礦井阻化泡沫防火裝置的應(yīng)用研究

李雯

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)有限公司 晉華宮礦，山西 大同 037001）

1 概 況

晉華宮礦隸屬于晉能控股集團(tuán)，設(shè)計(jì)服務(wù)年限為65 a，年生產(chǎn)能力為12.00 Mt/a。礦井下地質(zhì)資源存儲總量達(dá)到1 562.60 Mt，工業(yè)資源存儲量達(dá)到1 403.73 Mt，可開采的工業(yè)資源存儲量為853.81 Mt。礦井總面積為89.11 km2，南北向?qū)挾染禐?.01 m，東西向長度均值為12.73 m。作業(yè)面長度為196.2 m，煤層厚度為4.8 m，采煤高度為3.4 m，放煤高度為3.0 m。整個(gè)工作面采用U 型通風(fēng)的方式。按照礦井瓦斯?jié)舛确诸悾?015 工作面屬于低瓦斯礦井，瓦斯涌出最大相對量為1.682 m3/t，瓦斯涌出最大絕對量為29.88 m3/min。參考自然傾向等級評定結(jié)果，除2 號煤層評定為不易自燃煤層外，其余煤層均被評定為易自燃煤層，自然發(fā)火間隔期約3 ～6 個(gè)月。

8105 工作面采用綜采放頂煤一次采全高走向長壁采煤法，放煤方式選擇為一刀一放、雙輪順序多頭的方式，頂板管理方式為全部垮落法[1-2]。為了滿足全長近200 m 的工作面使用需求，采煤機(jī)搭配的低位放頂煤液壓支架共126 架，其中排頭支架6架用于頂板支護(hù)。

2 阻化泡沫防火裝置

2.1 實(shí)驗(yàn)裝置

為了驗(yàn)證膠體阻化泡沫防火設(shè)施的有效性，選擇采用程序升溫實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行試驗(yàn)。該裝置具有控溫精度高，溫度調(diào)節(jié)能力強(qiáng)的特點(diǎn)，適用于檢測煤樣在不同溫度下的煤氧復(fù)合過程及放熱特性檢測。程序升溫實(shí)驗(yàn)裝置原理示意如圖1 所示，該裝置包含供氣裝置、升溫裝置、氣體采集裝置及氣體成分分析裝置4 部分。供氣裝置主要用于提供定量、預(yù)熱的空氣至升溫裝置中。升溫裝置內(nèi)置2 個(gè)圓柱形鋼管，圓柱直徑為12 cm，長度為24 cm，溫度控制通過可控硅控溫系統(tǒng)完成。試驗(yàn)時(shí)分別將鋼管中裝入1 kg 煤樣，上下兩端加裝100 目銅絲網(wǎng)，各預(yù)留2 cm 間隔空間，煤樣與送入的空氣接觸后，煤樣溫度與內(nèi)部氣體成分會發(fā)生變化，通過對這些成分含量檢測，可分析煤氣復(fù)合過程反應(yīng)劇烈程度。

圖1 程序升溫實(shí)驗(yàn)裝置原理示意Fig.1 Principle of temperature programming experimental device

2.2 實(shí)驗(yàn)過程

為保證實(shí)驗(yàn)效果，需對程序升溫實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行密封檢測，確保密封性能完好[3]。取8105 工作面煤層煤塊裝入粉碎機(jī)內(nèi)，實(shí)驗(yàn)使用的是顎式粉碎機(jī)，經(jīng)粉碎機(jī)打散后不同大小煤樣顆粒還要進(jìn)行塞選區(qū)分[4]。按照0.8 mm 以下、0.8 ～3 mm、3 ～6 mm、6～9 mm 以及9 ～12 mm 顆粒尺寸分為5 類，每類煤樣粒徑各400 g。各類煤樣取200 g 充分混合后，加入升溫箱圓柱形鋼管。剩余各類煤樣各200 g 充分混合后，在阻化泡沫溶液中進(jìn)行浸泡，隔絕空氣靜置12 h，加入升溫箱另一個(gè)圓柱形鋼管內(nèi)。浸泡煤樣顆粒所用的溶液為阻化泡沫與水按照1∶2 的比例調(diào)制。

