摘要：針對現有的礦井防滅火技術進行了分類比較，各有自己的優缺點。根據煤礦現場實際。體現“以防為主，防治結合”的思想，充分發揮各防滅火技術的優點，采取以膠體防滅火技術為主，其他防滅火技術為輔的手段，形成礦井綜合防滅火技術及其裝備，實施防滅火工程。通過煤礦現場的實際應用，取得了良好的效果。

　　關鍵詞：綜合防滅火技術；膠體；應用

　　我國煤炭自燃火災十分嚴重，在開采煤層中，大約有50%的礦井存在自然發火危險。據統計，我國煤礦自燃火災約占礦井火災的70%，一些自然發火嚴重的礦區，如兗州、撫順、鶴崗、窯街、義馬、淮南、六枝等，其自然發火占礦井火災次數的90%以上。而煤層自燃火災防治是一項復雜的系統工程，它不僅要求礦井有合理的開拓系統和開采方法、合理的礦井、采區和工作面通風系統，可靠的專項防治措施和管理制度，還必須掌握相應的防滅火技術，具有完善的防滅火系統及裝備。

　　1井下常用的防滅火技術

　　目前煤礦井下常用的防滅火技術主要有：堵漏、均壓、惰氣、惰泡、三相泡沫、阻化劑、霧化阻化劑、惰化阻化劑、用水滅火、灌漿、膠體防滅火技術等，這些技術按其主要作用和功能可歸納為以下幾類：

　　1.1控制漏風技術

　　主要目的是：減少或杜絕松散煤體氧氣的供給。技術手段有：水泥噴漿；泡沫噴涂；納米改性彈性體材料涂抹；均壓。

　　水泥噴漿工作量大，回彈多，抗動壓性差，堵漏效果不十分理想；泡沫堵漏性能好，抗動壓性好，但其成本較高，高溫時分解，釋放出有害氣體；納米改性彈性體材料具有氣密性好、伸長率大等性能，可刮、涂、抹在煤巖體、木材及閉墻漏風處，操作簡單，使用方便，可根據施工需要調整固化時間，固化后表面形成彈性體。

　　閉區均壓可減少向封閉區域內的漏風，開區均壓則可降低采空區周邊的壓差，減少向采空區浮煤漏風，從而降低自燃危險程度，但對于已經或曾經發生過自燃的火區，僅依靠均壓達到完全杜絕漏風，防止自燃的目的是不現實的。

　　1.2火區惰化技術

　　主要目的是：降低火區O2濃度，窒息火區。技術手段有：注入N2和CO2等惰性氣體；惰氣泡沫；三相泡沫。

　　惰氣和泡沫可充滿整個空間，既能迅速窒息明火，又能抑制煤層自燃高溫火區的發展，但對大熱容的煤體降溫效果不好，滅火周期長，火區易復燃，且對現場堵漏風工作要求較高。

　　惰泡和三相泡沫能起到固氮、降溫、減少漏風、降低采空區氧濃度、包裹煤體等作用，但泡沫穩定時間短，在碎煤中壓注，發泡性能差，起泡倍數低，若僅起阻化劑作用，則成本太高，效率低，對已形成高溫的浮煤，僅依靠惰泡隔氧滅火，需注惰泡量很大，且易復燃。

　　1.3煤體阻化技術

　　主要目的是：降低煤體的氧化活性，抑制煤氧結合。技術手段有：噴注CaCl2、MgCl2等一些吸水性很強的鹽類；霧化阻化劑；惰化阻化劑。

　　當CaCl2、MgCl2的水溶液附著在煤體表面時，形成一層含水液膜，阻止煤氧接觸，同時能使煤體長期處于潮濕狀態，在低溫氧化時溫度不易升高，從而抑制了煤的自熱和自燃；阻化劑防火效果較好，但當煤中水份蒸發，減小到一定程度時，阻化作用就會停止，轉而變為催化作用，促進煤的氧化與自燃。

　　惰化阻化劑在煤溫超過一定溫度時，開始吸熱氣化，產生惰性阻化氣體，阻礙火區的自由基鏈鎖反應過程，高溫分解后的剩余物在煤表面生成一層薄膜，冷卻后成為脆性覆蓋物，使煤與空氣隔絕；但該材料不易均勻地分散到煤體內，充分發揮其防滅火效能，如用其水溶液注入煤體則易流失。

