学反应后便形成凝胶。凝胶形成时间可通过改变添加材料的量来控制。成胶前,凝胶原料呈溶液状态,此时通过管路用泵进行输送,调节成胶时间,使成胶原料流至预定的发火部位形成凝胶,固结在煤体中,利用凝胶的吸热降温和堵塞漏风特性来灭火。水凝胶材料具有与水相似的吸热降温性能,能够使煤温很快降低,具有隔绝煤氧接触的性能及阻化性能,减少煤氧化反应速度,降低煤氧化放热量,可以防止灭火后发生复燃。水凝胶材料来源广泛,灭火成本低廉,配方可因现场情况而变化。但硅凝胶也有一些缺点:(1)硅凝胶材料的两种原料在胶体中所占的比例在10%左右,在扑灭大范围火灾时,由于煤矿井下生产空间狭小,大量的灭火材料在井下运输很困难,很可能由于材料运输不及时而延误了灭火;(2)硅凝胶材料在成胶过程中会产生刺激性气体氨气,对环境造成一定程度的污染,大量刺激性气体聚集在巷道封闭空间也不利于井下工人健康;(3)原料具有一定的腐蚀性,设备部件需经常更换,在发火区周围,因温度较高,硅凝胶硬度增强,充填过程容易堵塞管路等。上述防灭火技术在煤矿防灭火中都存在一定问题。因此,如何提高煤矿的防、灭火效率,提高防、灭火速度,使灭火后不易复燃对煤矿的防、灭火具有重要的意义。采用高分子材料做胶体材料的胶体技术,可以保留凝胶灭火技术的堵塞漏风、隔绝煤氧接触优势,且由于胶体材料添加量小(3‰),且无毒、无腐蚀性,流变性能较好,可以克服凝胶灭火技术的不足,在煤矿的防、灭火工作中会发挥重要的作用。三、煤堆承担的水作用煤炭火灾属于可燃固体火灾。常见的灭火剂如水、泡沫、卤代烷、二氧化碳、干粉原则上都可以用于煤炭火灾的扑救,但卤代烷、二氧化碳、惰性气体等气体灭火剂价格较高,且目前的相关技术难以发挥出其灭火效率;干粉灭火剂尽管灭火效率较高,灭火速度快,但干粉灭火时对燃烧的冷却作用小,基本不具备覆盖和防止燃烧蒸发的作用,煤堆表面容易引起复燃,煤堆内部基本不发挥作用;泡沫灭火剂广泛应用于B类火灾中,灭火效率高,灭火速度快,但用来扑灭煤自燃火灾效能低、用量大、不经济;水由于具有很强的吸热能力,对煤具有显著的冷却作用,部分水可渗入煤堆体内部吸热降温,特别是一些阻化剂的加入有提高水灭火附加作用的功能。因此,理论上水及添加了阻化剂的水系灭火剂可以用于煤堆自燃火灾的扑救。图1为煤堆自燃与洒水灭火的关系曲线图。可见,水仅能当时略微降低表面温度,当水流失之后,细小粉煤被水带走,剩余块煤松散堆积在一起,好似一个炉膛一样;氧气渗透通道畅通,供氧充分又很快引起自燃。另外,水流流经块煤时,很快就从着火层渗透下去,往低处流动,恰好冲开一条漏风通道;着火层煤的块度较大,水很快仅从表面流过一下,只能降低高温块煤的表层温度,故煤温又能很快回升而重新发生自燃。因此,用水扑救煤自燃火灾要有足够的水源,或能防止水的流失,提高水的利用率。由上述分析可知,扑救煤自燃火灾的必要条件是要有足够的水,或能防止水的流失,提高水的利用率。而防止水流失,(1)能充分利用水的冷却作用、减少用水量,减少大量用水后对周边环境的影响;(2)能减少因大量水产生水蒸气引起的膨胀爆炸,减少水分解成氢气和氧气(600℃以上)形成水煤气爆炸的危险,增加灭火的安全性;(3)对缺水地区有重要的意义。在查阅大量文献资料和反复试验筛选的基础上,采用有机线性高分子材料为主体的高水充填材料,与水作用形成高分子稠化胶体,利用稠化胶体的粘弹性,使其渗透到煤堆的缝隙中且较长时间停留在煤堆内部,起堵漏隔氧、降温作用,由于胶体受热粘度降低,在煤堆内部向高温点的流动变得容易,而从高温点向外流相对较困难,这对灭火十分有利,又由于胶体中99%以上的是束缚水,有很大的热容,可吸收大量热,不仅可使煤温下降,而且由于束缚力的作用使水不能迅速释放出水蒸气,即使在很高的温度下也不会暴沸,因而可减少灭火过程中水煤气爆炸的危险,而材料添加量少,本身受热也不会释放出其它有害气体,对环境不会造成破坏。四、新火灾防治技术的应用(一)co、co浓度的变化图2、3分别为新型高分子稠化胶体和水灭火后CO、CO2浓度随时间变化曲线。可见,用水灭火时,水与燃烧煤体接触瞬间,产生大量水蒸气使煤的表面温度在水倒入瞬间大幅下降,CO、CO2的浓度在灭火初期显著下降,但随着水下渗速度加快,大量的水从煤体底部、边缘流出,使内部温度下降缓慢,表现为CO、CO2浓度变化不大;而采用高分子稠化胶体灭火时,胶体与火作用相对较缓慢,CO、CO2的浓度在灭火初期较高,但由于胶体在水中停留时间较长,流失量较少,使胶体(与水相比)的降温、隔氧性能得到发挥,在一定时间后,烟气中的CO、CO2均明显低于水灭火时的水平,表现出良好的灭火性能。(二)煤体注灭火后泄漏出的至流场分布图4为新型灭火技术在东滩煤矿自燃火灾防治应用中的试验结果。可见,采用灌水灭火温度反弹速度很快;采用泥浆(水与黄土混合)灌注灭火,温度下降较快,但下降速度平缓,煤体温度始终保持在38℃左右,且泄漏出的泥浆对巷道污染较为严重;采用高分子稠化胶体注入灭火,初期由于稠化胶体分子间束缚力的作用,使水不能迅速释放出水蒸气,水的气化降温过程减慢使发生自燃的煤体温度下降较慢,随着稠化胶体的不断注入,大量的粘稠胶体滞留在煤体的缝隙中起吸热降温和防火堵漏作用,高温区温度明显下降,有效的抑制了火区复燃。(三)工作面未完全解决的原因2002年4月2号,太西集团乌兰矿2258工作面推进过程中,检测到CO,经检查在中部46～62架出现高温,之后在59、60架间底部出现明火,判断、确定自燃区域后向该区域注水,但CO没有下降反而持续上升,煤自燃发火得不到有效控制,工作面无法推进。5月8日开始改用复合稠化胶体从工作面上方向火源点打钻(3个钻孔,深度150余米),井下注胶在46～62架间布6分钢管,15日晨6时,工作面出现水蒸气,之后逐渐减弱,8时水蒸气消失,检测管已检测不出CO,此时共注胶20m3。工作面有效控制后,太西集团领导决定恢复工作面生产。使用该技术共支出13万元(原料2.5万元,设备2.5万元,其他为技术服务