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第 51 卷第 7 期 2020 年 7 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.7 Jul. 2020 火灾事故是威胁我国矿井安全生产的主要灾害 之一， 按类型可划分为煤田火灾、 小窑火灾及自然发 矿用大骨料堆积隔离材料在典型小窑隐蔽 火源治理中的应用 李树静 1， 韦昌新1， 高 明 1， 于贵生2,3， 杜瀚林2,3 （1.山西朔州山阴中煤顺通辛安煤业有限公司， 山西 朔州 036900； 2.煤科集团沈阳研究院有限公司， 辽宁 抚顺 113122； 3.煤矿安全技术国家重点实验室， 辽宁 抚顺 113122） 摘要 为解决大同矿区典型小窑隐蔽火源治理难题， 采用实验分析与红外热成像技术相结合 的方法， 对隐蔽火源探测与治理技术进行研究， 即通过程序升温实验发现大骨料堆积隔离充填 材料与传统浆材防灭火材料相比， 前者在抑制煤体温度升高以及降低自然发火标志性气体浓度 方面效果更显著； 利用红外热成像技术以及钻探技术圈定隐蔽火源范围， 向疑似火源区域压注 大骨料堆积充填材料， 凭借材料凝结快、 易成型且强度高的特性， 迅速构筑起隔离条带， 逐步窒 息火区。结果表明 红外热成像技术可作为一种有效的隐蔽火源探测圈定方法， 同时大骨料堆积 隔离充填材料既有效地防止了小窑火入侵主采工作面， 又可切断火区供氧， 达到窒息火区目的。 关键词 隐蔽火源； 热成像； 程序升温； 大骨料充填； 火区治理 中图分类号 TD752.2文献标志码 B文章编号 1003-496X （2020 ） 07-0156-05 Application of Large Aggregate Accumulation Isolation Materials in Concealed Fire Source Treatment of Typical Small Kilns LI Shujing1, WEI Changxin1, GAO Ming1, YU Guisheng2,3, DU Hanlin2,3 （1.Shanxi Shuozhou Shanyin Zhongmei Shuntong Xin’ an Coal Industry Co., Ltd., Shuozhou 036900, China;2.China Coal Technology and Engineering Group Shenyang Research Institute, Fushun 113122, China;3.State Key Laboratory of Coal Mine Safety Technology, Fushun 113122, China） Abstract To solve the problem of controlling concealed fire source of typical small kilns in Datong Mining Area, the combination of experimental analysis and infrared thermal imaging technology is adopted to study the detection and control technology of concealed fire source, i.e. through the programmed heating experiment, it is found that compared with the traditional grouting fire -proof material, the large aggregate accumulation isolation materials is more effective in inhibiting the increase of coal temperature and reducing the concentration of spontaneous ignition signature gas, and the infrared thermal imaging and drilling techniques are used to delineate concealed fire sources. The large aggregate accumulation filling materials are injected into the area suspected to be the fire source, and the materials have the characteristics of fast coagulation, easy ation and high strength, so the isolation strip is quickly constructed to gradually suffocate the fire area. The results show that the infrared thermal imaging technology can be used as an