煤炭自燃火災(zāi)撲救的新型滅火技術(shù)

煤炭自燃火災(zāi)撲救的新型滅火技術(shù)

中國56%的礦山存在采礦和消防危險。近20年來,隨著我國采煤新技術(shù)的試驗和推廣,煤炭的產(chǎn)量和效益大幅度提高。但開采強度大,端頭支架處頂煤放出率低(有的不放),采空區(qū)遺煤量較多,使得煤層自然發(fā)火幾率增高,礦井自燃火災(zāi)事故增多。目前,煤炭自燃已成為制約我國煤炭工業(yè)高產(chǎn)高效的主要災(zāi)害之一。本文即在分析煤炭火災(zāi)危險性及特點基礎(chǔ)上,利用自行研制的新型滅火劑,對煤自燃的火災(zāi)防治進行分析研究。一、煤體阻燃機理煤礦火災(zāi)主要是煤自然發(fā)火,由于空氣滲漏進入松散煤體,空氣中的氧與煤分子表面的活性結(jié)構(gòu)接觸,發(fā)生物理吸附、化學吸附及化學反應(yīng),同時放出熱量,在一定的蓄熱環(huán)境下,煤體不斷地氧化、放熱、升溫,當煤溫超過臨界溫度后,煤體繼續(xù)升溫,達到煤的著火點溫度,最終導(dǎo)致煤體燃燒。煤自燃火災(zāi)有其獨特的性質(zhì)?；馂?zāi)一般發(fā)生在距煤體暴露面一定距離的深部,一旦發(fā)現(xiàn)煤體暴露面處有自燃征兆,煤體內(nèi)部及圍巖已儲存了大量的熱能,火源點周圍煤巖體的溫度升高,要降低如此大范圍高溫煤巖體的溫度相對較困難。因此煤層自燃采用封閉滅火周期較長,火區(qū)啟封后易于復(fù)燃。煤體自燃是煤氧復(fù)合放出熱量的結(jié)果,煤體溫度越高則煤的氧化活性越高,煤氧化反應(yīng)速度越快,放熱強度越大。煤氧復(fù)合只要有氧存在就能進行,氧濃度大小只影響煤氧復(fù)合速度的大小。煤自燃其實質(zhì)是氧化放熱與散熱這對矛盾運動發(fā)展的過程,當煤氧化放熱速率大于熱量散發(fā)速率時煤溫上升,放熱速率小于散熱速率時,煤溫下降。從理論上分析煤體自燃主要取決于三大要素,即煤自身的氧化性能和放熱性能、足夠的供氧量以及良好的蓄熱環(huán)境。這三大要素落實到實際條件下的煤自燃情況,其影響因素就更為復(fù)雜。首先,煤自身的氧化放熱性能受溫度的影響很大,溫度越高,則在相同氧濃度下,氧化性和放熱性越強;煤氧復(fù)合首先發(fā)生在煤分子表面活性結(jié)構(gòu),則煤巖本身的孔隙率、破碎度、煤巖硬度等都會影響煤氧復(fù)合的速度。其次,煤自燃的供氧條件主要取決于空氣滲漏條件,即風壓差、空隙率、瓦斯涌出狀況,以及由溫差引起的熱風壓等都會影響供氧條件。而蓄熱環(huán)境又與煤中水分含量、空隙率、頂板巖性、松散煤層厚度、漏風強度、圍巖原始溫度、巷道風流溫度等因素有關(guān)。煤自燃是三大主要因素的有機結(jié)合,缺一不可,在實際條件下,煤體自燃是上述諸多因素相互作用的結(jié)果。二、采空區(qū)浮煤防滅火技術(shù)一般情況下,易自燃的實體煤不會發(fā)生自燃,這是由于實體煤比表面積較小,煤與氧接觸面積小,其氧化放熱量也小,煤氧化放出的熱量能很快發(fā)散到周圍巖層,因而煤溫不會升高而引起自燃;在采空區(qū)深部,盡管松散煤體量也較大,但由于煤的耗氧使采空區(qū)深部氧濃度很低,通常也不會發(fā)生自燃。所以煤氧接觸和煤溫達到一定高度是煤發(fā)火的兩個要素。