完成以上準(zhǔn)備工作，在升溫箱中放置2 個(gè)程序升溫爐為鋼管進(jìn)行精準(zhǔn)、平緩加熱，保證兩鋼管內(nèi)煤樣在相同環(huán)境內(nèi)進(jìn)行升溫氧化。供氣裝置以120 mL/min3的流量注入空氣，升溫箱溫度從20℃起始溫度，平緩升溫至170 ℃，每提高10 ℃記錄一次升溫用時(shí)、并抽取鋼管氣體用于檢測，抽取得到的氣體使用色譜分析儀進(jìn)行分析。

2.3 結(jié)果分析

2.3.1 耗氧速率

對比原煤樣與膠體阻化處理煤樣不同溫度鋼管內(nèi)氧氣濃度情況可以發(fā)現(xiàn)，裝填原煤樣的鋼管內(nèi)部氣體中氧氣濃度在80 ℃以下時(shí)，變化緩慢，當(dāng)溫度超過80℃時(shí)，氧氣濃度明顯減少，說明此時(shí)煤樣氧化加劇，故可將80 ℃視為臨界溫度。裝填膠體阻化處理煤樣的鋼管內(nèi)部氣體氧氣濃度在110℃以下時(shí)，變化緩慢，當(dāng)溫度超過110 ℃時(shí)，氧氣濃度明顯減少，說明處理過后的煤樣臨界溫度為110 ℃。

通過對氧氣消耗量的變化統(tǒng)計(jì)，可得到膠體阻化泡沫提高了煤樣的氧化臨界溫度，減緩煤炭氧化反映程度。

2.3.2 CO/CO2產(chǎn)生量

對比原煤樣與膠體阻化處理煤樣不同溫度鋼管內(nèi)CO 度情況，可以發(fā)現(xiàn)，裝填原煤樣的鋼管內(nèi)部氣體CO 濃度在80 ℃以下未明顯變大，當(dāng)溫度超過80℃時(shí)， CO 濃度增大明顯。裝填膠體阻化處理煤樣的鋼管內(nèi)部氣體CO 濃度在100 ℃以下變化不大，超過該值以后， CO 濃度增加較多。通過CO 氣體濃度變化，再次驗(yàn)證了經(jīng)過膠體阻化處理的煤樣，氧化反應(yīng)溫度臨界值提高了20 ℃。

對比原煤樣與膠體阻化處理煤樣不同溫度鋼管內(nèi)CO2濃度情況，可以發(fā)現(xiàn)，裝填原煤樣的鋼管內(nèi)部氣體CO2濃度在60 ℃以下未明顯增加，超過60℃后，CO2濃度增大。裝填膠體阻化處理煤樣的鋼管內(nèi)部氣體CO2濃度在90 ℃以下變化不大，超過90 ℃后，CO2濃度逐漸增加。通過CO2濃度變化，證明了膠體阻化處理會抑制煤樣氧化反應(yīng)，提高氧化反應(yīng)臨界溫度值。

2.3.3 阻化率

阻化率的變化與溫度有關(guān)[4]。在臨界溫度阻化率達(dá)到最大值，當(dāng)小于臨界溫度時(shí)，阻化率與溫度成正比關(guān)系，當(dāng)大于臨界溫度時(shí)，阻化率與溫度成反比關(guān)系。經(jīng)試驗(yàn)測試，8105 工作面煤樣的阻化率最大臨界溫度值為140 ℃。

2.3.4 CH4產(chǎn)生量

對比原煤樣與膠體阻化處理煤樣不同溫度鋼管內(nèi)CH4濃度情況，可以發(fā)現(xiàn)，原煤樣的CH4濃度在120 ℃以下均明顯增加，直至120 ℃后濃度基本保持不變。裝填膠體阻化處理煤樣的鋼管內(nèi)部氣體CH4濃度在60 ℃以下增加緩慢，60℃～100 ℃CH4濃度增加明顯，100 ℃以上CH4濃度基本保持不變。通過CH4濃度變化，證明膠體阻化泡沫降低煤樣阻化率最大值的臨界溫度，進(jìn)一步驗(yàn)證了膠體阻化泡沫對氧化反應(yīng)的抑制效果。

