周福宝-矿井通风及防灭火

周福宝—矿井通风及防灭火第一页，共92页。中国矿业大学安全技术及工程学科简介国家级重点学科，全国(1/107)第一，国家首批特色专业国家煤矿瓦斯治理工程中心、煤炭资源与安全开采国家重点实验室、煤矿瓦斯与火灾防治教育部重点实验室教职工59人，其中中国工程院院士2人，教授18人，副教授8人,博士生导师15人总理与周世宁院士在飞机上探讨治理瓦斯措施周济部长到矿井火灾实验室指导工作学科带头人王德明教授在国际会议作报告第二页，共92页。矿井通风防灭火研究所以王德明教授为带头人，李增华教授、周福宝教授、秦波涛教授等为骨干的新一代博士团队获国家科技进步二等奖1项，省部级科研奖20余项；发表论文112篇，出版专著与教材9部；获授权国家、专利15项2009年入选江苏高等学校优秀科技创新团队研究成果：防治煤炭自燃的三相泡沫防灭火新技术和稠化砂浆防灭火技术已在国内外上百个煤矿应用第三页，共92页。三相泡沫

防灭火新技术与应用

第四页，共92页。报告提纲概述三相泡沫的组成及特性三相泡沫的制备三相泡沫的防灭火性能三相泡沫防灭火的现场应用第五页，共92页。矿井火灾是煤矿主要灾害之一。我国煤炭自燃矿井占总数的56%，自燃引起的火灾占矿井火灾总数的90%。自燃常引发瓦斯爆炸，造成重大人员伤亡。一、概述1、问题的提出综采放顶煤，其开采和通风强度增加，采空区体积增大、浮煤增多，自然发火危险性增强，上千万元的综采设备常被封在火区中，造成巨大经济损失。综采放顶煤技术的广泛应用第六页，共92页。我国新疆、宁夏、内蒙等省还存在大面积的煤田火灾，每年烧损煤量2000万吨，破坏开采煤量2亿吨，经济损失超过200亿元。新疆煤田火灾至今已有1600多年历史：北魏地理学家郦道元撰写的《水经注》中对新疆煤田火灾也有记载：“屈词二百里有山，夜则火光，昼则但烟。”屈词即龟兹（今库车县至拜城县一带）一、概述1、问题的提出新疆硫磺沟百年不熄的煤火吐鲁番八百里火焰山第七页，共92页。2001~2005年，共发生死亡3人以上的火灾事故43起，死亡614人2005年，我国原煤年产量21.1亿吨。据“十一五”规划，2010年，我国将建成神东、晋北、陕北等13个大型煤炭基地，而其中的很多矿区都不同程度地存在煤矿火灾问题，迫切需要高效、环保、经济防灭火的技术及材料。一、概述1、问题的提出第八页，共92页。●灌浆（黄泥、粉煤灰）●注惰性气体（N2、CO2）●喷阻化剂●注凝胶、胶体泥浆●泡沫树脂2、当前主要的防灭火技术一、概述第九页，共92页。为充分利用目前有效的常规防灭火技术与手段，又能克服目前注浆、惰气、惰气泡沫、阻化剂等防灭火技术的不足，中国矿业大学创新地提出了三相泡沫防灭火新技术，研制了产生三相泡沫的装备，开展了三相泡沫防灭火理论与应用研究。

3、问题的提出一、概述第十页，共92页。二、三相泡沫组成及特性氮气粉煤灰（黄泥）水三相泡沫第十一页，共92页。（1）不同矿区粉煤灰（飞灰）的粒径分布大屯煤电公司姚桥煤矿粉煤灰粒径分布