因而對于易自燃煤層,要防止其自燃應(yīng)從減少煤氧接觸入手,減少煤氧接觸面積和阻止氧氣向松散煤體附近擴散和滲漏。當發(fā)生自燃或煤溫較高時,還要降低煤溫?？赏ㄟ^盡量減少向煤體破碎帶漏風,減少煤氧接觸幾率,防止煤體熱量聚集。目前煤礦常用的滅火技術(shù)主要有:水滅火技術(shù)、注氮滅火技術(shù)、均壓防滅火技術(shù)、灌漿防滅火技術(shù)、阻化劑滅火技術(shù)、惰氣泡沫防滅火技術(shù)、霧化阻化劑防滅火技術(shù)、粉狀惰化阻化劑防滅火技術(shù)、凝膠防滅火技術(shù)等,這些技術(shù)都有各自的特點。用水(或阻化劑水溶液)滅火,成體低,降溫迅速,但水在600℃以上會分解成氫氣和氧氣,有水煤氣爆炸的危險,水煤氣與瓦斯的混合氣體爆炸危險性也很大。水在100℃以上會迅速汽化,產(chǎn)生大量水蒸氣,使氣流體積猛烈膨脹,對井下滅火隊員造成極大的威脅。霧化阻化防滅火技術(shù)對于綜放面采空區(qū)大量浮煤堆積地點難以見效,由于高瓦斯礦自燃火區(qū)位置通常比較高,火源點可深入到支架或煤層頂部,而霧化阻化劑難以進入大于采高部分的浮煤中,故影響了其滅火效果。惰泡防滅火技術(shù),根據(jù)目前的技術(shù)穩(wěn)泡時間能達到36h,對采空區(qū)注惰泡能起到降溫,減少漏風,降低采空區(qū)氧濃度等作用。但惰泡在碎煤中壓注,發(fā)泡性能很差,起泡倍數(shù)低,若僅起阻化劑作用,則成本太高,且有效率太低。對已形成高溫的浮煤,僅依靠惰泡隔氧滅火,需注泡量很大,成本很高,且一旦停止注泡很易復(fù)燃。灌漿(黃土、粉煤灰及矸石等制漿)防滅火技術(shù),過去的事實證明是一種很有效的技術(shù),但由于漿液沿底板向低處流動,使得大量堆積浮煤的綜放面采空區(qū)防火較困難。同時它還存在用水滅火的缺點。該項技術(shù)對于順槽高冒區(qū)、松散帶、相鄰采空區(qū)冒透區(qū)的防滅火顯得很弱。均壓防滅火技術(shù),這是一項較成熟的防滅火技術(shù)。閉區(qū)均壓減少采空區(qū)漏風,以防采空區(qū)浮煤自燃。開區(qū)均壓降低采空區(qū)周圍的壓差,減少向采空區(qū)浮煤漏風,從而降低自燃危險程度。對于無煤柱沿空送巷開采的易自燃煤層及已經(jīng)或曾經(jīng)發(fā)生自燃的火區(qū),若僅依靠均壓技術(shù)達到完全杜絕漏風并防止自燃是不現(xiàn)實的。注氮防滅火技術(shù),該技術(shù)目前對于注氮防火的機理,合理注氮時間、地點、注氮量、注氮防火使用條件等由于采空區(qū)自燃危險區(qū)域的模糊,而沒有系統(tǒng)地解決好應(yīng)用問題。此外由于注氮對降低煤溫效果不好,所以注氮滅火周期較長,滅火后也有復(fù)燃現(xiàn)象。粉狀惰化阻化劑防滅火技術(shù),其優(yōu)點是所使用的材料在煤體氧化蓄熱到30℃以上,它即開始吸熱放出惰性氣體,發(fā)揮作用,煤體不自熱,它不發(fā)生效用,對于淋水大的地點不適合。該阻化劑是水溶性材料,且該項防火技術(shù)的應(yīng)用工藝和設(shè)備還有待于進一步研究。凝膠防滅火技術(shù)是一種較好的固水堵漏防滅火技術(shù)。所采用的凝膠是水凝膠。向水中加入少量添加材料,經(jīng)過一段時間物理、化學反應(yīng)后便形成凝膠。凝膠形成時間可通過改變添加材料的量來控制。