粉煤灰在煤礦防滅火的應用研究現狀及展望

趙 培，魯 義，盛真可

(1．煤礦瓦斯與火災防治教育部重點實驗室，江蘇 徐州 221116;2．中國礦業大學安全工程學院，江蘇 徐州 221116)

粉煤灰是煤粉經過燃燒后，從鍋爐煙氣中排放出的細灰狀殘留物，80%左右為飛灰(Fly Ash)，20%左右為底灰(Bottom Ash)，是一種人工火山灰質［1］。近年來，隨著國家和企業對礦井防滅火工作力度的加強，通過各科研院所和現場單位的配合，研究出了一系列粉煤灰為基料的防滅火材料。2005年以來，成功研制出一種全新的立體多方位堵漏滅火技術—粉煤灰三相泡沫。本文介紹了各階段有代表性的以粉煤灰為基料的防滅火材料，以及這些材料在現場具體實際應用中存在的一些問題，并對相應的應用研究，特別是粉煤灰固化泡沫的調配研制提出展望。

1 粉煤灰的物理化學性質

粉煤灰是灰色或灰白色的具有潛在活性的火山灰質粉末材料，其物理和化學性質隨燃煤的品種、煤粉的細度、燃燒的方式和溫度、其收集和排放方式等的不同，而有所差異。粉煤灰是多種顆粒機械混合的粒群，顆粒粒徑在0．5～300μm之間，具有非常大的比表面積，一般為1 600～3 500 cm3/g。粉煤灰顆粒的主要化學成分為Si02，Al2O3和Fe2O3，這3種成分的含量大約占70%以上，其中還含有CaO，MgO等其他氧化物和微量元素，如磷、硼、銅、鉬、鋅、錳等，也有可溶性鹽類，常見的為鉀、鎂、鈉和鈣的硫酸鹽。它本身略有或沒有水硬膠凝性能，但當以粉狀及有水存在時，能在常溫，特別是在水熱處理(蒸汽養護)的條件下，與氫氧化鈣或其他堿金屬氫氧化物發生化學反應，生成具有水硬膠凝性能的化合物，成為一種增加強度和耐久性的材料。

另外粉煤灰不燃燒，比重為0．7，浸水后體積縮比為0．586。停止流動的灰漿立即脫水沉淀，沉淀后的堆積體具有抗壓能力，粉煤灰的顆粒能充填微小裂隙和空洞，具有隔風和堵水作用，粉煤灰的堆積體(失水后)松散易清除，無腐蝕性。

2 以粉煤灰為基料的礦用防滅火材料的應用

2．1 一般粉煤灰漿液

由于粉煤灰化學性質和物理性質都符合注漿防滅火要求，其原理是：將粉煤灰加水合成漿液，通過注漿泵注入火區，充填火區裂隙或空間，減少或杜絕新鮮空氣的供給;包裹煤體，防止煤體顆粒氧化生熱，帶走熱量，使可燃物(煤體)的自燃溫度或火源溫度降至帶溫狀態，起到防滅火作用［2］。粉煤灰，即高爐煙囪灰，已失自燃傾向性，且價廉物美，貨源充足，為理想的注漿充填材料。根據注壓空間計算所需粉煤灰體積，按比例配備水泥，另準備適量水玻璃。粉煤灰與水泥比例，可視火區范圍大小、災情程度及煤質要求而確定，一般質量比5∶1～8∶1，最高可達10∶1。水玻璃只在遇裂隙，如大巷裂隙或密閉漏漿以及最后封孔時加注，灰漿與水玻璃體積比一般為5∶1～8∶1。漿液濃度，火區、高溫點對漿液濃度要求不嚴。為充分利用水直接滅火，漿液濃度可定為25%左右。在封堵裂隙及封孔過程，漿液濃度可適當加大，一般情況下，漿液濃度為20% ～35%，最濃不超過50%。其配比流程見圖1。