effective for detecting and delineating concealed fire sources. At the same time, large aggregate accumulation and isolation filling materials can not only effectively prevent small kiln fire from invading the main mining face, but also cut off oxygen supply in the fire area to achieve the purpose of asphyxiating the fire area. Key words concealed fire source; thermal imaging; programmed heating; large aggregate filling; fire area governance DOI10.13347/ki.mkaq.2020.07.034 李树静， 韦昌新， 高明， 等.矿用大骨料堆积隔离材料在典型小窑隐蔽火源治理中的应用 ［J］ .煤矿安全， 2020， 51 （7 ） 156-160. LI Shujing, WEI Changxin, GAO Ming, et al. Application of Large Aggregate Accumulation Isolation Materi－ als in Concealed Fire Source Treatment of Typical Small Kilns ［J］ . Safety in Coal Mines, 2020, 51 （7） 156-160. 移动扫码阅读 基金项目辽宁省科学技术计划社发攻关及产业化指导计划资 助项目 （2019JH8/10300099） 156 ChaoXing 第 51 卷第 7 期 2020 年 7 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.7 Jul. 2020 火 3 种，其中小窑火通常因小窑地质及开采资料缺 失，且致灾因素较为复杂，隐蔽火源探测与综合治 理难度均较大 [1-2]。随着防灭火材料技术的不断发 展，尤其是新型防灭火材料推广与应用，矿井漏风 封堵得到了针对性处理，但对于小窑巷道的充填隔 离仍是目前困扰矿井火灾治理的难题之一[3-4]， 煤科 集团沈阳研究院有限公司研发的大骨料堆积隔离材 料是一种水溶性双组份新型防灭火材料，其由甲、 乙 2 种组分， 具有初凝时间可调、 终凝强度高、 发热 量低等优点，配合移动式自吸料注浆系统，可对井 下小窑巷道进行大流量、 快速充填隔离[5-6]。通过实 验室研究，进一步验证了大骨料堆积隔离材料在抑 制煤体温度升高以及降低自然发火标志性气体浓度 方面的优势，并在示范矿井火灾防治中得到了良好 应用[7-9]。针对大同矿区辛安煤矿小窑火入侵威胁矿 井安全生产的实际情况，利用红外热成像技术， 对 高温区域进行准确圈定，并对高温区域压注大骨料 堆积隔离材料，通过构筑火区隔离条带，保障了矿 井安全生产的顺利进行[10]。 1大骨料堆积材料阻燃性能分析 1.1大骨料堆积材料成分 甲、 乙材料分别配水 （料水比为 1∶5 ）形成单浆 液， 2 种单组分浆液充分搅拌后经吸料管混合， 经注 浆系统混合制浆后压注， 5～15 min 后初凝后形成大 骨料堆积隔离材料，其中甲材料是以铝土矿为主 料并配有一定量的复合超缓凝剂烧制形成，石膏材 料与速凝剂复合形成乙材料。实际应用中，将 2 种 单浆液以 1∶1 体积比混合后形成混合浆液，在搅拌 桶中， 浆液混合后搅拌 8 min， 将搅拌好的浆液经过 注浆管路注入火区治理隔离条带，当浆液到达火区 后 3 min 之内即可失去流动性。大骨料堆积隔离材 料的强度与添加剂的组分和配比有关。为满足井下 充填体的需求，可对配料和添加剂的计量做一定的 调整，大骨料堆积隔离材料经水化反应生成大量钙 矾石，钙矾石的分子式为 3CaO Al2O3 3CaSO4 32H2O， 钙矾石中含有的结晶水比重较高。其结构特 点为丝网状，这种丝网状结构形成了大骨料堆积隔 离材料的主体， 对其进行了进一步的实验验证。 1.2实验煤样的制备 实验中所选用的煤样来自山西省怀仁市辛安煤 矿 9煤层。 将煤样捻碎， 并用筛子将 0.20～0.425 mm 的煤样筛选出来，然后使用电子天平称取 50 g 煤 样， 将这些每样等分为 6 份， 分别装入充满 N2的密 封袋， 并将它们自 1～6 依次编号， 然后进行处理， 煤 样处理方法见表 1。 选用 1～3样品进行煤样升温速 率实验， 4～6煤样用于标志性气体实验。 实验装置由供气系统、 程序升温试验箱、 气体分 析系统 3 部分构成。在程序升温箱体中放置煤样 罐， 该煤样罐为铜质罐， 含有进出气口， 分别位于煤 样罐的下部和上部，罐内部含有的温度传感器， 可 以时刻监测煤样温度；对上部出气口排除的气体进 行采集， 利用气相色谱仪分析 CO、 CO2、 C2H4等标志 性气体。 1.3实验装置及实验过程 实验中需精确控制气体流量和煤样质量。