成膠前,凝膠原料呈溶液狀態(tài),此時通過管路用泵進行輸送,調(diào)節(jié)成膠時間,使成膠原料流至預(yù)定的發(fā)火部位形成凝膠,固結(jié)在煤體中,利用凝膠的吸熱降溫和堵塞漏風特性來滅火。水凝膠材料具有與水相似的吸熱降溫性能,能夠使煤溫很快降低,具有隔絕煤氧接觸的性能及阻化性能,減少煤氧化反應(yīng)速度,降低煤氧化放熱量,可以防止滅火后發(fā)生復(fù)燃。水凝膠材料來源廣泛,滅火成本低廉,配方可因現(xiàn)場情況而變化。但硅凝膠也有一些缺點:(1)硅凝膠材料的兩種原料在膠體中所占的比例在10%左右,在撲滅大范圍火災(zāi)時,由于煤礦井下生產(chǎn)空間狹小,大量的滅火材料在井下運輸很困難,很可能由于材料運輸不及時而延誤了滅火;(2)硅凝膠材料在成膠過程中會產(chǎn)生刺激性氣體氨氣,對環(huán)境造成一定程度的污染,大量刺激性氣體聚集在巷道封閉空間也不利于井下工人健康;(3)原料具有一定的腐蝕性,設(shè)備部件需經(jīng)常更換,在發(fā)火區(qū)周圍,因溫度較高,硅凝膠硬度增強,充填過程容易堵塞管路等。上述防滅火技術(shù)在煤礦防滅火中都存在一定問題。因此,如何提高煤礦的防、滅火效率,提高防、滅火速度,使滅火后不易復(fù)燃對煤礦的防、滅火具有重要的意義。采用高分子材料做膠體材料的膠體技術(shù),可以保留凝膠滅火技術(shù)的堵塞漏風、隔絕煤氧接觸優(yōu)勢,且由于膠體材料添加量小(3‰),且無毒、無腐蝕性,流變性能較好,可以克服凝膠滅火技術(shù)的不足,在煤礦的防、滅火工作中會發(fā)揮重要的作用。三、煤堆承擔的水作用煤炭火災(zāi)屬于可燃固體火災(zāi)。常見的滅火劑如水、泡沫、鹵代烷、二氧化碳、干粉原則上都可以用于煤炭火災(zāi)的撲救,但鹵代烷、二氧化碳、惰性氣體等氣體滅火劑價格較高,且目前的相關(guān)技術(shù)難以發(fā)揮出其滅火效率;干粉滅火劑盡管滅火效率較高,滅火速度快,但干粉滅火時對燃燒的冷卻作用小,基本不具備覆蓋和防止燃燒蒸發(fā)的作用,煤堆表面容易引起復(fù)燃,煤堆內(nèi)部基本不發(fā)揮作用;泡沫滅火劑廣泛應(yīng)用于B類火災(zāi)中,滅火效率高,滅火速度快,但用來撲滅煤自燃火災(zāi)效能低、用量大、不經(jīng)濟;水由于具有很強的吸熱能力,對煤具有顯著的冷卻作用,部分水可滲入煤堆體內(nèi)部吸熱降溫,特別是一些阻化劑的加入有提高水滅火附加作用的功能。因此,理論上水及添加了阻化劑的水系滅火劑可以用于煤堆自燃火災(zāi)的撲救。圖1為煤堆自燃與灑水滅火的關(guān)系曲線圖?？梢?水僅能當時略微降低表面溫度,當水流失之后,細小粉煤被水帶走,剩余塊煤松散堆積在一起,好似一個爐膛一樣;氧氣滲透通道暢通,供氧充分又很快引起自燃。另外,水流流經(jīng)塊煤時,很快就從著火層滲透下去,往低處流動,恰好沖開一條漏風通道;著火層煤的塊度較大,水很快僅從表面流過一下,只能降低高溫塊煤的表層溫度,故煤溫又能很快回升而重新發(fā)生自燃。因此,用水撲救煤自燃火災(zāi)要有足夠的水源,或能防止水的流失,提高水的利用率。由上述分析可知,撲救煤自燃火災(zāi)的必要條件是要有足夠的水,或能防止水的流失,提高水的利用率。