两相泡沫灭火技术在煤田火区的应用

两相泡沫灭火技术在煤田火区的应用

马晓辉

新疆维吾尔自治区煤田灭火工程局 新疆维吾尔自治区 乌鲁木齐市 830063

摘要：我国是煤火最为严重的国家之一。当前治理煤火主要采用注水注浆配合黄土覆盖的方式，但煤田火区裂隙和采空区较多，水浆易流失，且隐蔽火源的治理难度大，而两相泡沫具有良好的扩散性和高堆积性，可克服水体易流失、火源点难以控制的缺陷。为治理煤田火灾，在某露天矿田火区开展了两相泡沫的灭火，该技术的降温灭火效果，为高效治理煤田火灾提供依据。

关键词：露天矿；火区；两相泡沫

煤炭是我国的主要能源，在一次能源生产和消费结构中占据较大比例，但是煤田火灾的存在严重威胁着我国的战略资源。煤田火灾是指地下煤层因自然或人为因素发火后，沿着煤层逐步发展成对煤炭资源和周围环境造成较大危害的大面积煤燃烧现象，也称地下煤火或煤火。近年国家政策的影响，强制关闭一些乡镇煤矿及整合年产量较小的煤矿，实行更加标准和先进的采矿技术，造成露天矿的开采不可避免地揭露原始封闭的矿井环境，势必会导致遗煤的复燃。因此，多种原因造成露天矿的防灭火压力倍增，爆破钻孔因火区作用呈现高温现象而无法装药，露天矿的火区治理迫切需要防灭火技术的创新和融合。

一、露天矿火区空间立体特性及治理难点

对于煤火而言，地下不仅有采空区，而且还存在着相互交错的巷道，采空区与废弃巷道连通共同影响着火区的形成和发展。通过前期的调研和揭露的煤层巷道，归纳总结出露天矿火区具有空间立体特性。

1、火区特性

(1)空洞火源点较多。煤层巷道和采空区自然垮落后，垮落区如果压实较为紧密，则漏风很难通过，煤自燃也就缺少了氧气条件，反之，垮落区垮落不充分，漏风则易流经该区域。从平盘上施工的钻孔来看，打穿的钻孔大多是高温区域。所以基本上可以判定火源多分布在空洞区。空洞在整个立体空间上是不均匀分布的，空洞的大小不一，有的空洞高度少则几厘米，多则几十米。因此，空洞火源点较多是空间立体火区特性之一。

(2)热量立体式分布。露天矿小煤窑火区存在时间较久，随着时间的推移，大量热量以对流与热传导方式立体式扩散，使高温区域呈立体式分布，火区内部已非单一火源，随着空洞通道蔓延多个平盘。岩石的导热系数低，热容量大，火区的热量被外部的岩石严实包裹，致使热量很难自然散发出去，热量最终呈现立体式分布。

2、火区治理难点。因露天矿空区火区具有空间立体分布特性，火区治理面临着诸多难点：第一，随着矿区不断纵向与横向开采，火势不断发展，在治理过程中新老火区的交替出现较难控制；第二，根据露天矿的开采方式，火区大范围治理成本高，资源消耗量大，不切实际，当采取局部灭火降温的方式进行时，周围区域的热量仍向该区域不断补给，延缓了治理进度，甚至失效，给高温区域的灭火降温带来很大困难；第三，火区内部存在大面积高位火源，一般的灭火降温方式无法治理高位区域，给露天矿空区火区的治理提出了严峻的挑战。第四，熄灭火区后期维护困难，容易复燃。由于煤田火区的范围广，在治理过程中，一般采取有针对性地分区隔离治理，但在实际灭火过程中，由于地下火区相互连通，热量通过裂隙、巷道等渠道相互传导，致使熄灭了的火区发生复燃。

二、露天矿两相泡沫防灭火技术

1、两相泡沫基本原理。在水中加入一定量的发泡剂、稳泡剂等表面活性剂，并引入空气，经由两相泡沫发生装置物理机械性发泡，所形成的两相体系称为两相泡沫。两相泡沫注入空区火区进行防灭火，主要起到以下作用：

