防治煤炭自燃的三相泡沫新技术与应用   中国矿业大学  报告人：王德明  教授  报告提纲 概述 问题的提出 国内外防灭火技术现状 三相泡沫的组成及特性 三相泡沫的制备 三相泡沫的形成机理 发泡剂与发泡器的研制 三相泡沫的实验室试验 三相泡沫的现场制备 三相泡沫的防灭火性能 堆积性与流动性 防灭火特性 三相泡沫防灭火的现场应用 特大型火区 综放工作面 巷道高冒火区 2001~2005年，共发生死亡3人以上的火灾事故43起，死亡614人。 2005年，我国原煤年产量21.1 亿吨。据“十一五”规划，2010年，我国将建成神东、晋北、陕北等13个大型煤炭基地，而其中的很多矿区都不同程度地存在煤矿火灾问题，迫切需要高效、环保、经济防灭火的技术及材料。  为充分利用目前有效的常规防灭火技术与手段，又能克服目前注浆、惰气、惰气泡沫、阻化剂等防灭火技术的不足，中国矿业大学创新地提出了三相泡沫防灭火新技术，研制了产生三相泡沫的装备，开展了三相泡沫防灭火理论与应用研究。  （1）不同矿区粉煤灰（飞灰）的粒径分布 （2）黄泥、粉煤灰（炉渣）的粒径分布 3、气体特性 三相泡沫的形成机理 发泡剂的研制 发泡器的研制 三相泡沫的实验室试验 三相泡沫的现场制备 1、三相泡沫的形成机理 发泡剂使浆液表面的张力降低，改变固体颗粒的表面湿润性； 浆液与气体经过发泡器时利用浆体与氮气本身的动力对三相混合液做功，从而形成了大量三相介质泡沫群体。   3、三相泡沫发泡器研制 网式两相泡沫发泡器 回采工作面冒落空洞处理矿用泡沫水泥充填机 建筑行业的泡沫混凝土泡沫发生器的相关研究  （1）三相泡沫发泡器 （2）三相泡沫发泡器发泡过程的仿真模拟 实验室三相泡沫发泡试验 （2）三相泡沫现场制备系统（地面添加发泡剂） (2)三相泡沫现场制备系统（井下添加发泡剂） 矿井地面制浆系统 发泡剂定量添加装置（地面）  发泡剂定量添加系统（井下）  井下使用的三相泡沫发泡装置及注浆钻孔 三相泡沫的基本特点 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； 水浆成为泡沫，分布更为均匀，可避免浆体的流失，提高了防灭火的有效性； 可向采空区高处堆积，扩散范围广，可扑灭采空区的隐蔽火源； 泡沫堆积不会发生溃浆，没有安全隐患。 1、泡沫的堆积性 2、泡沫的流动性 三相泡沫的灭火性能分析 经典的火灾三角形说明了火灾发生及灭火的原理。但煤的自燃，自由基作为中间体参与反应，自由基已被称为着火的四要素之一； 三相泡沫的灭火性能分析 水有很大的吸热能力（1kg水汽化成蒸汽时能吸收2256.7J 的热量），能很快使物体冷却而停止燃烧； 水遇火（高温）能蒸发成大量水蒸气（1 m3水能生成1700m3水蒸汽），使燃烧物表面与空气隔绝，并能稀释空气中的氧浓度 3、三相泡沫的灭火性能 （1）三相泡沫与水灭火对比试验    （2）三相泡沫的灭火试验 4、三相泡沫发泡剂溶液的阻燃性 白芨沟矿应用效果 当地的白泥为固相，井下抽到地面来的废水作为液相。灰水比为1：4，浆液每小时控制流量为15~20m3/h，气量为600m3/h，发泡剂为浆液量的0.5%。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，因此于10月28日和29日两天在1和3两点先注沙来形成一到沙墙；于10月30日开始在2和4号点大量注三相泡沫，连续注7天隐患消除。 （1）耿村矿12190工作面进风巷高冒火区治理  （1）耿村矿12190工作面进风巷高冒火区治理  常村煤矿设计能力180万t/a，煤厚平均6.5m，自燃倾向性严重，自然发火期最短7d，采用综放开采工艺。 