而防止水流失,(1)能充分利用水的冷卻作用、減少用水量,減少大量用水后對周邊環(huán)境的影響;(2)能減少因大量水產(chǎn)生水蒸氣引起的膨脹爆炸,減少水分解成氫氣和氧氣(600℃以上)形成水煤氣爆炸的危險,增加滅火的安全性;(3)對缺水地區(qū)有重要的意義。在查閱大量文獻資料和反復(fù)試驗篩選的基礎(chǔ)上,采用有機線性高分子材料為主體的高水充填材料,與水作用形成高分子稠化膠體,利用稠化膠體的粘彈性,使其滲透到煤堆的縫隙中且較長時間停留在煤堆內(nèi)部,起堵漏隔氧、降溫作用,由于膠體受熱粘度降低,在煤堆內(nèi)部向高溫點的流動變得容易,而從高溫點向外流相對較困難,這對滅火十分有利,又由于膠體中99%以上的是束縛水,有很大的熱容,可吸收大量熱,不僅可使煤溫下降,而且由于束縛力的作用使水不能迅速釋放出水蒸氣,即使在很高的溫度下也不會暴沸,因而可減少滅火過程中水煤氣爆炸的危險,而材料添加量少,本身受熱也不會釋放出其它有害氣體,對環(huán)境不會造成破壞。四、新火災(zāi)防治技術(shù)的應(yīng)用(一)co、co濃度的變化圖2、3分別為新型高分子稠化膠體和水滅火后CO、CO2濃度隨時間變化曲線?？梢?用水滅火時,水與燃燒煤體接觸瞬間,產(chǎn)生大量水蒸氣使煤的表面溫度在水倒入瞬間大幅下降,CO、CO2的濃度在滅火初期顯著下降,但隨著水下滲速度加快,大量的水從煤體底部、邊緣流出,使內(nèi)部溫度下降緩慢,表現(xiàn)為CO、CO2濃度變化不大;而采用高分子稠化膠體滅火時,膠體與火作用相對較緩慢,CO、CO2的濃度在滅火初期較高,但由于膠體在水中停留時間較長,流失量較少,使膠體(與水相比)的降溫、隔氧性能得到發(fā)揮,在一定時間后,煙氣中的CO、CO2均明顯低于水滅火時的水平,表現(xiàn)出良好的滅火性能。(二)煤體注滅火后泄漏出的至流場分布圖4為新型滅火技術(shù)在東灘煤礦自燃火災(zāi)防治應(yīng)用中的試驗結(jié)果?？梢?采用灌水滅火溫度反彈速度很快;采用泥漿(水與黃土混合)灌注滅火,溫度下降較快,但下降速度平緩,煤體溫度始終保持在38℃左右,且泄漏出的泥漿對巷道污染較為嚴重;采用高分子稠化膠體注入滅火,初期由于稠化膠體分子間束縛力的作用,使水不能迅速釋放出水蒸氣,水的氣化降溫過程減慢使發(fā)生自燃的煤體溫度下降較慢,隨著稠化膠體的不斷注入,大量的粘稠膠體滯留在煤體的縫隙中起吸熱降溫和防火堵漏作用,高溫區(qū)溫度明顯下降,有效的抑制了火區(qū)復(fù)燃。(三)工作面未完全解決的原因2002年4月2號,太西集團烏蘭礦2258工作面推進過程中,檢測到CO,經(jīng)檢查在中部46～62架出現(xiàn)高溫,之后在59、60架間底部出現(xiàn)明火,判斷、確定自燃區(qū)域后向該區(qū)域注水,但CO沒有下降反而持續(xù)上升,煤自燃發(fā)火得不到有效控制,工作面無法推進。5月8日開始改用復(fù)合稠化膠體從工作面上方向火源點打鉆(3個鉆孔,深度150余米),井下注膠在46～62架間布6分鋼管,15日晨6時,工作面出現(xiàn)水蒸氣,之后逐漸減弱,8時水蒸氣消失,檢測管已檢測不出CO,此時共注膠20m3。工作面有效控制后,太西集團領(lǐng)導(dǎo)決定恢復(fù)工作面生產(chǎn)。使用該技術(shù)共支出13萬元(原料2.5萬元,設(shè)備2.5萬元,其他為技術(shù)服務(wù)