賈鵬輝

（山西西山晉興能源有限責任公司 斜溝煤礦，山西 呂梁033602）

0 引 言

由于近些年來我國采煤技術的飛速發(fā)展，特厚煤層放頂煤開采及瓦斯抽采技術取得空前進步，工作面開采后采空區(qū)遺煤較多，自然發(fā)火問題越發(fā)凸顯[1-2]。根據(jù)最近的統(tǒng)計結果，我國開采的煤層90%以上屬于自燃煤層或者易自燃煤層，因自然發(fā)火引發(fā)的礦井火災達到總數(shù)的85%以上[3]。在25個主要產(chǎn)煤大省里，共有130個以上礦區(qū)因煤層自然發(fā)火問題而受到不同程度的影響，寧夏寧東礦區(qū)、陜北神東礦區(qū)等地方每年都發(fā)生因為自然發(fā)火引發(fā)CO濃度超限的問題[4]，每年給礦井造成巨大的經(jīng)濟損失，甚至發(fā)生人員傷亡事故[5-6]。

為有效防治煤炭自然發(fā)火，科研人員開展了大量的試驗研究，研究出的防滅火技術有，阻化劑、注惰氣、泡沫樹脂、預防性灌漿、凝膠等[7-11]，但這幾種防滅火技術也存在不足。比如阻化劑不易均勻分噴灑在煤體表面，腐蝕井下設備，影響工作人員的身體健康；注惰氣降溫滅火效果差，注氮機需經(jīng)常維護，惰氣伴隨工作面漏風擴散[12]；膠體防滅火材料多數(shù)為銨鹽類構成，易反應產(chǎn)生有毒氣體—氨氣，膠體材料的防滅火成本較高；預防性灌漿擴散區(qū)域有限，只能沿著地勢低的地方流，很難流向地勢高的地方，漿液很難均勻覆蓋浮煤，堆積效果差，易產(chǎn)生“拉溝”現(xiàn)象，易跑液和潰漿[13]；固體泡沫充填密閉時只需將2種原料充分混合注入井下，簡單易行，可有效封堵漏風地點，封閉效果好，同時具有固化前流動性好、固化后粘結性強、堆積性好且凝固速度可調(diào)控、價格低廉等優(yōu)點[14]。因此，本文通過實驗研究，改變固體泡沫2種材料的配比以得到最大發(fā)泡倍數(shù)，在斜溝煤礦23103尾巷進行現(xiàn)場實踐，以提高礦井火災防治效果。

1 添加沙前后固體泡沫的發(fā)泡試驗

1.1 試驗方法

將規(guī)定量的原料A和發(fā)泡劑B通過注射器吸至模具里，同時將直徑2 mm的沙子添加到模具里，之后攪拌直至均勻，等到原料A和發(fā)泡劑B完全發(fā)泡凝固成型之后，根據(jù)阿基米德原理實測泡沫的總體積，同時根據(jù)發(fā)泡倍數(shù)的計算公式：發(fā)泡倍數(shù)=（樣品總體積）/（沙子體積+原料總體積）核算原料A和發(fā)泡劑B的發(fā)泡倍數(shù)。

1.2 未添加沙時固體泡沫的發(fā)泡試驗

想得到在配比不一致的條件下原料A與發(fā)泡劑B的發(fā)泡倍數(shù)，按照不同配比把原料A與發(fā)泡劑B隨機劃分為18組開展試驗研究。試驗數(shù)據(jù)見表1，利用數(shù)值軟件生成發(fā)泡倍數(shù)和不同配比之間的變化曲線如圖1所示。

圖1 發(fā)泡倍數(shù)與不同配比之間的曲線Fig.1 Curve between foaming ratio and different ratio

表1 固體泡沫在未添加沙時的發(fā)泡數(shù)據(jù)Table 1 Foaming data of solid foam without adding Gaza

從圖1中可以看出，隨著A料和B料配比的變化，固體泡沫的發(fā)泡倍數(shù)先是升高接著下降，曲線形狀是拋物線，曲線有個峰值點，即當A料和B料為1∶1.2的配比時，固體泡沫的發(fā)泡倍數(shù)達到最大，最大發(fā)泡倍數(shù)是16.83。所以為了確保固體泡沫達到最大的發(fā)泡倍數(shù)，選擇A料和B料的最佳配比為1∶1.2即可達到目的。

