二氧化碳三相泡沫防滅火技術(shù)應用

李志海

(山西西山煤電股份有限公司西銘礦，山西 太原 030052)

礦井火災是影響煤礦安全生產(chǎn)的五大自然災害之一。目前，國內(nèi)外對治理煤炭自燃發(fā)火的技術(shù)有大斷面通風，快速掘進，加快工作面的推進速度，在自燃發(fā)火期之內(nèi)就采掘完畢;還有灌漿、注惰氣等。但是針對易燃超厚煤層綜放面，由于綜采放頂煤冒落高度大、采空區(qū)遺留殘煤多、漏風嚴重，極易發(fā)生煤炭自燃。上述技術(shù)對礦井安全生產(chǎn)起到了重要作用，但也有諸多不足之處。大量灌漿成本高，而且堆積高度低，容易出現(xiàn)“拉溝”現(xiàn)象;注惰氣易隨漏風擴散，不能長期滯留，降溫效果差［1］。鑒于以上幾點，綜合氣、液、固三種物質(zhì)特性研制出三相泡沫新技術(shù)。通常三相泡沫氣相是以氮氣為載體，但是CO2在礦井防滅火中有著氮氣、煙氣等惰性氣體無法比擬的優(yōu)點，因其經(jīng)濟，運輸方便、滅火性能好等特點，本文將探討利用二氧化碳作為氣相制備二氧化碳三相泡沫。

1 二氧化碳理化性質(zhì)及防滅火特點

在標準狀態(tài)下，氣態(tài)CO2相對于空氣的比重為1.529，密度為 1.976 kg/m3。在常溫、常壓下，CO2為無色、略帶酸味的氣體，是一種化學穩(wěn)定性較高的惰性化合物。CO2本身不燃燒也不支持燃燒，因其穩(wěn)定的化學性能，所以在各領域?qū)⑵渥鳛闇缁饎┒鴱V泛使用。CO2對于控制煤炭自燃發(fā)火的機理和優(yōu)勢主要表現(xiàn)在以下幾方面:

1)惰化速度快。CO2密度比N2密度大，可快速沉入底部而排擠出氧氣，使火區(qū)內(nèi)氧氣濃度急速下降。與注氮防滅火相比，對已完全封閉的采空區(qū)，使用注氮約需7～10天。而壓注液態(tài)二氧化碳僅需2天的時間。

2)吸附阻化作用。煤的結(jié)構(gòu)復雜，為含有多種無機礦物雜質(zhì)并被裂隙切割的多孔有機體，具有較強的吸附能力，可以吸附無機物質(zhì)如 CH4、CO2和N2等。然而煤對這些物質(zhì)的吸附能力和吸附速度有所不同，一般具有較高臨界溫度和沸點的氣體可以通過可溶性機理迅速擴散至固體煤的孔隙。

3)成本低。液態(tài)CO2成本為600元/t，轉(zhuǎn)化為CO2氣體為1元/m3，比N24.87元/m3材料成本節(jié)省了3.87元，井上井下注CO2滅火過程需5～7人，工程費用較低。該系統(tǒng)的建立減少了購買制氮機的直接投資，降低了向采空區(qū)注惰氣的成本［2］。

鑒于上述分析，綜合現(xiàn)有防滅火技術(shù)，將氣、液、固三相結(jié)合起來，探討研究二氧化碳三相泡沫防滅火新技術(shù)。

2 二氧化碳三相泡沫組成、發(fā)泡原理及特點

2.1 二氧化碳三相泡沫的組成

CO2三相泡沫是一種氣體、液體和固體三相混合物。CO2來自地面低溫運輸槽車，將液態(tài)CO2氣化成CO2氣體，液體為水加4‰～6‰發(fā)泡劑;固體為堅實的粉煤灰或黃泥。發(fā)泡劑減少了對水的表面張力和粉煤灰或黃泥的物理和化學性質(zhì)的變化，可以很容易地吸附氣泡壁上;依靠自身動力的CO2和漿體，使氣、液、固三相混合物通過發(fā)泡形成三相高膨脹、時間長及穩(wěn)定的泡沫。

2.2 二氧化碳三相泡沫的發(fā)泡原理

CO2三相泡沫是以CO2為氣相，粉煤灰或黃泥為固相，水混入添加劑為液相而形成的混合物。泡沫中的CO2有惰化和抑制爆炸的作用，可以有效固封在泡沫里，以及隨后的破裂釋放;粉煤灰或黃泥等固體物質(zhì)為三相泡沫面膜的一部分，可以維持很長一段時間使泡沫破裂后，均勻、穩(wěn)定地覆蓋在煤體上，有效地阻礙煤吸附氧氣，以防止煤氧化［3］。

2.3 二氧化碳三相泡沫的特點

與現(xiàn)有的礦井防治技術(shù)比較，CO2三相泡沫優(yōu)勢在于同時擁有一般灌漿和注惰性氣體火災防治的特點。泥漿通過注入CO2泡沫，明顯地快速增長，在數(shù)量和空間積累，可以堆積到采空區(qū)高處，也可以覆蓋低處的浮煤，以避免底部小道流失現(xiàn)象;在采空區(qū)注入CO2可以有效地固封在三相泡沫中，隨著泡沫的破滅和釋放，并充分發(fā)揮CO2惰化和抑制爆炸的效果［4］。粉煤灰或黃泥等固體物質(zhì)為三相泡沫面膜的一部分，可以使泡沫穩(wěn)定地保持很長一段時間，待泡沫破滅后，可在煤體上均勻覆蓋，有效地阻礙煤與氧的接觸，抑制煤的氧化，從而有效地防止和控制煤炭自燃，這是三相泡沫滅火的一個特性。

