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矿井通风与防灭火周福宝教授中国矿业大学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三相泡沫防灭火新技术与应用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●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、概述二、三相泡沫组成及特性氮气粉煤灰（黄泥）水三相泡沫（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、固相物质山东枣庄黄泥粒径分布05101520253035400.10.1～0.160.16～0.30.3～0.660.66～11粒径（mm）比例（%）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1、固相物质（2）粉煤灰与黄泥的组分3102030405060700100200300400500600700800900100011001200JJJJBBBBBCCCEIIIDDDDBBBHAAAAAAAAAAAAFGGEDCBA:石英(SiO2)13%B:莫来石(Al6Si2O13)6%C:氧化钙(CaO)7%D:硬石膏(CaSO4)5%E:方解石(CaCO3)2%F:磁铁矿(Fe3O4)2%G:赤铁矿(Fe2O3)3%H:长石((Na,Ca)AlSi3O8)2%I:粘土(Alx(OH)mSiyOz.nH2O)4%J:非晶态物质余量衍射角度(单位:度)衍射强度(单位:每秒脉冲数)3510152025303540455055606570050100150200250300350400450500550600650700LLLEJJGGHHHAAAAAAAABBBBBAAAJHFEAA:石英(SiO2)(多)B:氧化钙(CaO)(多)C:硬石膏(CaSO4)D:高温石英(SiO2)(少)E:莫来石(Al6Si2O13)F:长石((Na,Ca)AlSi3O8)G:赤铁矿(Fe2O3)H:磁铁矿(Fe3O4)I:方解石(CaCO3)(少)J:氧化钛(TiO2)(少)K:其它(晶体物质)(少)L:其它(非晶物质)KGGGGGGGDCIICCFKK衍射角度(单位:度)衍射强度(单位:每秒脉冲数)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（%）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）二氧化碳氮气空气4030201012345（1）气体的溶解特性（2）气体的吸附特性三、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。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05010015020025030035040045000.050.10.150.20.250.30.35A+C（1：1）发泡剂浓度（%）泡沫体积（ml）泡沫体积曲线（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05101520253035010203040发泡倍数稳定时间(h)（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050100150200250300350400450500020253350浆液浓度（%）泡沫体积（ml）05101520253035稳定时间（小时）泡沫体积曲线泡沫稳定时间曲线（3）浆液浓度与稳定性的关系2、三相泡沫发泡剂的研制020406080100120140160051015202530稳定时间（h）泡沫体积（ml）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风机，2-发泡段，3-喷嘴，4-压力泵，5-发泡网，6-泡沫出口三、三相泡沫的制备（1）三相泡沫发泡器3、三相泡沫发泡器研制（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)三相泡沫实验系统实验室三相泡沫发泡试验（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）矿井地面制浆系统发泡剂定量添加装置（地面）发泡剂定量添加系统（井下）井下使用的三相泡沫发泡装置及注浆钻孔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1、泡沫的堆积性三相泡沫两相泡沫2、泡沫的流动性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火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（1）三相泡沫与水灭火对比试验4、三相泡沫的灭火性能（2）三相泡沫的灭火试验3、三相泡沫的灭火性能01002003004005006000:004:489:3614:2419:12时间/min:sec温度/℃1（2）三相泡沫灭火性能试验结果3、三相泡沫的灭火性能五、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1、宁夏白芨沟矿特大火区的治理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火区进风井回风井采区回风巷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地面注浆钻孔回风顺槽1660中巷运输顺槽运输二川6#10#回风四川1#2#三号联络上山运输三川7#13#目前停采线1号工艺巷4#顶板瓦斯巷2号工艺巷回风五川3#5#12#回撤通路运三川图22421-1综放面火区钻孔分布施工难度：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。T685WS车载顶驱钻机地面钻孔白芨沟矿地面注三相泡沫钻孔三相泡沫注浆工艺流程白芨沟矿地面注三相泡沫场景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。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C2