21082工作面进风巷内错上分层巷道 20m，地应力显现明显，掘进时，顶煤松动破碎，最大冒高超过5 m。 成巷10天后，巷顶缝隙中检测到CO气体160 ppm。采取打钻孔注浆后，由于巷道底板是碳质泥岩，在浆水的浸泡下，发生膨胀，断面变小。扩巷期间，多处发生冒顶。巷道扩修后12天，冒顶区发生冒烟，灌浆和洒水均不凑效，充填了302 m3胶体泥浆，CO仍达260 ppm，在随后的47天内，虽采取定期适量灌浆湿润，但CO高踞不下成为一处顽固性自燃隐患点。 3、三相泡沫在综采支架上部灭火中的应用  3、三相泡沫在综采支架上部灭火中的应用  注三相泡沫后的效果 （3）耿村12171封闭区巷道的快速灭火 （4）耿村矿1207工作面撤架期间快速灭火 三相泡沫的主要技术指标 三相泡沫的发泡倍数 30倍 泡沫稳定时间8h～36h 水灰比 （质量比）4 ： 1 耗浆量10～30 m3/h 产泡量 310~1230 m3/h 发泡剂使用比例0.2～0.5% 发泡剂成本 1～3元/m3泡沫 六、结束语 针对综放采空区、巷道高冒区等地点煤炭自燃隐蔽火源治理的难题，提出了防治煤炭自燃的三相泡沫新技术。提出了沿顺槽埋管、综防支架背后插管、井下或地面打钻等向采空区、高冒区注三相泡沫的不同工艺。 该技术充分利用煤矿已有的灌浆系统和气源（氮气或压风），集固、液、气三相材料的防灭火性能于一体，三相泡沫产生量大、 扩散范围宽、可向高处堆积，防灭火效率高、经济性好。 该技术已在全国近30个矿井得到了广泛的应用，尤其在治理宁夏白芨沟矿井下特大火区、义马耿村巷道高冒火灾和铁法大兴综放俯采工作面的煤自燃，三相泡沫技术起到了关键的作用。三相泡沫为治理采空区大范围和高位的隐蔽火源提供了一项高效的新技术。  （2）义马常村矿21082工作面进风巷高冒治理  （2）义马常村矿21082工作面进风巷高冒治理  2005年7月22日，利用井下移动式注浆系统对21082工作面外部运输联络巷附近45m长的进风巷巷顶注三相泡沫，共注750 m3。到7月23日8点班，该处煤油味消失， CO浓度仅为6 ppm。 枣庄新安煤矿，年产500万吨。3105上分层工作面属于综放工作面，该工作面在推采到距离下分层停采线100余米处时，采空区出现自燃征兆，在工作面的进风隅角后部一氧化碳高达800ppm,采空区遗煤出现自燃现象。 利用岩石电钻从工作面支架间隙向采空区打钻，钻孔的角度以60°～75°为宜，深度6—8m为终孔，钻孔间距为3 m，由工作面沿架间布置，随着工作面的推进和采空区的冒落，再用钻杆延接钻孔，确保钻孔的正常进浆。工作面从60#到120#架共布置钻孔30个。 工作面架后CO浓度变化情况 向采空区注入三相泡沫9000m3，回风隅角及支架后方的一氧化碳注三相泡沫两天后就下降至40ppm，使该工作面安全结束并回撤封闭。 封闭的12171工作面，A密闭处被压裂，出现漏风,导致煤炭自燃并引起老塘木垛火灾，火灾烟流由密闭向巷道内大量渗漏，CO浓度达到2000ppm。由于火灾在顶部，注浆一直不能扑灭火灾，经注胶体泥浆，初期能控制火灾形势，但隔几天火灾又重新复燃。经过8小时灌注三相泡沫，CO彻底消失，火区熄灭。 A A 1207工作面撤架期间，在撤至踞下口30～50m位置处，工作面顶部一条废弃的巷道着火、垮落并掉下火炭引燃木垛及浮煤，引起工作面大火。经采取密闭后，控制了火势，但是火源一直未灭。采取工作面上隅角埋管（40mm）、高冒区插管（38mm）注三相泡沫后，历时2个生产班，彻底扑灭了火灾。  地面制浆站 地面 注浆管路 发泡器 发泡剂 氮气 三相泡沫 五、三相泡沫的防灭火特性 三相泡沫 两

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