　　1.4吸熱降溫技術

　　主要目的是：降低高溫煤體溫度，徹底熄滅高溫火區，防止火區復燃。技術手段有：注水；灌漿；液氮；液態CO2。

　　熄滅煤層火區的關鍵是降低煤溫。水是最經濟、來源最廣泛吸熱降溫材料，其熱容量大，1L水轉化成蒸汽時吸收2256.7kJ熱量，同時生成1.7m。水蒸汽，能很快降低煤溫，大量水蒸汽具有沖淡空氣中的氧濃度、包圍、隔離火源、窒息火源的作用；灌漿防滅火技術在我國有自然發火危險的礦井中用得較普遍，泥漿能夠吸熱降溫，對煤體還有包裹作用，達到隔氧的目的，對于采空區的防滅火效果顯著，已成為與井下內因火災斗爭的主要措施之一。

　　但井下自燃火源通常處于比較高的部位，用水或泥漿滅火時，不能滯留在發火部位，易形成固定的通道流動，流過發火部位后僅使煤表面溫度得到降低，煤體內部溫度仍然很高；水的沖刷將煤體表面的灰分帶走，又露出新的煤體表面，水的劇烈蒸發增加了煤的孔隙率，使漏風通道更加暢通；水在600℃以上會分解成H2和O2，有水煤氣爆炸的危險，給井下滅火隊員構成極大威脅。

　　1.5膠體防滅火技術

　　西安科技大學開發的凝膠、膠體泥漿、稠化膠體和復合膠體等防滅火技術集堵漏、降溫、阻化、固結水等性能于一體，使易于流動的水溶液在指定時間和部位發生膠凝，包裹高溫煤體，充分發揮水的吸熱降溫作用，較好地解決了灌漿和注水的泄漏流失問題。且在近1000℃的明火中不會迅速汽化，僅因水份緩慢蒸發而逐漸萎縮，滅火安全性好，在井下濕度90%，溫度28℃的環境下，13個月后仍保持完好。

　　同時，在該技術的現場使用和推廣過程中，研制開發出了井下移動式、管網式、地面移動式和地面固定式多功能灌漿注膠防滅火系統等多種應用工藝，可根據礦井實際條件進行靈活地設計與使用。

　　1.5.1膠體防滅火材料性能

　　膠體防滅火技術作為推廣迅速的一種新型防滅火技術，已被廣泛應用于井下煤層火災的防治，該膠體防滅火材料具有如下的防滅火性能：

　　(1)固水性。純膠體中90%以上是水，易于流動的水被固結起來，充分發揮水的降溫滅火作用。

　　(2)熱降溫性。成膠過程是吸熱反應，煤溫上升使膠體中的水汽化，也將吸收大量的熱。

　　(3)滲透和堵漏性。成膠材料是易于流動的液體，滲透到煤層縫隙中后形成膠體，堵住漏風通道。

　　(4)阻化性。促凝劑和基料本身都是阻化劑，兩者反應生成的材料也是阻化劑，膠體具有通用阻化劑的性能，對高硫礦仍有良好的防滅火性能。

　　(5)熱穩定性。在1000℃多的高溫下膠體不熔化、不破裂，仍能保持完好，只是慢失水干裂，但殘渣(增強劑和SiO2)仍充填著煤體孔隙。

　　(6)充填性能。增強劑(黃土、粉煤灰、砂土等)用量增加，膠體耐壓性增強，高濃度膠體泥漿可充填高冒空頂區。

　　(7)在井下正常情況下(T<28℃，濕度>90%)，膠體可長期保存在煤層中(現場實測13個月仍完好)，防止煤層自然發火或火區復燃。

　　(8)成膠時間可以控制，便于針對不同發火情況和現場使用工藝對其進行適當調節。最短成膠時間25s，慢的可控制在數10h，成膠速度根據火區條件和輸送距離及鉆孔滲透范圍進行調節。

　　(9)材料來源廣泛，成本低廉，工藝簡單。與灌漿系統相配合的大流量壓注膠體泥漿工藝可用于撲滅大面積煤層自燃火災。

　　1.5.2膠體防滅火材料適用范圍

　　仍以粉煤灰為基料形成系列粉煤灰膠體防滅火材料為例。灌注粉煤灰漿液不需添加任何外加劑，材料成本最低，且工藝最為簡單，是煤層火災防治首選的方法，主要適用于仰斜開采的工作面采空區，或泄漏不嚴重，且注漿地點周邊環境能夠承受一定液體靜壓的地點，還可用于不會污染工作區域，且脫出的水份易于排出的地點。由于粉煤灰沉淀速度快，容易發生管路堵塞，而且其親水性差，注漿地點的灰水很容易分離，脫出的清水很快沿固定通道流走，其防滅火效能較水灰共同作用時的防滅效能大為降低，用于滅火時存在水煤汽爆炸的危險。

