井下防火灭火技术研究

（晋能控股煤业集团燕子山矿，山西 大同  037000）

摘  要：本文主要针对阻化防火技术、粉煤灰灭火技术以及充填构筑密闭墙技术的应用原理与应用效果进行分别研究。主要目的是，在具体的开采作业中，能够结合开采区域的实际特点对火灾发生风险进行预判，选取合理的防灭火技术降低火灾问题发生率。

关键词：防火灭火技术；阻化防火；粉煤灰；密闭墙

能源企业开采过程中，各类安全事故的频繁爆发为开采行业的健康发展带来了极大的威胁，同时还会产生严重的人员伤亡问题，为相关开采单位带来巨大的经济损失。其中，事故影响较大的安全事故以瓦斯突出事故和井下火灾事故为主。尤其是在能源企业开采频率逐渐增大的形势下，面临的井下作业安全问题也越来越突出。井下火灾由于具备突发性和不可控性的特征，为火灾防治工作带来了较大的难度。虽然通过有效的预防能够降低火灾发生率，但难以从根源上消除火灾事故的影响，这与井下作业空间环境的复杂性直接相关。目前来看，井下火灾事故根据其发生地点的不同，可以将其划分为工作面火灾、采空区火灾和巷道火灾几种，所带来的安全风险也存在直观的差异。为能实现对井下火灾的有效防治，急需研究井下防火灭火技术措施。

1 阻化防火技术

1.1 技术原理

煤体自燃的主要机制是因地热过高致使煤岩体的温度升高，此时煤岩体的表面活性基团增加，会提升煤和氧的低温反应几率，从而发生煤体自燃现象。阻化防火技术的应用原理则是借助阻化剂达成抑制岩体表面活性基团数量的目的，并且产生相对稳定的过渡物质，控制煤与氧的低温反应现象，可以在一定程度上起到防火作用。此外，在破碎煤岩体的地带，由于煤岩体的表面积相对较大，同时也增大了与氧接触的面积，当温度偏高的情况下便可能引发煤体自燃现象。基于此类问题，也可借助阻化剂形成阻化隔绝膜，通过隔绝氧的接触来达成防火目标。在该防火技术中还应用了载体惰泡，主要是利用其空间堆移性能，将阻化剂携带到不同的区域，这可使阻化剂发挥最大的作用。具体作用表现在包裹煤体降低煤氧接触面方面和携带氮，稀释氧气浓度的方面。

1.2 技术应用流程

阻化惰泡系统结构见图1所示，其主要由泡沫发生装置、注水管、注氮管以及专用泵共同组成。在实际应用的过程中，需要先在回风隅角方向采空区的30m处预埋一条注氮管道和一条监测束管，注氮管道的作用显而易见，而设置监测束管的主要目的是针对泡沫发生装置的泡沫输送状况以及采空区内部一氧化碳的变化情况进行实时检测，以及时了解该装置的实际应用成效。

图1 阻化惰泡系统结构图

因该装置的输送距离十分有限，有效输送距离仅为50m，且注氮管被埋设于采空区的30m处，因此要求将其布设在距离回风隅角20m的位置上，具体布设方法见图2所示：

图2 阻化惰泡装置的井下布设图

该装置在深部开采作业中的应用实例显示，当回采面停采之后，在采空区内形成了稳定的漏风现象，且发生明显的热能聚集现象，这导致破碎煤体与氧的反应加剧，为煤体自燃创造了良好的环境。而将阻化惰泡装置布设在特定的区域后，通过向采空区注入泡沫，其中的阻化剂可有效控制煤体活性，且氮的注入也可稀释一分部氧气，尤其是在进入稳泡阶段后，其泡沫的隔绝作用较为突出，能够有效隔绝煤氧的接触反应，水分的注入又可起到吸热降温作用，对煤的氧化反应形成了良好的控制作用。而当停止注入氮，且随着水分蒸发，阻化剂对煤体活性的抑制作用消失后，则煤体与氧的反应现象也会逐渐恢复，空间内的一氧化碳浓度也随之上升，这也充分证实了该装置的防火作用明显，在今后的防火灭火作业中可以根据采空区的实际火灾隐患对该装置进行合理布置，从根源上抑制井下火灾的发生率。

2 粉煤灰灭火技术

2.1 技术原理

粉煤灰属于煤燃烧之后生成的一种固体污染物，具体表现形式为灰白相间的粉状物质，因其具备较好的吸水性，且化学性质与黄土十分相似，在近些年已经被逐步应用于井下灭火作业中。一直以来，井下防灭火所采取的主要手段均是利用填充材料形成隔离带通过对燃烧条件的破坏来达成防火灭火目标。通常情况下，会根据不同作业环境中煤体的自燃条件来选用不同的填充材料。前期所运用的主要填充材料包括惰性气体、阻化剂、灌浆以及泡沫等。其中，灌浆技术中填充材料的首选为黄泥。但目前来看，黄泥的大量开采极易对生态环境构成威胁。因此，需要借助粉煤灰这种与黄泥化学性质相近的材料代替黄泥，达成防火灭火目标。

