粉煤灰在煤礦防滅火的應(yīng)用研究現(xiàn)狀及展望

趙 培，魯 義，盛真可

(1．煤礦瓦斯與火災(zāi)防治教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 徐州 221116;2．中國(guó)礦業(yè)大學(xué)安全工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116)

粉煤灰是煤粉經(jīng)過(guò)燃燒后，從鍋爐煙氣中排放出的細(xì)灰狀殘留物，80%左右為飛灰(Fly Ash)，20%左右為底灰(Bottom Ash)，是一種人工火山灰質(zhì)［1］。近年來(lái)，隨著國(guó)家和企業(yè)對(duì)礦井防滅火工作力度的加強(qiáng)，通過(guò)各科研院所和現(xiàn)場(chǎng)單位的配合，研究出了一系列粉煤灰為基料的防滅火材料。2005年以來(lái)，成功研制出一種全新的立體多方位堵漏滅火技術(shù)—粉煤灰三相泡沫。本文介紹了各階段有代表性的以粉煤灰為基料的防滅火材料，以及這些材料在現(xiàn)場(chǎng)具體實(shí)際應(yīng)用中存在的一些問(wèn)題，并對(duì)相應(yīng)的應(yīng)用研究，特別是粉煤灰固化泡沫的調(diào)配研制提出展望。

1 粉煤灰的物理化學(xué)性質(zhì)

粉煤灰是灰色或灰白色的具有潛在活性的火山灰質(zhì)粉末材料，其物理和化學(xué)性質(zhì)隨燃煤的品種、煤粉的細(xì)度、燃燒的方式和溫度、其收集和排放方式等的不同，而有所差異。粉煤灰是多種顆粒機(jī)械混合的粒群，顆粒粒徑在0．5～300μm之間，具有非常大的比表面積，一般為1 600～3 500 cm3/g。粉煤灰顆粒的主要化學(xué)成分為Si02，Al2O3和Fe2O3，這3種成分的含量大約占70%以上，其中還含有CaO，MgO等其他氧化物和微量元素，如磷、硼、銅、鉬、鋅、錳等，也有可溶性鹽類，常見(jiàn)的為鉀、鎂、鈉和鈣的硫酸鹽。它本身略有或沒(méi)有水硬膠凝性能，但當(dāng)以粉狀及有水存在時(shí)，能在常溫，特別是在水熱處理(蒸汽養(yǎng)護(hù))的條件下，與氫氧化鈣或其他堿金屬氫氧化物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成具有水硬膠凝性能的化合物，成為一種增加強(qiáng)度和耐久性的材料。

另外粉煤灰不燃燒，比重為0．7，浸水后體積縮比為0．586。停止流動(dòng)的灰漿立即脫水沉淀，沉淀后的堆積體具有抗壓能力，粉煤灰的顆粒能充填微小裂隙和空洞，具有隔風(fēng)和堵水作用，粉煤灰的堆積體(失水后)松散易清除，無(wú)腐蝕性。

2 以粉煤灰為基料的礦用防滅火材料的應(yīng)用

2．1 一般粉煤灰漿液

由于粉煤灰化學(xué)性質(zhì)和物理性質(zhì)都符合注漿防滅火要求，其原理是：將粉煤灰加水合成漿液，通過(guò)注漿泵注入火區(qū)，充填火區(qū)裂隙或空間，減少或杜絕新鮮空氣的供給;包裹煤體，防止煤體顆粒氧化生熱，帶走熱量，使可燃物(煤體)的自燃溫度或火源溫度降至帶溫狀態(tài)，起到防滅火作用［2］。粉煤灰，即高爐煙囪灰，已失自燃傾向性，且價(jià)廉物美，貨源充足，為理想的注漿充填材料。根據(jù)注壓空間計(jì)算所需粉煤灰體積，按比例配備水泥，另準(zhǔn)備適量水玻璃。粉煤灰與水泥比例，可視火區(qū)范圍大小、災(zāi)情程度及煤質(zhì)要求而確定，一般質(zhì)量比5∶1～8∶1，最高可達(dá)10∶1。水玻璃只在遇裂隙，如大巷裂隙或密閉漏漿以及最后封孔時(shí)加注，灰漿與水玻璃體積比一般為5∶1～8∶1。漿液濃度，火區(qū)、高溫點(diǎn)對(duì)漿液濃度要求不嚴(yán)。為充分利用水直接滅火，漿液濃度可定為25%左右。在封堵裂隙及封孔過(guò)程，漿液濃度可適當(dāng)加大，一般情況下，漿液濃度為20% ～35%，最濃不超過(guò)50%。其配比流程見(jiàn)圖1。

圖1 粉煤灰漿液調(diào)配圖

其具有以下優(yōu)點(diǎn)：1)滅火速度快。粉煤灰屬惰性材料，不含助燃物質(zhì)和可燃物質(zhì)，不易發(fā)生復(fù)燃現(xiàn)象。2)密封性能好。粉煤灰可塑性較黃土小，適合充填采空區(qū)、煤柱裂隙或空間，增加其密閉性，從而減少漏風(fēng)。3)脫水快。4)粉煤灰能夠成漿，流動(dòng)性好，有利于管道的水力輸送［3］。