　　粉煤灰稠化膠體僅需在地面灌漿池內灑入極少量的外加劑(JXF1930稠化懸浮劑)，使用方法簡單，防滅火的材料成本增加較少。稠化懸浮劑的加入，增加了漿液的粘稠度和保水性，從而使較稀的泥漿能達到稠泥漿的防滅火效果，且延長了灌漿地點水灰共同作用下的防滅火時間，增加了漿液的流淌范圍，還解決了管路堵塞以及高濃度漿液的管路輸送問題。由于有高分子材料的束水作用，在用于滅火時，不會迅速產生大量的水蒸汽，不存在水煤汽爆炸的危險。適用范圍與粉煤灰漿液的灌注地點相同。

　　粉煤灰復合膠體外加劑(FCJ12膠凝劑)的用量也極少，防滅火的材料成本增加也很少。膠凝劑的加入是在井下灌漿地點附近，通過定量添加設備，將其按比例加入灌漿管網內(混合點距漿液出口的距離最好<100m)，相對于地面添加稠化懸浮劑的工藝而言，應用的難度有所增加，但其防滅火效能大幅度提高，潰漿的危險性大為降低。FCJ12膠凝劑對于高濃度粉煤灰漿液(灰水比>1：1)的作用是實現漿液的液固轉化，最終形成的粉煤灰復合膠體能夠停留在指定的地點，充分地發揮其降溫和封堵漏風的作用，且膠體在煤層間隙受力時，僅發生蠕變，而不會破裂。由于膠體有粘彈性，它能緊密充填于煤層間隙，即使煤層壓裂破碎也不會產生漏風裂隙，可對移架、礦壓等造成的新裂隙進行二次封堵。FCJ12膠凝劑對于低濃度粉煤灰漿液(灰水比<1：1)的作用是使灰水迅速分離(分離時間小于1min)，脫出的液體僅是清水，而不是渾濁的漿液，不會污染工作區域，停留在指定地點的粘稠粉煤灰漿仍能起到粉煤灰復合膠體的作用。該膠體材料可用于灌注俯斜開采的工作面采空區，沿空巷道相鄰側采空區，巷邦以及封堵較嚴的巷道頂部，且由于其成本較低，滅火安全性好，也是用于需大量灌漿的工作面開切眼和停采線，以及大范圍采空區滅火的首選材料。

　　粉煤灰固化充填材料外加劑的種類多且用量大，成本高，添加比例也不好掌握，現場應用起來較為復雜，但其強度大，是很好的充填材料。主要用于廢棄硐室、兩道閉墻之間以及廢舊巷道的充填和堵漏。

　　粉煤灰凝膠中，粉煤灰起了凝膠增強劑的作用，膠體強度增加，耐壓性增強，但滲透性差，容易在高溫火區頂部形成“鍋蓋”。該材料主要用于漿液易泄漏的巷道頂部和工作面支架頂部，也可對兩道閉墻之間的巷道進行充填堵漏風，高濃度粉煤灰凝膠還可充填高冒空頂區。

　　高分子膠體滅火劑MCJ12使用工藝簡單，工作量小，成本高，膠體強度大，耐壓性高，但滲透性不好。該材料主要用于小范圍內煤層火災的快速控制和熄滅，也可用于巷道頂部、采空區兩道等區域的防火、滅火。

　　2應用實例

　　2.1興隆莊礦4322綜放面停采撤架期間煤層火災的綜合治理

　　興隆莊礦4322綜放面走向長1423m，斜長162m，煤厚8.1～9m，采高2.8m，2000年10月底回采至設計停采線。為減少損失煤量，礦決定將停采線向外延長70m，推過王樓一號斷層(落差5m)。在過斷層和聯絡巷時頂板難以控制，推進速度慢，冒頂頻繁，工作面壓力大，頂板破碎，普遍丟失頂煤，從10月11日至11月20日的41d時間里，工作面僅推進29.6m，被迫于11月20日在二號聯巷上停采(見圖1)。

 

　　圖14322綜放面停采發火位置示意圖

　　2000年12月12日在109#架和進風隅角后部發現煙霧，為防止事故進一步擴大，13日封閉火區。2001年1月12日啟封火區，14日16#、17#架間出現明火，由于應急措施準備不到位，再次封閉火區。18日重新打開火區后，將工作面剩余的89個支架安全撤出。在該火區的處理過程中，主要采取了以下綜合技術措施：