3 現(xiàn)場測試

3.1 測試方案

膠體阻化泡沫在礦井環(huán)境下實(shí)際使用效果需要通過現(xiàn)場測試的方式進(jìn)行檢驗(yàn)。在8105 工作面隨機(jī)選取6 個(gè)具有代表性的測試點(diǎn)，進(jìn)風(fēng)巷、回風(fēng)巷各3 個(gè)測試點(diǎn)（分別編號為1 號、2 號、3 號），測試點(diǎn)保持30 m 以上的間隔，然后開展現(xiàn)場應(yīng)用效果檢驗(yàn)。

為了準(zhǔn)確采集礦井下待檢測氣體濃度，使用束管監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行采集[5]，采集時(shí)間為停采前一個(gè)月。進(jìn)風(fēng)巷與回風(fēng)巷內(nèi)2 號檢測點(diǎn)的O2濃度如圖2 所示，進(jìn)風(fēng)巷與回風(fēng)巷內(nèi)2 號檢測點(diǎn)的CO 濃度如圖3所示。

圖2 進(jìn)、回風(fēng)側(cè)氧氣濃度Fig.2 Oxygen concentration at inlet and return air sides

圖3 進(jìn)、回風(fēng)側(cè)CO濃度Fig.3 CO concentration at inlet and return air sides

從圖2、圖3 中可以發(fā)現(xiàn)，回風(fēng)巷2 號檢測點(diǎn)的氣體濃度變化相對量比進(jìn)風(fēng)巷2 號檢測點(diǎn)更大，反映出了回風(fēng)巷內(nèi)煤炭氧化反應(yīng)更為劇烈。圖2 中O2濃度變化曲線，進(jìn)風(fēng)巷2 號檢測點(diǎn)在1 ～31 日監(jiān)測期間，基本保持勻速變化，而回風(fēng)巷2 號檢測點(diǎn)在21 日以后，氣體濃度迅速下降；圖3 中，進(jìn)風(fēng)巷與回風(fēng)巷CO 濃度變化差異主要在11 日較為明顯，回風(fēng)巷21 日后CO 濃度急劇增加。

結(jié)合進(jìn)、回風(fēng)巷氧化反應(yīng)劇烈情況、膠體阻化泡沫擴(kuò)散范圍，選擇將膠體阻化泡沫的壓注位置在回風(fēng)巷內(nèi)，作用效果更加顯著。回風(fēng)巷2 號檢測點(diǎn)膠體阻化泡沫防火裝置的現(xiàn)場布放示意如圖4 所示。8105 工作面回風(fēng)巷2 號檢測點(diǎn)位于采空區(qū)進(jìn)深約50 m 位置，為了便于向采空區(qū)內(nèi)部壓注泡沫，將注入泡沫的管路插入60 m 長，膠體阻化泡沫制作設(shè)備放置在距采空區(qū)20 m 位置處。在向采空區(qū)進(jìn)行泡沫壓注前，預(yù)埋一段深入采空區(qū)50 m 的鋼管，根據(jù)鋼管內(nèi)部膠體阻化泡沫的溢出情況，對泡沫擴(kuò)散范圍進(jìn)行判斷。此外，為了對膠體阻化泡沫的縱向堆積情況進(jìn)行判斷，向采空區(qū)斜向上插入8 m 深鋼管，觀察膠體阻化泡沫溢出情況。

圖4 采空區(qū)膠體阻化泡沫防火示意Fig.4 Fire prevention schematic of colloidal inhibition foam in goaf

膠體阻化泡沫的制成首先需要經(jīng)過發(fā)泡裝置，該裝置內(nèi)置高分子膠體阻化液，水流在水泵作用下流入發(fā)泡裝置中，與膠體阻化液充分混合吸收[6]。與水充分混合的膠體阻化液向管路流轉(zhuǎn)需要?dú)獗米饔茫瑲獗孟虬l(fā)泡裝置輸送高壓氮?dú)猓蓺獗梅殖龅墓苈酚? 支，一支與一級發(fā)泡裝置連接，另外一支與二級發(fā)泡裝置連接。膠體阻化液經(jīng)過兩級發(fā)泡網(wǎng)的作用，形成膠體阻化泡沫，最后注入至采空區(qū)的指定區(qū)域內(nèi)，用作井下防火。