2．2 粉煤灰復(fù)合凝膠材料

粉煤灰復(fù)合膠體材料是以粉煤灰為主體，配合其它具有膠凝增強(qiáng)和提高早期強(qiáng)度的外摻料，以及能改善漿液性能使之滿足注漿施工作業(yè)要求的外加劑，經(jīng)特殊加工而成的一種新型注漿材料［4］。該材料與普通粉煤灰漿液相比有流動(dòng)性好、凝結(jié)時(shí)間適當(dāng)、抗壓強(qiáng)度較高、結(jié)石率高的特點(diǎn)，粉煤灰是具有潛在活性的粉狀物質(zhì)，單獨(dú)配水不具活性，含水量低，脫水速度快。在粉煤灰水液中加入各種促凝劑后，能使粉煤灰在極短的時(shí)間內(nèi)水化、泥漿化，保水性能大大提高，黏性增大，流動(dòng)性和滲透性提高。初期具有良好流動(dòng)性，后期則克服了原有凝膠類抗壓不抗拉的特性，固化煤體，增強(qiáng)了封堵能力，能堵住較大裂隙和孔洞。充填作業(yè)時(shí)，材料經(jīng)過(guò)制漿被注入煤體，漿液滲透到破碎煤體裂隙中，膠結(jié)凝固，包裹碎煤，堵塞漏風(fēng)通道，起到了很好的整體充填封閉作用。同時(shí)，由于漿液中含有豐富的游離水可充分濕潤(rùn)煤體，水分蒸發(fā)時(shí)，可吸收煤體氧化產(chǎn)生的熱量，起到降溫的效果。另外，復(fù)合膠體材料在干燥失水后，再遇水還具有較強(qiáng)的吸水性，且緊固好，不會(huì)被灌漿水沖散，克服了化學(xué)凝膠、黃泥漿等遇水易流失的問(wèn)題，可達(dá)到長(zhǎng)期防滅火的目的，其配比流程見(jiàn)圖2。

2．3 一般粉煤灰三相泡沫材料

圖2 粉煤灰復(fù)合凝膠材料調(diào)配圖

近年來(lái)，中國(guó)礦業(yè)大學(xué)以王德明教授［5］為首的火災(zāi)課題組進(jìn)行了粉煤灰或黃泥、氮?dú)夂退纬傻娜嗯菽牧蟻?lái)防治煤炭的自燃，取得了良好的應(yīng)用效果，在全國(guó)60多個(gè)礦井得到了推廣應(yīng)用。粉煤灰三相泡沫是指將粉煤灰與水按照一定的比例混合配成漿液，通入惰性氣體(N2)并添加極少量的添加劑，通過(guò)三相泡沫發(fā)泡器發(fā)泡，形成了固體粉煤灰顆粒均勻，附著在氣泡壁上的大量富集的含有氣—液—固三相的體系。粉煤灰三相泡沫集固、液、氣三相材料的防滅火性能于一體，利用粉煤灰覆蓋性、氮?dú)獾闹舷⑿院退奈鼰峤禍匦赃M(jìn)行防滅火，大大提高了防滅火效率，其配比流程見(jiàn)圖3。

圖3 一般粉煤灰三相泡沫材料產(chǎn)生流程圖

2．4 粉煤灰固化泡沫材料

針對(duì)目前三相泡沫還不能固化，在現(xiàn)有三相泡沫技術(shù)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步研制具有較高發(fā)泡倍數(shù)、能固化且應(yīng)具有一定強(qiáng)度的三相泡沫材料。在初期對(duì)采空區(qū)遺煤全方位立體覆蓋起到很好的堵漏防滅火功能，后期因其泡沫的穩(wěn)定性和抗壓力特征可以對(duì)采空區(qū)的充填支護(hù)起到一定的作用。粉煤灰固化由粉煤灰、水、黏結(jié)劑、懸浮劑、膠凝劑、固化劑等來(lái)實(shí)現(xiàn)。懸浮劑用量0．15%，黏結(jié)劑用量10%，膠凝劑5%［6］。在灌漿站通過(guò)地面粉煤灰膠體制備機(jī)將粉煤灰、水和水泥按比例混合好，并加入灌漿管網(wǎng)內(nèi)，在井下充填地點(diǎn)附近通過(guò)加劑添加系統(tǒng)將水玻璃加入灌漿管網(wǎng)內(nèi)，使之固化。它能在采空區(qū)大幅度增加，向高處堆積，且凝固時(shí)間可調(diào)，最后形成了具有抗壓能力的輕質(zhì)固態(tài)材料。其特點(diǎn)是不脫水、不污染環(huán)境、堵漏效果好，具有一定的支護(hù)強(qiáng)度，且成本低廉，其性能卻高于凝膠及其它防火材料。其形成的流程圖和一般三相泡沫類似，只是其配比中加固化劑，與其他復(fù)合添加劑的配方不同。其泡沫微觀的形成見(jiàn)圖4。