　　(1)封堵漏風通道。對與4322采空區相通的聯絡巷、溜煤眼、各種鉆孔進行詳細的檢查，對上述漏風或可能漏風的地點重新進行封堵，防止有害氣體泄漏。

　　(2)注氮控制火勢發展。向4322上順施工兩個注氮孔，15日夜班開始注氮，至27日監測火區氣體變化的3個測點氧氣濃度均在15～2%之間，CO濃度均趨于0，整個滅火期間注氮562h，截止到2001年1月9日累計注氮186387m3。

　　(3)施工消火道注膠滅火。火區封閉后，為降低火區溫度，徹底滅火撤架，施工消火道，從消火道內向工作面架后施工71個鉆孔進行注膠滅火，累計注膠2100m3。

　　(4)工作面短鉆孔密集注膠：工作面二次啟封后，在工作面布置了注漿、注水管路，并通過鉆孔與消火道的管路、注膠設備相連接，根據現場情況，對注膠效果不好的架間及防火重點區域補打鉆孔注膠。

　　通過在4322停采線兩端閉內、4324二聯、4322二聯、四采下部運煤巷設置五個測點，對火區的情況進行觀測，從觀測結果可看出，氣體指標的變化能夠反應出煤炭自燃的過程和程度，所采取的綜合防滅火技術措施起到了良好的效果，成功地撲滅了此次火災。

　　2.2烏達煤田火災的綜合治理

　　402綜采工作面位于五虎山礦中盤區，開采4#煤層，走向長1254m，傾斜長155m，頂部為1#、2#煤采空區，靠近切眼250m范圍為大井采空區，其余為小窯非正規采空區。自402采面切眼向北，2#煤層到4#煤層的層間距為8.7～23.5m，巖性為泥巖、粉砂巖、粗砂巖。

　　1999年5月發現鵝頭山2#、4#煤露頭部分著火，火區距402綜采工作面對應的地表距離900m，同時，在402采面中部上覆2#小井井口冒煙。2002年3月，采用高分辨率電阻率法和地面同位素測氡法，結合地面地質調查圈定火區及其影響范圍，斟察結果表明：火區發展速度快、范圍大，火區東部邊緣侵入402工作面頂部已超過了16000m²，火區影響區近40000m²。

　　上覆火區嚴重威脅著402工作面的安全生產，若得不到有效控制，下部的404工作面也將面臨火災的威脅。為了確保402工作面的安全回采，必須及時有效地撲滅402工作面上覆火區，建立防火隔離帶，控制火勢向礦區縱深發展。

　　根據火區和礦井實際生產情況，采用“邊治理、邊驗證、邊生產”的原則，制定了火區分段治理技術方案，治理方法如下：

　　(1)采用黃土覆蓋壓實的方法封堵地面漏風通道，采用均壓的方法，阻止火區內有毒有害氣體泄漏到礦井生產空間。

　　(2)根據圈定的火區范圍布置注膠鉆孔，按順序注膠，先注高溫孔，再注中溫孔和低溫孔，重點處理高溫區域內的鉆孔，其次是影響區域內的鉆孔。

　　(3)每天對注膠鉆孔鄰近的未注膠鉆孔測溫一次，其它鉆孔每隔十天測量一次，觀測滅火效果。

　　(4)建立灌漿注膠系統向火區壓注粉煤灰復合膠體35255m3，覆蓋面積10292m2，在工作面頂部及回風巷外側形成了長400m，寬60m的膠體隔離帶。

　　通過高溫區域和影響區域內的鉆孔溫度在注膠前后的變化結果可看出，火區溫度變化非常明顯，注膠后溫度已降至35℃：以下，基本恢復正常，說明在滅火范圍內的火區已基本熄滅。通過注膠形成的膠體隔離帶，有效地阻止了火區向采空區深部發展，并有效地抑制了火區侵入402綜采工作面上部，成功地控制和熄滅了大面積高溫火區，保證了該工作面的安全采出。

　　3結語

　　通過對礦井現有防滅火技術的分類比較，各防滅火技術都有自己的優缺點。應根據礦井實際情況，體現“以防為主，防治結合”的思想，選擇以膠體防滅火技術為主，其他防滅火技術為輔的手段，形成礦井綜合防滅火技術措施及其裝備，實施防滅火工程。