3 二氧化碳三相泡沫防滅火技術(shù)在現(xiàn)場的應用

結(jié)合CO2三相泡沫的特點，對一般性封閉采空區(qū)煤炭自燃、較大范圍采空區(qū)火災和巷道火災、采空區(qū)高位和不明位置隱蔽火源、綜放及俯采工作面煤炭自燃的撲滅和預防，效果都十分顯著。結(jié)合煤礦現(xiàn)場的實際情況，提出了地面打鉆、支架后方插花管、沿順槽采空區(qū)埋管和與其它防滅火技術(shù)手段(注砂、注凝膠等)相互配合使用的多種注CO2三相泡沫的工藝技術(shù)［5］。

1)地面打鉆大流量注CO2三相泡沫撲滅特大型火區(qū)技術(shù)。當采空區(qū)發(fā)生較大范圍火災，井下無法采取滅火技術(shù)手段時，可利用地面打鉆大流量注CO2三相泡沫技術(shù)，將大量CO2三相泡沫在采空區(qū)迅速堆積，快速充滿整個防滅火區(qū)域，有效地控制和撲滅采空區(qū)火災。

2)巷道打鉆大流量注CO2三相泡沫撲滅大范圍高冒火區(qū)技術(shù)。當發(fā)生大范圍巷道高冒火災，可利用巷道打鉆大流量注CO2三相泡沫，依靠大量的CO2三相泡沫迅速在高冒區(qū)中呈三維狀向周圍運移堆積，包裹、覆蓋高冒區(qū)內(nèi)松散煤體;同時泡沫破滅后釋放出CO2，充分發(fā)揮CO2的惰化、抑爆作用。

3)停采線打鉆注CO2三相泡沫防治采空區(qū)煤炭自燃技術(shù)。對于防治封閉采空區(qū)的煤炭自燃，利用在停采線每隔15～20 m打一個鉆孔，通過鉆孔注CO2三相泡沫，在采空區(qū)進行范圍覆蓋和堆積而捕捉隱蔽火源點。

4)CO2三相泡沫擠壓工作面上偶角的瓦斯。采用CO2三相泡沫技術(shù)，用CO2三相泡沫擠占瓦斯占據(jù)的空間來降低瓦斯的濃度。該法處理速度快，效果明顯，這是發(fā)展的趨勢。

4 結(jié)論

通過CO2三相泡沫在現(xiàn)場的應用可以得出如下結(jié)論:

1)CO2三相泡沫防滅火技術(shù)充分利用黃泥的覆蓋性，CO2的窒息性和水的吸熱性、降溫性來防治煤炭自燃與滅火，并將這三相作為一個有機的整體長時間地保留在采空區(qū)，從而更有效地提高了滅火性能。

2)提出了地面或停采線打鉆、支架后方插花管、沿順槽采空區(qū)埋管及與其它防滅火技術(shù)手段(注砂、注凝膠等)相互配合使用等多種注CO2三相泡沫新工藝，尤其適合大范圍采空區(qū)或巷道高冒火災、采空區(qū)隱蔽火源及高位火源、綜放及俯采工作面煤炭自燃的防治。

3)利用CO2三相泡沫注漿技術(shù)防治采空區(qū)煤炭自燃，具有成本低、效果好、操作簡單的特點。由于CO2三相泡沫發(fā)泡倍數(shù)較高，單位體積的充填量大幅下降，因而降低了充填成本;由于其具有膨脹性，因而充填材料能向采空區(qū)高位煤體空隙浸入，而不是大量灰漿流入工作面。但是，CO2三相泡沫在注漿工藝方面，例如水和灰的配比，注漿的時間和位置，發(fā)泡倍數(shù)，以及泡沫穩(wěn)定性等方面還需大量的試驗研究。

總之，CO2三相泡沫防滅火新技術(shù)與其它各類防滅火技術(shù)優(yōu)勢互補，互為補充，具有廣闊的應用前景。

［1］秦波濤，王德明.礦井防滅火技術(shù)現(xiàn)狀及研究進展［J］.中國安全科學學報，2007，17(12):70－75.

［2］王艷軍.試論對綜放采空區(qū)隱蔽火源點防治新技術(shù)［J］.中小企業(yè)管理與科技，2009(6):33－35.

［3］陸 偉，劉朝文，張青松.泡沫載體技術(shù)在煤礦防滅火中的應用［J］.礦業(yè)安全與環(huán)保，2009，36(Z1):185－187.

［4］陳 晨，齊慶杰.礦井火災防治技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢［J］.煤炭技術(shù)，2009(3):21－22.

［5］么大剛.三相泡沫在防滅火技術(shù)上的應用［J］.煤礦開采，2009，14(1):96－97.

［6］郭慶凱，彭擔任.三相泡沫防滅火機理［J］.山東煤炭科技，2007(5):36－37.