枣庄矿业集团柴里煤矿粉煤灰粒径分布徐州铜山热电厂粉煤灰和炉渣的混合体粒径分布

徐州热电厂粉煤灰粒径分布1、固相物质第十二页，共92页。

山东枣庄黄泥粒径分布

辽宁抚顺矿业集团老虎台煤矿粉煤灰颗粒粒径分布（2）黄泥、粉煤灰（炉渣）的粒径分布1、固相物质第十三页，共92页。1、固相物质（2）粉煤灰与黄泥的组分姚桥煤矿粉煤灰样品X衍射测试分析图柴里矿黄泥样品X衍射测试分析图固相成分中含石英、莫来石、长石以及非晶态物质，有部分磁铁矿、赤铁矿等，这些成分均为亲水性很强的物质，加入的发泡剂应使颗粒表面由亲水性变成疏水性，从而能使粉煤灰或黄泥能很容易地附着在泡沫上第十四页，共92页。粉煤灰的化学组成（%）样品来源SiO2Al2O3Fe2O3TiO2CaOMgONa2OK2OP2O5SO3姚桥粉煤灰柴里粉煤灰48.3252.2329.2924.615.284.681.291.117.769.281.942.010.350.461.060.980.2600.1263.100要充分考虑到粉煤灰或黄泥中Ca2+离子的作用和影响1、固相物质（3）固体不燃物的化学组成化学成分及其含量SiO2Al2O3MgOCaO59.8%20.88%0.95%1.87%大兴矿黄泥的化学组成（%）第十五页，共92页。大屯姚桥电厂粉煤灰电镜照片不规则的海绵状玻璃颗粒

不规则的海绵状玻璃颗粒和片状碳粒子组成以及少量比重较小、能浮于水的漂珠显微结构复杂，一般的发泡剂很难将它们悬浮，它们在水中的沉降速度很快，不利于形成三相泡沫1、固相物质（4）固体不燃物的结构特性第十六页，共92页。2、水的特性发泡剂要能克服水中阳离子、各种盐类等大量杂质的影响通过对许多矿区的自来水、井下水、井下循环废水等水质的分析可知：水中都含有大量阳离子或各种盐类等杂质第十七页，共92页。3、气体特性气体空气氮气二氧化碳溶解度（ml/L）25.423.21281.5气体压力MPa吸附量（m3/t）（1）气体的溶解特性（2）气体的吸附特性第十八页，共92页。三、三相泡沫的制备三相泡沫的形成机理发泡剂的研制发泡器的研制三相泡沫的实验室试验三相泡沫的现场制备第十九页，共92页。1、三相泡沫的形成机理发泡剂使浆液表面的张力降低，改变固体颗粒的表面湿润性；浆液与气体经过发泡器时利用浆体与氮气本身的动力对三相混合液做功，从而形成了大量三相介质泡沫群体。第二十页，共92页。2、三相泡沫发泡剂的研制产生部分三相泡沫产生完全的三相泡沫固-液-气三相分离

第二十一页，共92页。（1）发泡剂浓度与发泡能力的关系2、三相泡沫发泡剂的研制第二十二页，共92页。（2）发泡倍数与稳定时间的关系（水灰比5：1）2、三相泡沫发泡剂的研制第二十三页，共92页。（3）浆液浓度与稳定性的关系2、三相泡沫发泡剂的研制第二十四页，共92页。20℃40℃60℃80℃100℃120℃(4)温度对三泡沫稳定时间的影响2、三相泡沫发泡剂的研制第二十五页，共92页。网式两相泡沫发泡器回采工作面冒落空洞处理矿用泡沫水泥充填机建筑行业的泡沫混凝土泡沫发生器的相关研究3、三相泡沫发泡器研制三、三相泡沫的制备第二十六页，共92页。（1）三相泡沫发泡器

3、三相泡沫发泡器研制第二十七页，共92页。（2）三相泡沫发泡器发泡过程的仿真模拟

3、三相泡沫发泡器研制第二十八页，共92页。制浆站（粉煤灰或黄泥）混合器发泡器发泡剂压风三相泡沫4、三相泡沫制备系统第二十九页，共92页。粉煤灰制浆

实验用产泡的加气装置

发泡剂定量供给装置

三相泡沫发泡装备

(1)三相泡沫实验系统第三十页，共92页。实验室三相泡沫发泡试验第三十一页，共92页。（2）三相泡沫现场制备系统（地面添加发泡剂）地面制浆站地面注浆管路发泡器发泡剂氮气三相泡沫第三十二页，共92页。地面制浆站地面注浆管路发泡器发泡剂氮气三相泡沫(2)三相泡沫现场制备系统（井下添加发泡剂）第三十三页，共92页。矿井地面制浆系统第三十四页，共92页。发泡剂定量添加装置（地面）