膠體阻化液的混合發(fā)泡、膠體阻化泡沫的輸送都是在高壓氮?dú)獾淖饔孟逻M(jìn)行的。由于管道輸送壓力下降、泡沫粘性阻力增加，需要對氮?dú)鈿獗贸隹谶x取合理的壓力值，保證混合發(fā)泡成功與泡沫注入順利。參考膠體阻化泡沫在管道中的阻力增益，對氮?dú)鈿獗玫睦硐氩挤啪嚯x進(jìn)行測算。8105 工作面用到的氣泵出口壓力為0.6 MPa，到達(dá)泡發(fā)裝置后再次輸出的出口壓力約0.4 MPa，膠體阻化泡沫每移動100 m 的距離會造成1.08 mm 直徑管道壓力下降0.18 MPa，也就是說膠體阻化泡沫可輸送的最大距離約200 m。但在實(shí)際應(yīng)用中，需要考慮到管路結(jié)構(gòu)、接口密封等因素帶來的影響，實(shí)際使用過程中發(fā)泡裝置與泡沫壓注位置距離以100 m 較為合適。

在高分子膠體阻化液與水流進(jìn)行混合時(shí)，二者按照2∶98 的比例混合泡發(fā)效果最佳，經(jīng)泡發(fā)裝置產(chǎn)生的膠體阻化泡沫被輸送到回風(fēng)巷指定區(qū)域。氮?dú)鈿鈮翰恍∮?.6 MPa，壓風(fēng)流量值介于220 ～380 m3/h。

經(jīng)過現(xiàn)場測試，在回風(fēng)巷2 號測試點(diǎn)預(yù)留的50 m 埋深管路有膠體阻化泡沫溢出，證明了該防火設(shè)施進(jìn)行泡沫注入后擴(kuò)散范圍可達(dá)10 m。在測試點(diǎn)斜向上插入管路內(nèi)同樣有膠體阻化泡沫溢出，證明了膠體阻化泡沫的堆積性能良好，垂直距離達(dá)3 m。

3.2 效果分析

基于現(xiàn)場測試結(jié)果，對回風(fēng)巷內(nèi)2 號檢測點(diǎn)周邊的CO、CO2進(jìn)行抽樣分析，對比膠體阻化泡沫注入前后氣體濃度變化情況，對其防火性能進(jìn)行驗(yàn)證，監(jiān)測數(shù)據(jù)如圖5、圖6 所示。

圖5 壓注膠體阻化泡沫前后CO濃度變化示意Fig.5 The change of CO concentration before and after the injection of colloidal foam

圖6 壓注膠體阻化泡沫前后CO2 濃度變化示意Fig.6 The change of CO2 concentration before and after the injection of colloidal foam

由圖5、圖6 可知，CO 與CO2的濃度在5 月31 日注入膠體阻化泡沫以后出現(xiàn)明顯下降，至6月20 日左右達(dá)到最低點(diǎn)，然后濃度緩慢提升。可以說明，膠體阻化泡沫覆蓋在煤樣后，有效抑制了氧化反應(yīng)劇烈程度，使得CO 與CO2濃度明顯下降。但經(jīng)過20 d 后，泡沫出現(xiàn)破裂，無法將全部煤體全部隔離，再次發(fā)生部分氧化，因泡沫內(nèi)部含有大量氮?dú)猓栽谝欢ǔ潭壬蠝p緩了氧化反映。

4 結(jié) 論

在理論和實(shí)驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，通過在8105 工作面進(jìn)行現(xiàn)場應(yīng)用，分析其應(yīng)用效果，得到以下結(jié)論。

（1） 通過使用膠體阻化材料，隔絕了煤體與氧氣的直接接觸，降低了氧化反應(yīng)速率，減少了放熱效應(yīng)。并且能夠提高臨高溫度約20℃，降低了煤體自然發(fā)生的概率。

（2） 通過對CO、CO2的濃度變化情況抽樣，證明了膠體阻化材料的使用可有效降低CO 氣體濃度，可燃?xì)怏w的減少，進(jìn)一步降低了事故發(fā)生概率。