1.3 添加沙子之后發(fā)泡特性研究

設置A料和B料為1∶1.2的配比時，分成15組樣品開展試驗，研究當含沙質(zhì)量分數(shù)不同時固體泡沫的發(fā)泡倍數(shù)。通過搜集整理得到相關實驗數(shù)據(jù)，具體見表2。依據(jù)實驗數(shù)據(jù)利用數(shù)值模擬軟件得到固體泡沫發(fā)泡倍數(shù)與含沙質(zhì)量分數(shù)之間的變化曲線，如圖2所示。

圖2 固體泡沫發(fā)泡倍數(shù)隨著含沙質(zhì)量分數(shù)的變化曲線Fig.2 The change curve of solid foam foaming ratio with the content of sediment

從圖2中看出，伴隨含沙質(zhì)量分數(shù)的變化，固體泡沫的發(fā)泡倍數(shù)開始產(chǎn)生明顯的變化，總體變化趨勢為先增后減。通過表2實驗數(shù)據(jù)得到，第20號和21號試驗樣品產(chǎn)生的發(fā)泡平均倍數(shù)是14.211，其樣品的含沙質(zhì)量分數(shù)是22.73%；第22號和23號試驗樣品產(chǎn)生的發(fā)泡平均倍數(shù)是14.229，其樣品的含沙質(zhì)量分數(shù)是27.27%。因此當樣品中的含沙質(zhì)量分數(shù)達到25%時，固體泡沫具有最大的發(fā)泡倍數(shù)，最大發(fā)泡倍數(shù)可達到14.220。

表2 含沙質(zhì)量分數(shù)不同時發(fā)泡倍數(shù)試驗數(shù)據(jù)Table 2 Test data of foaming times with different content of sand

1.4 添加沙子前后固體泡沫的成本核算

在開展成本核算之前先要獲得試驗用的原料A、原料B和沙子的密度，通過測試計算得到，原料A的密度ρA=1.045 7 g/cm3，原料B的密度ρB=1.133 9 g/cm3，沙子的密度ρs=1.351 g/cm3。計算3種材料的價格，按原料A和B的單價為3萬元/t核算，沙子的單價為40元/t，同時采用K這一修正系數(shù)以縮小因測定體積而引起的誤差，K由一組數(shù)據(jù)中最小體積與平均體積及最大體積與平均體積相比得到，它是一個比值；得到以上數(shù)據(jù)后核算在添加沙子和未添加沙子后封堵體積空間Vm3時所花費的成本。

（1）未添加沙子時原料A∶B為1∶1.2，16.83的發(fā)泡倍數(shù)時，通過核算得到K是1.026，那么：

（2）添加25%沙子后沙子體積占到總體積的20%，在原料A∶B為1∶1.2，14.220的發(fā)泡倍數(shù)時，通過核算得到K是1.02，那么

根據(jù)以上核算發(fā)現(xiàn)當原料A∶B為1∶1.2時，未添加沙子封堵體積空間V/m3時，所產(chǎn)生的成本C1是1 999.9 V元；添加25%沙子時，所生產(chǎn)的成本C2是1 892.4 V元，顯而易見加沙后成本降低，C2＜C1。所以當?shù)V井封堵工程量較大時，可通過向原料中增加黃沙的手段以減少成本。

2 現(xiàn)場實踐

斜溝煤礦23103尾巷開采結束后由于礦壓顯現(xiàn)、垮落嚴重，在工作面后方100～200 m工作人員難以靠近，一直無法進行封閉。為了提高風量利用率，減少漏風，阻止采空區(qū)遺煤自然發(fā)火，采取固體泡沫來封閉后部采空區(qū)。

（1）試驗開始之前將發(fā)泡時間調(diào)好，以確保噴槍噴出后才開始發(fā)泡[13]。

（2）等管路與泵體連接好后，利用卷尺測出所用高壓管的尺寸，得到其直徑為13 mm，長度為18 m。

（3）試驗地點（固體泡沫發(fā)泡封閉采空區(qū)處）的巷道形狀為矩形，通過測定其寬度是2.2 m，高度是1.2 m，得到斷面積S是2.64 m2。

（4）兩個地點人員就位后，接到啟動命令后，外側人員啟動機器開始吸取液體，同時記錄好泵的壓力P、注液流量Q以及開始注液時間T1，具體為T1=10:48:41，P=1 MPa、Q=13 L/min；里側人員把噴槍噴出液體時間T記錄好，具體為10:48:54。