第三十五页，共92页。发泡剂定量添加系统（井下）

第三十六页，共92页。井下使用的三相泡沫发泡装置及注浆钻孔第三十七页，共92页。三相泡沫的基本特点利用粉煤灰或黄泥的覆盖性、氮气的窒息性和水的吸热降温性进行防灭火；水浆成为泡沫，分布更为均匀，可避免浆体的流失，提高了防灭火的有效性；可向采空区高处堆积，扩散范围广，可扑灭采空区的隐蔽火源；泡沫堆积不会发生溃浆，没有安全隐患。五、三相泡沫的防灭火特性第三十八页，共92页。1、泡沫的堆积性三相泡沫两相泡沫第三十九页，共92页。2、泡沫的流动性第四十页，共92页。三相泡沫的灭火性能分析经典的火灾三角形说明了火灾发生及灭火的原理。但煤的自燃，自由基作为中间体参与反应，自由基已被称为着火的四要素之一；3、三相泡沫的灭火性能可燃物源热氧气减少自由基的产生量，一是降低温度，二是在灭火材料中加入固体颗粒。自由基与固体相碰，能量传递给了固相壁，自身也被结合成稳定分子，从而销毁了自由基，抑制了链锁反应。燃烧四面体1－可燃物；2一助燃物（O2）；3—热源；4—链反应第四十一页，共92页。三相泡沫的灭火性能分析水有很大的吸热能力（1kg水汽化成蒸汽时能吸收2256.7J的热量），能很快使物体冷却而停止燃烧；水遇火（高温）能蒸发成大量水蒸气（1m3水能生成1700m3水蒸汽），使燃烧物表面与空气隔绝，并能稀释空气中的氧浓度3、三相泡沫的灭火性能第四十二页，共92页。3、三相泡沫的灭火性能两木垛火势充分燃烧5分钟后，燃烧很旺盛

（1）三相泡沫与水灭火对比试验第四十三页，共92页。

（1）三相泡沫与水灭火对比试验4、三相泡沫的灭火性能第四十四页，共92页。（2）三相泡沫的灭火试验3、三相泡沫的灭火性能第四十五页，共92页。（2）三相泡沫灭火性能试验结果3、三相泡沫的灭火性能第四十六页，共92页。五、三相泡沫在现场的应用特大型火区的灭火倾斜俯采综放工作面的防灭火巷道高冒火区的灭火综放工作面支架后部及撤架的防灭火一般采空区及高位地点的防灭火第四十七页，共92页。1、宁夏白芨沟矿特大火区的治理第四十八页，共92页。A烟雾冲出井口B.井口密闭摧毁C井口风门倒塌D.风机房被炸毁2003年白芨沟矿发生瓦斯爆炸时的场景第四十九页，共92页。火区工作面进风井回风井采区回风巷采区进风巷联络巷1、水封进风侧低位巷道3、大流量注三相泡沫灭火灭火钻孔4、锁风、注氮逐段排水、启封特大火区灭火抑爆技术综述2、采用先进钻探工艺快速施工钻孔第五十页，共92页。地面注浆钻孔施工难度：1、山顶道路崎岖，难以布置井场；2、火区地表覆盖矸石墟渣难以成孔；3、气温零下20℃，难以保证施工用水；4、采空区冒落带难以逾越。第五十一页，共92页。T685WS车载顶驱钻机地面钻孔白芨沟矿地面注三相泡沫钻孔第五十二页，共92页。三相泡沫注浆工艺流程第五十三页，共92页。白芨沟矿地面注三相泡沫场景第五十四页，共92页。白芨沟矿应用效果

白芨沟矿实施该成套技术，1个多月就恢复了南四采区的生产，大灾当年即取得赢利；爆炸发生1年后矿井全面恢复了生产；且在高瓦斯特大火区治理中未造成任何人员伤亡，2003、2004、2005、2006年该矿百万吨死亡率均为零。第五十五页，共92页。铁法煤业集团大兴煤矿

铁法大兴矿生产能力为380万吨。N2703综放工作面走向长1420米，倾斜宽160米。煤厚7.81米。煤层倾角为15~25度，工作面小断层构造多，裂隙较发育，漏风较严重。气煤，易自燃，自然发火期最短18天。该工作面与四个采空区相连。N2703综放工作面于2004年9月22日开始开采，10月25日起开始出现大量CO，于26日取样开始出现C2H4，情况十分危机，此时工作面推进了90多米，无法判断高温火源点的位置。

2、倾斜俯采综放工作面煤炭自燃防治第五十六页，共92页。当地的白泥为固相，井下抽到地面来的废水作为液相。灰水比为1：4，浆液每小时控制流量为15~20m3/h，气量为600m3/h，发泡剂为浆液量的0.5%。由于该工作面是倾斜煤层的俯采，注三相泡沫的地点离工作面比离运顺近的多，因此三相泡沫容易先从回风顺槽的后三角点喷涌而出，因此于10月28日和29日两天在先注沙来形成一到沙墙；于10月30日开始大量注三相泡沫，连续注7天隐患消除。应用案例2：铁法煤业集团大兴煤矿第五十七页，共92页。铁法大兴矿应用情况特点：（1）注砂与注三相泡沫结合；（2）每隔40~60m按次方式布置埋管；（3）连续注至少20小时以上第五十八页，共92页。回风巷道CO变化情况