粉煤灰的化学成分主要包括氧化钙与氧化硅，其均属于不可燃物质，且从物理性质的层面来看，因其具备较好的脱水性与稳定性，灌浆效果较好，且浆体传输效率较高。在其与水混合后，表现出了较高的流动性，这为管道运输和灌浆操作提供了良好的便利，且在注浆之后能够达成良好的密封性，起到较好的隔绝作用，将其应用于井下防灭火作业中可以发挥较好的防火灭火效果。

2.2 应用效果分析

将粉煤灰作为主要灌浆材料的情况下，由于其颗粒体积偏小，且表面积较大，孔隙度偏大，能够表现出较好的吸水性能和透气性能。因此，在灌浆作业之后，能够发挥较好的密封效果，起到有效隔绝空气的作用。尤其是在发生井下火灾时，通过灌浆作业能够快速降低燃烧物与空气的接触面积，起到控制火情和治理火灾的作用。除此之外，粉煤灰的获取渠道较多，且成本偏低，粉煤灰的大量使用并不会对自然环境构成威胁，反而会提高固体废弃物的利用率。因此，在今后的方灭火作业中，可以优先选用粉煤灰灭火技术。

3  充填构筑密闭墙技术

3.1 技术原理

该项技术的主要应用原理为，通过在工作面或者巷道内构筑一面密闭墙对于火、水和瓦斯等进行有效隔绝，达成安全开采目标。根据密闭墙的应用需求，要求密闭墙具备较强的气密性和抗压性。同时，还需保障墙体稳定性。为了提高密闭墙的气密性，通常会采取双墙构筑结构，并在双墙之间进行材料填充。一般情况下，密闭墙的宽度在0.5-3m之间。此外，考虑到密闭性的要求，在构筑密闭墙之前，通常需要在工作面或者巷道的边壁上凿出边槽，之后再分别砌筑外墙和内墙，边槽的深度大约控制在50cm即可。边墙构筑完成之后，还需在边墙与巷道或者工作面的接缝位置注入水泥砂浆，目的是提高巷道边墙结构与密闭层结构连接位置的密封性。通过密闭墙的有效隔绝，可以在一定程度上降低火灾发生率。

3.2 技术应用流程

工艺流程为，在巷道边壁开凿深度为50cm的边槽，之后砌筑密闭墙墙体，内外墙体砌筑完成后，利用搅拌机对填充材料进行充分搅拌，并借助充填泵将充填料浆泵入内外墙与墙体之间。研究可知，对密闭墙防火效果产生直接影响的因素包括充填料浆的合理选择，这主要是由于充填材料的性能会对密闭墙的抗压性能和密闭性能产生直接影响。为此，在选择充填料浆时，需要根据区域防火效果对料浆配比和填充材料的选择进行合理验证。

目前来看，常用的充填材料包括胶凝材料、惰性材料和改性材料。在密闭墙工艺中，通常会优先选取改性材料。具体应用中，可根据密闭墙的气闭性要求和抗压性要求等，通过在充填材料中添加外加剂的方式来改善其性能，使其硬度、强度和气密度等参数均能满足密闭墙的填充需求，常用的外加剂主要包括早强剂、速凝剂、减水剂和固化剂等，分别能够起到增强填充材料强度，加快材料凝结速度，控制材料脱水率和提高材料固化效果的作用。除此之外，充填材料的配比也是影响材料质量标准的关键性因素。一般情况下，对于填充料浆性能的确定需要结合具体充填地点的温湿度以及周边环境因素，在综合考虑后再确保充填材料的物理力学性能。密闭墙的填充的物理力学性能主要包括强度性能、脱水率以及流动性等。充填料浆的组分参数以及性能见表1所示：

表1 充填料浆的组分参数以及性能

经实验验证，上述充填材料的配比方式可有效提升密闭墙的密闭效果，充分发挥密闭墙的隔绝作用，也可在较短的时间内完成初凝，短时间内达成填充强度要求，且充填材料所具备的膨胀性能能够进一步加强墙体与巷道的连接紧密度，起到较好的隔绝火灾作用，有助于从根源上降低煤体与氧的接触率，通过隔绝氧的方式控制井下火灾。

结语：上文所研究的三种防火灭火技术是目前在井下防灭火工作中较为常用的技术类型，且各类防灭火技术均在井下作业安全中发挥了突出的作用。尤其是其中的粉煤灰灭火技术不仅可以代替黄泥，还可以实现对固体污染物的高效利用，因其物理性质和化学性质较为稳定，为灌浆泵送提供了较大的便利。应用弊端在于粉煤灰的存放具有严格的要求，一旦存放区域的空气湿度过大便可能导致或煤灰结块问题，对其应用效果带来不利影响。因此，在选用该项技术时，需加强对粉煤灰材料的科学管理工作。除此之外，充填构筑密闭墙技术作业成本较高，但其发挥的防火灭火效果较为突出。具体的井下作业中，可以根据实际防灭火需求，科学选择有效的防灭火技术，提高井下作业安全性。

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