圖1 粉煤灰漿液調配圖

其具有以下優點：1)滅火速度快。粉煤灰屬惰性材料，不含助燃物質和可燃物質，不易發生復燃現象。2)密封性能好。粉煤灰可塑性較黃土小，適合充填采空區、煤柱裂隙或空間，增加其密閉性，從而減少漏風。3)脫水快。4)粉煤灰能夠成漿，流動性好，有利于管道的水力輸送［3］。

2．2 粉煤灰復合凝膠材料

粉煤灰復合膠體材料是以粉煤灰為主體，配合其它具有膠凝增強和提高早期強度的外摻料，以及能改善漿液性能使之滿足注漿施工作業要求的外加劑，經特殊加工而成的一種新型注漿材料［4］。該材料與普通粉煤灰漿液相比有流動性好、凝結時間適當、抗壓強度較高、結石率高的特點，粉煤灰是具有潛在活性的粉狀物質，單獨配水不具活性，含水量低，脫水速度快。在粉煤灰水液中加入各種促凝劑后，能使粉煤灰在極短的時間內水化、泥漿化，保水性能大大提高，黏性增大，流動性和滲透性提高。初期具有良好流動性，后期則克服了原有凝膠類抗壓不抗拉的特性，固化煤體，增強了封堵能力，能堵住較大裂隙和孔洞。充填作業時，材料經過制漿被注入煤體，漿液滲透到破碎煤體裂隙中，膠結凝固，包裹碎煤，堵塞漏風通道，起到了很好的整體充填封閉作用。同時，由于漿液中含有豐富的游離水可充分濕潤煤體，水分蒸發時，可吸收煤體氧化產生的熱量，起到降溫的效果。另外，復合膠體材料在干燥失水后，再遇水還具有較強的吸水性，且緊固好，不會被灌漿水沖散，克服了化學凝膠、黃泥漿等遇水易流失的問題，可達到長期防滅火的目的，其配比流程見圖2。

2．3 一般粉煤灰三相泡沫材料

圖2 粉煤灰復合凝膠材料調配圖

近年來，中國礦業大學以王德明教授［5］為首的火災課題組進行了粉煤灰或黃泥、氮氣和水形成的三相泡沫材料來防治煤炭的自燃，取得了良好的應用效果，在全國60多個礦井得到了推廣應用。粉煤灰三相泡沫是指將粉煤灰與水按照一定的比例混合配成漿液，通入惰性氣體(N2)并添加極少量的添加劑，通過三相泡沫發泡器發泡，形成了固體粉煤灰顆粒均勻，附著在氣泡壁上的大量富集的含有氣—液—固三相的體系。粉煤灰三相泡沫集固、液、氣三相材料的防滅火性能于一體，利用粉煤灰覆蓋性、氮氣的窒息性和水的吸熱降溫性進行防滅火，大大提高了防滅火效率，其配比流程見圖3。

圖3 一般粉煤灰三相泡沫材料產生流程圖

2．4 粉煤灰固化泡沫材料

針對目前三相泡沫還不能固化，在現有三相泡沫技術的基礎上，進一步研制具有較高發泡倍數、能固化且應具有一定強度的三相泡沫材料。在初期對采空區遺煤全方位立體覆蓋起到很好的堵漏防滅火功能，后期因其泡沫的穩定性和抗壓力特征可以對采空區的充填支護起到一定的作用。粉煤灰固化由粉煤灰、水、黏結劑、懸浮劑、膠凝劑、固化劑等來實現。懸浮劑用量0．15%，黏結劑用量10%，膠凝劑5%［6］。在灌漿站通過地面粉煤灰膠體制備機將粉煤灰、水和水泥按比例混合好，并加入灌漿管網內，在井下充填地點附近通過加劑添加系統將水玻璃加入灌漿管網內，使之固化。它能在采空區大幅度增加，向高處堆積，且凝固時間可調，最后形成了具有抗壓能力的輕質固態材料。其特點是不脫水、不污染環境、堵漏效果好，具有一定的支護強度，且成本低廉，其性能卻高于凝膠及其它防火材料。其形成的流程圖和一般三相泡沫類似，只是其配比中加固化劑，與其他復合添加劑的配方不同。其泡沫微觀的形成見圖4。