(1)隔绝空气，阻止煤的氧化。两相泡沫注入空区火区，当两相泡沫刚接触高温煤体时，泡沫会被煤体表面高温所破坏，同时泡沫也冷却了煤体表面，煤体对泡沫的破坏能力也不断下降，当高温煤体表面的消泡量与接触量达到动态平衡或者小于接触量时，高温煤体表面会逐渐降至着火点以下甚至更低的温度，此时，产生的蒸汽已无法穿透两相泡沫，高温煤体表面会形成一层致密的两相泡沫隔离层，阻断了煤体与空气的接触。

(2)吸热降温。水的比热容与汽化热都很高，水的比热容为4．2×103J／(kg·℃)，水的汽化热为2260×103J／(kg·℃)。若使1kg常温水(20℃)完全汽化，需要消耗热量，在水与炽热的煤体接触时，在被加热和汽化的过程中，吸收大量的热量。在两相泡沫中的水分与煤体接触时，通过物理作用和化学反应吸收大量的热，同时湿润煤体，起到吸热降温的作用。

(3)到达高位火源。事实上，只要任何一种防灭火介质作用到火源都能很快抑制煤的继续燃烧。但是实际情况下，由于火源的立体分布特点，必然存在高于注入点的火源，这时只有泡沫和惰性气体能较快到达，缩短灭火时间。而惰性气体易流失，泡沫能更长时间接触到火源，灭火效率高。

两相泡沫的灌注工艺是在水中加入一定量的发泡剂，送入发泡器后均匀混合，然后引入氮气，经过发泡器物理机械发泡形成两相泡沫，经由输送管道送达空区火区内部，进行灭火降温。

三、露天矿两相泡沫应用

1、治理时注意事项

(1)在对明火空区进行注水时，水量应不低于30m3／h，防止少量水的注入对燃煤起助燃作用，加剧火势的发展。同时首次注水时人员需远离，防止因空区内部压强增大，高温蒸汽迅速冲出，将人烫伤。

(2)灌注两相泡沫时应保证灌注的连续性。高温煤体在遇到两相泡沫时其温度沿某一梯度持续下降，在煤体温度未降至着火点以下时，若此时停止灌注两相泡沫，前期注入的两相泡沫破裂后释放泡沫内携带的空气，可能会加剧煤体氧化，所以，在两相泡沫灌注过程中需保持灌注的连续性。

2、火区治理效果。钻孔的温度降至50℃以下，满足爆破工程的装药要求，同时，整片火区的温度整体降至平均温度40℃，两相泡沫在露天矿火区治理中取得了良好效果。为进一步说明两相泡沫的适用性，通过对大量空区火区的长期监测，现列举具代表性的空区火区，为探讨火区治理参数之间的关系，揭示其隐藏的规律，以灌注时间为自变量，火区体积、两相泡沫用量、初终平均温度为因变量。

由图可知，火区体积越大，所需灌注时间越长，两相泡沫用量越大。两相泡沫的用量始终大于火区的体积，这是因为泡沫作用于火区时将消耗大量的泡沫，泡沫还要充填火区的空间及裂隙，另一方面泡沫在输运过程中受沿程阻力影响也会有一部分泡沫消泡。当火区体积较小时，火区体积与泡沫用量比较接近，当火区体积较大时，两者出现差距，其原因是火区体积较小时，泡沫与火区作用比较充分，有效泡沫量较高，反之，火区面积较大时，则要再细分出更为关键的火区治理区域，其他非关键区域火区温度将会随着关键区域温度的降低而大幅度下降。从图中也可以看出，初始火区平均温度与其余参数没有明显的数量关系，治理后的平均温度则要达到炸药安全爆破温度以下。

结论

(1)空洞火源点较多、热量立体式分布、递推式动态发展共同构成了露天矿火区空间立体特性，使得露天矿火区治理面临诸多难点。

(2)提出采用两相泡沫防灭火技术治理露天矿火区。两相泡沫综合了目前所存在的煤矿防灭火介质的优点，在高位火源治理中具有突出优势，在东露天矿进行了工程应用，取得了良好的治理效果。

参考文献：

[1]康丽莹.基于故障树的煤矿采煤机截割部和牵引部机械故障分析[J].科技风,2019(25):14.

[2]石双宝,赵雪剑.采煤机电气部件故障诊断与安全运行[J].当代化工研究,2019(08):29-30.

[3]冯涛.电牵引采煤机变频器主要故障分析与维修方法[J].科技风,2019(22):17.