实验 初期， 实验箱体温度设定为室温， 先向实验样品中通 入流量为 60 L/min 的纯 N2气流，进而将实验系统 中的其他气体排出， 通 N2气流 10 min 以后， 将通入 气体改为流量是 50 mL/min 预先调配好的干空气。 1～3煤样实验中，设定升温箱温度高于煤样温度 30 ℃， 煤样温度由 30 ℃上升至 180 ℃。煤样温度每 上升 10 ℃记录 1 次时间。 为了更好的测定自然发火 标志性气体， 对于 4～6实验样品， 在实验中将升温 箱升温速率控制为 1 ℃/min，上限温度设定为 300 ℃。 煤样温度每上升 10 ℃， 采集 1 次气体， 将收集的 气体利用气相摄谱仪化验， 检测 CO、 CO2、 C2H4气体 浓度， 并且对应好相应温度。 1.4实验结果 依据氧化升温实验， 得出氧化升温过程中， 煤样 升温速率以及自然发火标志性气体浓度与温度变化 的对应关系，将大骨料堆积隔离材料与黄泥胶体材 料对煤体阻化作用进行对比。原煤煤样及经过 2 种 阻燃剂分别处理过的煤样在程序升温实验中温度随 时间变化的曲线如图 1。 将水分别与大骨料堆积隔离材料和黄泥按照 5∶ 1 配比后， 再分别对煤样进行处理， 经过 2 种方式处 理后的煤样与原煤煤样氧化温度为 0～90 ℃时， 根 据程序升温实验结果可知， 三者升温速率差别不大。 表 1煤样处理方法 Table 1Coal sample treatment 煤样编号混合物质浸泡时间/h处理方法 4 5 6 无 100 g 水与大骨料堆积 隔离材料 5∶1 混合 100 g 水与黄土 5∶1 混合 胶体 无 15 15 置于孔径为 0.5 mm 钢网上静晾 6 h， 无水珠滴落 后至于实验装 置中。 157 ChaoXing 第 51 卷第 7 期 2020 年 7 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.7 Jul. 2020 在氧化温度升高到 90～100 ℃之间， 原煤煤样升温速 率基本无变化，但被大骨料堆积隔离材料与黄泥材 料处理过后的煤样升温速率明显减慢，氧化过程所 经历的时间也较长。 同时， 水灰比均为 5∶1 的大骨料 堆积隔离材料相比于黄泥材料对煤样氧化具有更好 的抑制作用，前者对煤样的抑制作用持续时间占整 个煤样氧化时间的 47左右， 进而减缓煤的自燃氧 化进程。对以上情况进行分析，上述成因主要是配 比后的大骨料堆积隔离材料与黄泥材料中存在一定 量的水分， 在 90～100 ℃之间时， 水分开始蒸发， 并带 走热量，进而延缓煤自燃氧化进程，因配比后的大 骨料堆积隔离材料保水能力强于黄泥材料，且前者 含水量更高，这使得水分需要更长的时间蒸发殆 尽；此外，保水性能更优的大骨料堆积材料中水分 不易蒸发，煤样温度也相对更为稳定，煤样升温速 率大幅减缓。 1.5标志性气体变化规律 煤炭自然氧化分为 3 个过程，分别为缓慢氧化 阶段、加速氧化阶段以及剧烈氧化阶段。在小窑遗 煤自燃氧化的进程中会生成 CO、 CO2、 C2H4、 C2H6、 C3H8等多种气体。选用煤氧化潜伏期以及自热期氧 化产生的气体作为标志性气体进行研究。在这 2 个 阶段所产生的气体分别是 CO、 CO2、 C2H4。分析大骨 料堆积隔离材料对煤炭氧化的阻化能力，并与相同 水灰比的黄泥混合胶体材料进行对比分析。将实验 过程中采集的数据绘制成曲线图， CO、 CO2、 C2H4浓 度随温度变化曲线图如图 2。 由图 2 可知，当温度达到 70 ℃时开始生成 CO 气体， 而 C2H4气体生成时煤样温度在 100～120 ℃之 间，以此反映出煤自燃氧化所经历的初始阶段以及 自燃氧化阶段，经过大骨料堆积隔离材料以及黄泥 胶体材料预先处理过的煤样在相同温度区间生成更 少的 CO、 CO2、 C2H4气体。 经大骨料堆积隔离材料预先处理过的煤样在程 序升温过程中生成的 3 种自然发火标志气体浓度明 显少于黄泥胶体材料处理过的煤样所生成的标志性 气体浓度， 前者能更好地减弱煤氧化程度， 延长煤自 然发火潜伏期， 因此， 大骨料堆积隔离材料具有更好 的阻燃性。 2现场应用 2.1矿井概况 辛安煤矿位于大同矿区矿井东南部，主采 4、 9、 11等煤层，设计生产能力 3.00 Mt/a，井田面积 8.198 5 km2， 该矿井主采煤层生产期间， 尤其是煤层 露头侧区域，面临着小窑破坏区及隐蔽小窑火的严 图 1煤样温度随时间变化的曲线 Fig.1Curves of coal sample temperature with time 图 2CO、 CO2、 C2H4浓度随温度变化曲线图 Fig.2Curves of CO, CO2, C2H4concentration changing with temperature 158 ChaoXing 第 51 卷第 7 期 2020 年 7 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.7 Jul. 2020 重威胁，对辛安煤矿主采煤层工作面回采期间典型 小窑隐蔽火源探测与大骨料堆积隔离材料的应用效 果进行研究。 2.2红外热成像测定高温区域 在 S21907 工作面， 利用红外热成像仪在工作面 进风巷外旁进行定点扫描，非高温火区域检测出的 温度普遍为 22 ℃左右。 在选取的测点中，共检测出 3 处高温点且这 3 处高温点位置距离相距较近，分别位于 1、 8、 9钻 场， 3 个钻场分别距离工作面 325、 300、 275 m。