（5）封嚴巷道后，將泵停運，記錄好停泵時間T2是11:16，共計注液25 min。共用泡沫液體的重量m是0.5 T，計算得到注液速度v是20 kg/min。

（6）回收所有的設備，試驗結束。

利用上述參數(shù)根據(jù)ρ=v/Q和V1=m/ρ核算得到，使用防滅火材料的密度ρ是1.55 kg/m3，體積V1是0.32 m3；根據(jù)該種材料的發(fā)泡倍數(shù)為16倍，因此所用的泡沫體積增大到5.17 m3；依據(jù)h=V/S和v1=L/（T-T1），泡沫墻的厚度h是1.96 m，液體通過管路時的流動速度v1是1.64 m/s。由上述計算發(fā)現(xiàn)，密閉斜溝煤礦23103尾巷采空區(qū)過程中，需要使用的注液泵的壓力要達到1 MPa、注液管路的直徑需要達到13 mm的高壓膠管才可滿足長距離輸送泡沫的要求，管路中輸送泡沫的速度是1.64 m/s才可滿足要求。結合上述理論和試驗結果，開展斜溝煤礦23103尾巷采空區(qū)密閉工程，在23103工作面正常回采時，總計消耗20 t的固體泡沫。共計構筑15道擋墻，強化噴射5道密閉墻，封閉堵漏23103尾巷密閉10道及封閉聯(lián)絡巷10道。23103工作面開采完成后，對其兩巷相關的巷道進行封閉，總計構筑12道密閉墻，這12道密閉墻全部注入并噴射固體泡沫。在封堵23103工作面時瓦斯涌出量和風量的變化情況見表3。

在封堵23103工作面時，瓦斯?jié)舛群陀砍隽匡@著減少，封堵前瓦斯?jié)舛葹?.83%，封堵后瓦斯?jié)舛葹?.49%，封堵前瓦斯涌出量為4.87 m3/min，封閉后瓦斯涌出量為1.35 m3/min，降低了72%。因此封堵23103尾巷后堵，能夠有效降低23103工作面采空區(qū)漏風，顯著減少采空區(qū)瓦斯?jié)舛群陀砍隽?。所以實施固體泡沫封堵采空區(qū)安全措施可有效保障23103工作面安全高效回采，對開展工作面防滅火工作極為有利。從表3中得到在封堵23103工作面時，相比封閉前瓦斯涌出量出現(xiàn)增加現(xiàn)象，瓦斯涌出量增大了0.32 m3/min，灌注和噴涂泡沫后瓦斯涌出量發(fā)生顯著減少，降低到1.35 m3/min。原因是在開展灌注和噴涂固體泡沫封閉23103工作面時，顯著減少了采空區(qū)風量，23103工作面的風量通過聯(lián)絡巷到達23103尾巷，把之前積存在聯(lián)絡巷內(nèi)部的瓦斯排放出來，使得在封閉過程中的瓦斯涌出量出現(xiàn)短暫性升高現(xiàn)象。

表3 封堵過程中風量和瓦斯量記錄Table 3 Air volume and gas volume records in the plugging process

3 結 論

（1）通過開展固體泡沫防滅火材料發(fā)泡特性試驗研究，發(fā)現(xiàn)當原料A和B的配比為1∶1.2時，固體泡沫材料能夠產(chǎn)生最大發(fā)泡倍數(shù)，達到16.83。

（2）在原料A、B最佳配比1∶1.2條件下，通過向固體泡沫中添加黃沙以研究發(fā)泡倍數(shù)，發(fā)現(xiàn)當固體泡沫的含沙百分比達到25%時，固體泡沫可產(chǎn)生最大發(fā)泡倍數(shù)，達到14.220。

（3）通過分析在固體泡沫材料中添加沙子和未添加沙子時封堵體積空間V m3所花費的成本，表明固體泡沫材料加入黃沙后不但滿足封堵效果，而且減少了防滅火成本。

（4）在斜溝煤礦23103尾巷現(xiàn)場實踐表明：固體泡沫材料可將漏風通道快速封堵，明顯減小采空區(qū)自然發(fā)火的危險，且封堵成本較低，具備良好的防滅火效果。