三相泡沫技术在陈家山矿422综放面采空区防治煤炭自燃的应用

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【摘 要】 矿井煤炭自燃是我国煤矿的主要发火灾害之一，为防治煤炭自燃，国内外广泛采用灌浆、注凝胶、注惰性气体等防灭火技术。这些技术对保证矿井安全生产起了一定的重要作用，但还存在一些缺点。综合固、液、气的灭火性能，三相泡沫防治煤炭自燃的新技术是目前煤矿井下防灭火自燃的有效方法，也是陈家山煤矿目前成功进行的一项防灭火技术，值得推广应用。

【关键词】 煤炭自燃 三相泡沫 防灭火

陈家山煤矿开采的422工作面是倾斜综放工作面， 该采面位于四采区下山延伸之左翼，地质构造以褶皱构造为主，煤层属于易自燃煤层，自然发火期为3-6个月，最短为24天。由于矿井煤炭自然发火期短，地压大，且回采方法为大倾角俯采，给防治煤炭自燃带来极大的困难。422工作面煤层中瓦斯含量较高，在回采过程中工作面回风隅角易造成瓦斯积聚。瓦斯和煤炭自燃两大隐患的同时存在，给煤矿安全带来严重威胁。

1 该工作面煤炭自燃治理难点

（1）采用综采放顶煤技术，冒落高度大、采空区遗留浮煤多，漏风严重，为煤炭氧化提供了充足的反应物，采空区煤炭自燃危险性增大。

（2）采空区浮煤自燃供氧条件好，工作面在俯采期间由于其回采方向是由高向低推采，采空区位于工作面上部。回采过程中，进入采空区的漏风风流在进风顺槽风流速压、矿井负压和空气的自身升腾力作用下，空气进入采空区的深度较一般水平工作面或仰采面要大，且俯采工作面的采空区不宜积水，加之顶板出现大量淋水，采空区向外大量脱水，致使采空区无法实施灌浆灭火，空气干燥，使采空区内的浮煤容易进行氧化反应。

（3）采空区浮煤自燃积聚热量条件好，俯采工作面采空区内的浮煤在氧化过程中生成的热量在其热膨胀和上升力的作用下，易于积存在采空区，为煤炭自燃创造了条件。

（4）采空区灌浆措施不易实施，在进行采空区灌浆时，其灌浆量一旦大于采空区承受能力，就会发生泥浆水淹面事故。即使进行采空区灌浆，其泥浆也是只覆盖采空区底板小范围的丢煤，采空区大量的顶板落煤得不到泥浆覆盖。

（5）该工作面煤层瓦斯涌出量大，瓦斯容易在工作面后落山和回风上隅角积聚，采用调风和埋管抽放的措施来抑制采空区煤炭自燃的风险较大。

2 三相泡沫防灭火新技术

该矿所应用的含N2的三相泡沫兼有一般注浆方法防灭火的优点。泥浆通过引入N2发泡后形成三相泡沫，体积大幅快速增加，被注入后能充填整个采空区，因为三相泡沫有很好的发泡性（在氮气充足、水浆比适宜的条件下、发泡倍数可达到25-30倍）、堆积性，所以能在采空区中上部及高处堆积，对低、高处的浮煤都能覆盖；三相泡沫能将黄泥浆水均匀的分散，有较好的挂壁性，有效地避免浆体的流失，保护井下环境，对于倾斜煤层开采更为有效；注入在采空区的N2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功能；三相泡沫中含有黄泥等固态物质，这些固态物质是三相泡沫面膜的一部分，可较长时间保持泡沫的稳定性，即使泡沫破碎了，具有一定粘度的黄泥浆仍然可较均匀地覆盖在浮煤上，可持久有效地阻碍煤对O2的吸附，防止煤的氧化，从而防治煤炭自燃发火。此外，三相泡沫是一种工艺操作简便、安全环保、价格低廉的防灭火材料。

2.1 灌注三相泡沫的工艺流程

鉴于三相泡沫防灭火新技术的优良特点，针对该工作面复杂的地质条件和煤炭自燃灾害的特点，该矿在地面建设有制氮机房，利用中国矿大提出用氮气的三相泡沫防灭火新技术来防治该工作面的煤炭自燃灾害。

2.2 工艺的实施

由于422工作面是大倾角俯采，在422灌浆巷往采空区打钻孔灌注三相泡沫的方法，开始灌注的时候，由于工作面的倾斜，三相泡沫容易从回风顺槽的后三角点喷涌而出。因此我们采用上斜大倾角钻孔（终孔距采面10米以上的高度）， 每月注4-5次，每次注7小时，采空区和回风巷道的气体成分采用气囊取样、气相色谱分析法进行分析。各种气体指数达到规程规定标准。

3 应用效果分析

三相泡沫能将黄泥浆液均匀的分散开，很好的留在采空区，大面积覆盖在浮煤的表面，能有效的防止采空区煤炭自燃。

从综放面支架后面采空区各个地方的煤体裂隙中看到三相泡沫扩散出来，说明三相泡沫已经均匀充满整个采空区，并进入煤体的裂隙和漏风通道，有效地包裹整个采空区低、高处的浮煤，封堵采空区的煤体裂隙，对采空区内存在的高温点进行有效的控制和覆盖，经过连续灌注三相泡沫，从回风巷和钻孔取样的气体分析可看出，各种气体含量均处于平稳及下降趋势，因此三相泡沫快速有效地防治了陈家山煤矿422综放工作面采空区的煤炭自燃。

4 结语

三相泡沫防灭火新技术在大倾角俯采综放工作面或无法实施灌浆灭火的工作面进行防治煤炭自燃的应用情况，通过上述论述可得如下结论：

（1）三相泡沫作为一种新型的防灭火材料，适合于综放工作面采空区煤炭自燃的预防。三相泡沫在采空区大范围的覆盖和堆积，对低、高处浮煤能起到很好的防治效果，靠固体不燃物包裹煤体和封堵裂隙，水吸热降温和发泡剂阻化自由基产生和润湿煤体来防止采空区浮煤自然发火。

（2）灌注三相泡沫是一项新的工艺，该工艺具有流量大、工艺简单、稳定可靠的特点。大流量的三相泡沫注入采空区后能快速地充填并覆盖不明火源，具有灭火速度快、效率高的优点。同时三相泡沫具有很好的挂壁性，能避免发生溃浆，浆液的大量流失等一般注浆材料的缺点，非常适于大倾角俯采工作面的火区治理。

（3）三相泡沫技术通过对陈家山矿的422综放工作面采空区的防灭火治理，保证了该工作面安全、正常的开采，表明三相泡沫防灭火效果显著。三相泡沫技术在陈家山矿422综采综放工作面的成功应用，为大倾角俯采工作面防止煤炭自燃治理提供了新的技术手段。