典型 高温测点红外热成像显示图如图 3。 根据探测结果， 可以初步判定火区的位置， 火区 走向位置在 S21907 进风巷道距离工作面 300 m 位 置以外，为后期探测钻孔施工及构筑隔离条带奠定 基础。 2.3隐蔽火源治理方案 判定隐蔽高温区域位于主采工作面 S21907 辅 运巷道 1、 8、 9钻场外侧，该区域距离工作面开切 眼 275～325 m 之间。在该区域设计钻孔， 每个钻场 设计 5 个扇形钻孔并严密封孔， 平均孔深 55～65 m， 方位角间隔 5～8， 并在井下 S21907 辅运巷道 8钻 场设置注浆设备注浆，对高温区域温度及 CO 浓度 进行定期监测， 并取当日最高值记为观测值。 2.4灭火效果 制订大骨料堆积隔离材料综合防灭火技术方案 后， 4 月 22 日开始，向注料钻孔注入大骨料堆积隔 离材料， 以有效隔离隐蔽火源 （选取 5 月 1 日以后的 观测数据为准） ， 至 6 月 25 日， 注浆实际工期 60 d， 大骨料堆积隔离材料实际注浆量 912 t， 形成隔离条 带 4 104 m3。工作面 300 m 处观测孔温度随时间变 化曲线如图 4，工作面 300 m 处观测孔 CO 浓度随 时间变化曲线如图 5。 由图 4 可知，在 5 月 1 日以后， S21907 运输巷 道距工作面 300 m 处观测点温度开始缓慢下降， 初 期温度呈震荡降低的态势，注入大骨料堆积隔离材 料中富含水分， 遇到较高温度的遗煤， 蒸发吸热， 导 致出现温度下降的现象，蒸发后的水分又会向空气 中释放热量。当注入大骨料堆积隔离材料足够多 时，该材料可以慢慢凝固成为隔离材料，在距离 S21907 进风巷道 50～60 m 位置形成具有一定高度 的隔离条带，对隐蔽火源起到隔离作用，因此在注 料 20 d 以后其温度缓步下降。 现场应用表明大骨料 堆积隔离材料在降温方面作用较明显。 由图 5 可知，在 5 月 1 日以后， S21907 进风巷 道距工作面 300 m 处观测点 CO 浓度先期不仅没有 降低反而还有上升的趋势， 分析其原因， 主要是因为 注入的大骨料堆积隔离材料堆积在遗煤表面，对高 温遗煤与氧气接触起到阻碍作用，导致在遗煤氧化 过程中，完全氧化转变为不完全氧化。但随着注入 大骨料堆积隔离材料在隐蔽火区的不断积聚，到 5 月 15 日， CO 浓度开始缓慢降低。 图 5工作面 300 m 处观测孔 CO 浓度曲线图 Fig.5CO concentration curve of observation hole at 300 m of working face 图 4工作面 300 m 处观测孔温度曲线图 Fig.4Temperature curve of observation hole at 300 m of working face 图 3典型高温测点红外热成像显示图 Fig.3Infrared thermal imaging display of typical high temperature measuring points 159 ChaoXing 第 51 卷第 7 期 2020 年 7 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.7 Jul. 2020 （上接第 155 页） 制，在短期内未发现反弹迹象，但在实际压注运用 过程中其流动性没有水好，对黄泥的粒度要求较 高， 全面推广仍有局限性。 3） 松散体内煤体表面微小接触复合浆液后在毛 细动力作用下能迅速形成含水的液膜并铺展开来， 起到隔氧气、 润湿、 降温作用。 4） 能否以泡沫为载体同时利用毛细动力现象将 下部液体传递至孔隙深处尚不清楚， 仍有待研究。 参考文献 ［1］ 夏亮亮， 周明， 张灵， 等.两性/阴离子表面活性剂清洁 压裂液性能评价 ［J］ .油田化学， 2015， 32 （3） 341. ［2］ 金龙哲， 杨继星， 欧盛南.润湿型化学抑尘剂的试验研 究 ［J］ .安全与环境学报， 2007， 7 （6） 109-112. ［3］ 武海良， 李雅， 张斌， 等.丙烯酸类混合浆液粘度影响 因素分析 ［J］ .上海纺织科技， 2001， 22 （4） 26-27. ［4］ 张端琴.泡沫液性能及岩屑对泡沫钻井液稳定性影响 的研究 ［D］ .长春 吉林大学， 2008. ［5］ 李战华， 崔海航.微尺度流动特性 ［J］ .机械强度， 2001， 23 （4） 476-480. ［6］ 李圭白， 崔福义.高浊度水絮凝剂聚丙烯酰胺的最佳 水解度 ［J］ .中国给水排水， 1987， 12 （4） 17-19. ［7］ 杨静.煤尘的润湿机理研究 ［D］ .青岛 山东科技大学， 2008. ［8］ 闫智婕， 陈学习， 许鸿雁.煤样试片制备方法对煤水接 触角测定影响分析 ［J］ .华北科技学院学报， 2011， 1 （2） 66-69. ［9］ 尹东霞， 马沛生， 夏淑倩.液体表面张力测定方法的研 究进展 ［J］ .科技通报， 2007， 27 （3） 424-429. ［10］ 张晨辉.表面活性剂对液滴在靶标表面润湿粘附行 为的影响机制及调控 ［D］ .北京 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