采空区CO变化情况

采空区中温度变化情况

采空区C2H4变化情况

应用效果第五十九页，共92页。耿村矿12190工作面进风巷高冒火区治理

耿村煤矿生产能力300万t/a。12190备用工作面走向长1060m，倾斜长170m，煤层厚度为11～15m，倾角为9～13度。煤种牌号为长焰煤，属易自燃煤层，自然发火期一个月，最短仅为7天。2005年10月24日，工作面贯通。10月30日，工作面进风巷892m处出烟，立即采用常规的打钻孔和黄泥注浆方法处理火区。此段巷道正处于断层附近，煤层变软，巷道顶煤破碎，高冒区面积大；11月3日上午，回风巷CO浓度达到800ppm，4日急增至1800ppm，巷道内浓烟滚滚，能见度不足0.5m，常规的灭火手段无效，新贯通的工作面面临封闭，矿井安全生产受到非常严重的威胁。

3、巷道高冒火区第六十页，共92页。3、巷道高冒火区耿村矿12190工作面进风巷高冒火区治理第六十一页，共92页。钻孔布置剖面示意图

灭火钻孔

钻孔在巷道底板投影示意图

（1）耿村矿12190工作面进风巷高冒火区治理治理方案第六十二页，共92页。注三相泡沫后的效果从11月6日下午1点至7日凌晨5点40分，共注16小时40分钟，共向火区注水250m3，黄土30m3，约5000m3的三相泡沫。大量的三相泡沫迅速扑灭了高冒区上部隐蔽地点的火源，CO等标志性气体浓度迅速下降。

（1）耿村矿12190工作面进风巷高冒火区治理第六十三页，共92页。枣庄新安煤矿，年产500万吨。3105上分层工作面属于综放工作面，该工作面在推采到距离下分层停采线100余米处时，采空区出现自燃征兆，在工作面的进风隅角后部一氧化碳高达800ppm,采空区遗煤出现自燃现象。3、三相泡沫在综采支架上部灭火中的应用

第六十四页，共92页。3、三相泡沫在综采支架上部灭火中的应用

利用岩石电钻从工作面支架间隙向采空区打钻，钻孔的角度以60°～75°为宜，深度6—8m为终孔，钻孔间距为3m，由工作面沿架间布置，随着工作面的推进和采空区的冒落，再用钻杆延接钻孔，确保钻孔的正常进浆。工作面从60#到120#架共布置钻孔30个第六十五页，共92页。注三相泡沫后的效果工作面架后CO浓度变化情况向采空区注入三相泡沫9000m3，回风隅角及支架后方的一氧化碳注三相泡沫两天后就下降至40ppm，使该工作面安全结束并回撤封闭。第六十六页，共92页。4、孟加拉国孟巴矿的应用孟巴矿是孟加拉国第一个大型现代化矿井，矿井地温梯度3.51℃/百米，井下地温高。

2005年10月4日，工作面因发火被封闭，启封后复燃，经应用本项目成果，很快控制了火区的CO、扑灭了火灾。第六十七页，共92页。方案实施项目技术在孟巴矿的应用现场第六十八页，共92页。5、高硫煤工作面撤架防灭火葛泉矿东井是金牛能源股份公司利用上市融资建设的河北省重点工程，是河北省国有重点煤矿第一家开采下组煤资源的矿井，1192工作面是试采工作面，其成功开采将对我国开采下组煤具有重要的借鉴意义。9号煤属贫煤，但煤中含硫量高达4%,夹有黄铁矿，1kgFeS2完全反应能释放出10612.6～11961.3kJ的热量，2FeS2＋7O2＋2H2O＝2FeSO4＋2H2SO4(10662.7kJ/kg)（1）4FeS2＋15O2＋14H2O＝4Fe(OH)3＋8H2SO4(10612.6kJ/kg)（2）4FeS2＋15O2＋8H2O＝2Fe2O3＋8H2SO4(11961.3kJ/kg)（3）第六十九页，共92页。技术方案快速改建矿井防灭火灌浆系统