圖4 粉煤灰固化泡沫材料形成微觀示意圖

3 結論與展望

粉煤灰作為熱電廠的廢氣物，利用粉煤灰自身的物理特性，以其為基料研究出了一系列防滅火材料，可將它用于礦井火災及煤自燃的防治，同時，避免堆積的粉煤灰污染環境，變廢為寶。近年來，粉煤灰注漿，復合凝膠，三相泡沫，固化泡沫等材料已經在現場普及，各種配套注漿、發泡工藝系統在煤礦現場均已建成。有效解決了井下采空區充填，防治井下火災的問題。但是針對不同的礦井條件，應該結合實際采用適合、經濟的防滅火材料和技術，在某些復雜條件下，應該綜合利用各種材料和技術進行井下的防滅火工作。

現有的防滅火材料也存在一些缺陷，比如普通粉煤灰漿液不易向高處堆積，容易跑漿;粉煤灰復合膠體材料流動量小，時間長了會龜裂，產生有毒氣體;一般粉煤灰三相泡沫容易破滅，水分揮發后防火性能減弱;粉煤灰固化泡沫雖然克服了脫水，污染環境，堵漏效果好，且具有一定的支護強度，但是其實際的發泡倍數，固化效果，固化后泡沫的耐壓強度等都有待于提高［7－9］。

粉煤固化泡沫將是未來一段時間內的研究重點，作者認為要結合粉煤灰主要的成分組成，選擇合適的發泡劑，要能使親水性的顆粒附著在泡沫上。選擇合適的穩泡劑，增稠劑，固化劑，經過實驗室的調配組合，進行實驗篩選，有必要的情況下要結合化學材料理論自制合成一些表面活性劑。最主要的問題就是發泡倍數和泡沫固化強度的問題，要找出一種合適的固化劑，比如像水泥系列粉煤灰無機固化劑，石灰系列粉煤灰無機固化劑，石膏系列粉煤灰無機固化劑，菱苦土系列粉煤灰無機固化劑等等。至于發泡倍數問題主要是使用各種方法對粉煤灰的活性進行激發。

［1］ 潘 鐘，羅津晶，薛姍姍，等．粉煤灰利用的回顧與展望［J］．環境衛生工程，2008，16(1)：19－22．

［2］ 王衛遠，焦榮坤，郭仲渠．粉煤灰注漿技術的應用［J］．煤炭技術，2005，24(5)：12 －13．

［3］ 張明富，張公慈，伊新河．復合粉煤灰膠體防滅火技術在耿村礦的應用［J］．中州煤炭，2005，13(2)：59－60．

［4］ 李 偉，阮國強，李 峰．粉煤灰膠體綜合防滅火系統的研究及應用［J］．山東煤炭科技，2004，34(6)：74－75．

［5］ 王德明．礦井防滅火新技術—三相泡沫［J］．煤礦安全，2004，35(7)：16－18．

［6］ 秦波濤．煤礦防滅火粉煤灰固化泡沫的研制及應用［J］．金屬礦山，2008，38(4)：139－140．

［7］ 秦波濤．防治煤炭自燃的三相泡沫理論與技術研究［D］．徐州：中國礦業大學(博士論文)，2005．

［8］ 徐精彩，文 虎，鄧 軍．凝膠防滅火技術在煤層內因火災防治中的應用［J］．中國煤炭，1997，23(5)：28－30．

［9］ 劉英學，鄔培菊．黃泥灌漿防止采空區遺煤自燃的機理分析與應用［J］．中國安全科學學報，1997，7(1)：36－39．