圖4 粉煤灰固化泡沫材料形成微觀示意圖

3 結(jié)論與展望

粉煤灰作為熱電廠的廢氣物，利用粉煤灰自身的物理特性，以其為基料研究出了一系列防滅火材料，可將它用于礦井火災(zāi)及煤自燃的防治，同時(shí)，避免堆積的粉煤灰污染環(huán)境，變廢為寶。近年來(lái)，粉煤灰注漿，復(fù)合凝膠，三相泡沫，固化泡沫等材料已經(jīng)在現(xiàn)場(chǎng)普及，各種配套注漿、發(fā)泡工藝系統(tǒng)在煤礦現(xiàn)場(chǎng)均已建成。有效解決了井下采空區(qū)充填，防治井下火災(zāi)的問(wèn)題。但是針對(duì)不同的礦井條件，應(yīng)該結(jié)合實(shí)際采用適合、經(jīng)濟(jì)的防滅火材料和技術(shù)，在某些復(fù)雜條件下，應(yīng)該綜合利用各種材料和技術(shù)進(jìn)行井下的防滅火工作。

現(xiàn)有的防滅火材料也存在一些缺陷，比如普通粉煤灰漿液不易向高處堆積，容易跑漿;粉煤灰復(fù)合膠體材料流動(dòng)量小，時(shí)間長(zhǎng)了會(huì)龜裂，產(chǎn)生有毒氣體;一般粉煤灰三相泡沫容易破滅，水分揮發(fā)后防火性能減弱;粉煤灰固化泡沫雖然克服了脫水，污染環(huán)境，堵漏效果好，且具有一定的支護(hù)強(qiáng)度，但是其實(shí)際的發(fā)泡倍數(shù)，固化效果，固化后泡沫的耐壓強(qiáng)度等都有待于提高［7－9］。

粉煤固化泡沫將是未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)的研究重點(diǎn)，作者認(rèn)為要結(jié)合粉煤灰主要的成分組成，選擇合適的發(fā)泡劑，要能使親水性的顆粒附著在泡沫上。選擇合適的穩(wěn)泡劑，增稠劑，固化劑，經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)室的調(diào)配組合，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)篩選，有必要的情況下要結(jié)合化學(xué)材料理論自制合成一些表面活性劑。最主要的問(wèn)題就是發(fā)泡倍數(shù)和泡沫固化強(qiáng)度的問(wèn)題，要找出一種合適的固化劑，比如像水泥系列粉煤灰無(wú)機(jī)固化劑，石灰系列粉煤灰無(wú)機(jī)固化劑，石膏系列粉煤灰無(wú)機(jī)固化劑，菱苦土系列粉煤灰無(wú)機(jī)固化劑等等。至于發(fā)泡倍數(shù)問(wèn)題主要是使用各種方法對(duì)粉煤灰的活性進(jìn)行激發(fā)。

［1］ 潘 鐘，羅津晶，薛姍姍，等．粉煤灰利用的回顧與展望［J］．環(huán)境衛(wèi)生工程，2008，16(1)：19－22．

［2］ 王衛(wèi)遠(yuǎn)，焦榮坤，郭仲渠．粉煤灰注漿技術(shù)的應(yīng)用［J］．煤炭技術(shù)，2005，24(5)：12 －13．

［3］ 張明富，張公慈，伊新河．復(fù)合粉煤灰膠體防滅火技術(shù)在耿村礦的應(yīng)用［J］．中州煤炭，2005，13(2)：59－60．

［4］ 李 偉，阮國(guó)強(qiáng)，李 峰．粉煤灰膠體綜合防滅火系統(tǒng)的研究及應(yīng)用［J］．山東煤炭科技，2004，34(6)：74－75．

［5］ 王德明．礦井防滅火新技術(shù)—三相泡沫［J］．煤礦安全，2004，35(7)：16－18．

［6］ 秦波濤．煤礦防滅火粉煤灰固化泡沫的研制及應(yīng)用［J］．金屬礦山，2008，38(4)：139－140．

［7］ 秦波濤．防治煤炭自燃的三相泡沫理論與技術(shù)研究［D］．徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(博士論文)，2005．

［8］ 徐精彩，文 虎，鄧 軍．凝膠防滅火技術(shù)在煤層內(nèi)因火災(zāi)防治中的應(yīng)用［J］．中國(guó)煤炭，1997，23(5)：28－30．

［9］ 劉英學(xué)，鄔培菊．黃泥灌漿防止采空區(qū)遺煤自燃的機(jī)理分析與應(yīng)用［J］．中國(guó)安全科學(xué)學(xué)報(bào)，1997，7(1)：36－39．