采用三相泡沫防灭火技术处理高位隐蔽火源

采用科学的撤架通风方式

因地制宜，采用合理的撤架顺序

第七十页，共92页。三相泡沫的主要技术指标三相泡沫的发泡倍数>30倍泡沫稳定时间8h～36h水灰比（质量比）4：1耗浆量10～30m3/h产泡量>310~1230m3/h发泡剂使用比例0.2～0.5%发泡剂成本<1～3元/m3泡沫第七十一页，共92页。序号应用单位序号应用单位序号应用单位1宁夏白芨沟矿20河北金能邢台矿38陕西下石节矿2乌兰矿21葛泉矿39玉华矿3汝箕沟矿22宣东矿40陈家山矿4河南义马耿村矿23长城矿41大佛寺矿5常村矿24河北开滦荆各庄矿42柴家沟矿6千秋矿25赵各庄矿43秦源矿7杨村矿26钱家营矿44崔家沟矿8铁法大兴矿27唐山矿45淮北朱仙庄矿9大隆矿28吕家坨矿46任楼矿10大明矿29范各庄矿47永固矿11阜新海州立井30崔家寨矿48甘肃海石湾矿12五龙矿31安徽淮南新集一矿49百贯沟矿13枣庄柴里矿32新集二矿50贵州水城大湾矿14新安矿32孔李矿51山西大同塔山矿15山东东滩矿33张集矿52河北峰峰大淑村矿16星村矿34平顶山平顶山一矿53新疆大黄山矿17华丰矿35平顶山五矿54江西金兴矿18三河口矿36平顶山八矿55大屯姚桥矿19里能新河矿37大庄矿56孟巴矿（孟加拉）推广应用情况第七十二页，共92页。六、结束语针对综放采空区、巷道高冒区等地点煤炭自燃隐蔽火源治理的难题，提出了防治煤炭自燃的三相泡沫新技术。提出了沿顺槽埋管、综防支架背后插管、井下或地面打钻等向采空区、高冒区注三相泡沫的不同工艺。该技术充分利用煤矿已有的灌浆系统和气源（氮气或压风），集固、液、气三相材料的防灭火性能于一体，三相泡沫产生量大、扩散范围宽、可向高处堆积，防灭火效率高、经济性好。该技术已在全国近80个矿井得到了广泛的应用，尤其在治理宁夏白芨沟矿井下特大火区、义马耿村巷道高冒火灾和铁法大兴综放俯采工作面的煤自燃，三相泡沫技术起到了关键的作用。三相泡沫为治理采空区大范围和高位的隐蔽火源提供了一项高效的新技术。第七十三页，共92页。稠化砂浆防灭火技术第七十四页，共92页。稠化砂浆防灭火技术

常规注砂方法存在的问题需水量大，一般水砂比为7:1～11:1砂浆到井下后易脱水，会影响井下环境、影响煤质砂子易沉淀，对管路磨损严重砂子对煤体的包裹覆盖作用差，防灭火的效果不理想第七十五页，共92页。稠化砂浆防灭火技术

神东矿区砂源丰富在神东煤田范围内，大面积覆盖着新生界第四系全新统松散砂层，一般厚为10～20m，这为井下注浆防灭火提供了一种得天独厚的资源

第七十六页，共92页。神东矿区山砂特性

神东矿区山砂的颗粒较细，颗粒粒径主要是0.1mm～0.5mm,最大粒径为2mm。我国其它广泛使用山砂防灭火的矿区，山砂最大的粒径超过了50mm。较细的山砂为神东矿区防灭火提供了理想的材料第七十七页，共92页。神东矿区山砂成分特性：样品X衍射测试分析图

第七十八页，共92页。山砂稠化剂的研制砂子的比重较大，其颗粒粒径也明显比黄泥、粉煤灰的大，因此一般稠化剂都难使砂粒悬浮。课题组对聚丙烯酰胺、聚丙烯酸纳、CMC等高分子凝胶材料和煤矿常采用的无机凝胶材料等进行了悬砂实验，都难以使砂子悬浮，而且这些材料的使用成本较高，难以大量使用。为适应我国西北部地区矿井火灾防治的需要，研制了KDC型防灭火制浆用的稠化添加剂。第七十九页，共92页。悬砂试验其他类型的凝胶悬砂试验

制备好的稠化砂浆

第八十页，共92页。不同浓度、不同砂源的悬砂试验第八十一页，共92页。水管泵热水炉消化罐搅拌桶流量计注砂泵蒸气循环后砂浆Φ125管Φ100管稠化剂测压点1234山砂稠化剂中试

第八十二页，共92页。在搅拌器中的稠化砂浆在循环回路出口处的稠化砂浆山砂稠化剂中试效果

第八十三页，共92页。稠化砂浆流动阻力试验结果

流量m3/hΦ100(1-2)