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[摘 要]对煤巷高冒区浮煤自燃的危险性进行了分析，阐述了高冒区浮煤及巷道风流的漏风供氧特征。在此基础上结合石港矿15101工作面进风巷高冒区发火情况，分析了MEA高分子阻化泡沫技术治理高冒区浮煤自燃火灾的应用效果。实践表明，在治理高冒区浮煤自燃火灾时，应用MEA泡沫防灭火技术是可行的。
[关键词]自燃；高冒区；MEA泡沫；矿井防灭火技术
中图分类号：TD752.2 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2013）25-0210-02
随着煤炭科技的发展，高产高效综采和综放开采技术得到了普遍的推广和应用。综放开采技术的巷道布置特征之一就是工作面巷道均沿厚煤层底板布置，巷道周围除底板外均为煤层，在巷道施工中易产生高冒区。而巷道中有大量的风流通过，当高冒区内呈破碎状态的浮煤具有适宜的漏风供氧通道和蓄热环境，就容易引起自燃，且高冒区有支撑物的掩护，故此类自燃火灾较其他自燃火灾具有更大的隐蔽性和危险性。因此，研究该类高冒区浮煤自燃防治技术具有重要的意义。本文结合石港矿现场试验，分析了巷顶高冒区浮煤自燃的危险性，并采用MEA高分子阻化泡沫防灭火技术有效地治理了高冒区浮煤自燃，为防治该类发火隐患提供了新途径。
1 煤巷高冒区发火概况
15101综放工作面标高952～997m，埋藏深度为423～517m。煤层厚6.68～7.35m，平均厚度7.02m，煤层倾角5°～14°，平均倾角9°，为II类自燃煤层。工作面绝对瓦斯涌出量为50.6 m？/min，为高瓦斯矿井。工作面巷道布置如图1所示，进回风顺槽均沿煤层底板布置，由于矿压显现强烈，巷道周边煤体松动破碎严重，冒顶现象十分明显，并发生了火患。经检测巷道内CO体积分数高达0.16%，并呈增加趋势，说明高冒区浮煤深部已进行了强烈的氧化，成为了影响工作面安全生产的关键问题。尤其是高瓦斯工作面，高冒区易形成高体积分数的瓦斯积聚现象，一旦发生煤自燃情况极易引起瓦斯燃烧和爆炸事故，造成的危害更严重[1]。因此对高瓦斯高冒区浮煤自燃进行防治具有重要的安全意义。
图1 15101工作面巷道布置图
2 高冒区浮煤自燃危险性分析
2.1 高冒区浮煤特征分析
高冒区形成后，根据高冒区松散煤体的孔裂隙分布状态和煤体松散程度以及冒落程度可分为破碎区、离层区和断裂下沉区[2]，如图2所示。其中在破碎区内，煤体已经充分破碎，应力完全释放，有较多的浮煤呈自然堆积状态存在，为自然发火提供了丰富的物质条件。巷道中的空气可以通过该区域裂隙渗透进入松散煤体中，并在裂隙暴露的煤表面发生氧化反应，在该区域易于发生自燃。
2.2 高冒区漏风供氧特征分析
高冒区连续供氧是造成浮煤自燃的又一个主要因素。高冒区煤体破裂揭露初期，自由基较多，发生低温氧化产生热量，此时高冒区空洞内温度慢慢升高，高冒区与巷道之间存在温度梯度，产生热风压[3]。热风压计算公式如下：
上式中，P为热风压，h为巷道高冒区深度，r为巷道中的空气密度，T2为高冒区中高温点温度，T1为高冒区中较低温度点温度，T为巷道中空气温度。
热风压和高冒区深度成正比，高冒区深度增加，热风压增大，从而高冒区与巷道温差增大，导致高冒区内漏风量增加。巷道漏风产生的空气分子不断撞击高冒区内空气分子，使高冒区内空气分子能量增大，并依次向上传递，形成扩散漏风，为浮煤自燃创造了条件。
在工作面回采过程中，随着支撑煤体的逐渐缩小，高冒区面积会逐渐增大，漏风也会随之增大。当冒落面积与深度达到一定程度时，热风压的大小直接与高冒区上下两端的温差有关，温差梯度大，热风压大，漏风量又随之增大。漏进高冒区空洞内的风流，在供氧的同时也携带走煤自燃产生的热量及氧化产物。当漏风带走的热量小于煤自燃产生的热量，漏风就成为良好的供氧条件，促进煤的自燃氧化。热量不断积聚。热量又会增大高冒区上下两端的温差，使热风压进一步增大，增大的热风压与外界漏风动力源发生叠加为微循环漏风流又提供动力，使漏风量进一步增加而增大供氧量，所增加的供氧量与耗氧量之间保持氧微循环的平衡，又进一步维持氧化的进行；而进一步氧化使产热量进一步的增加，增加的产热量与散热量之间保持热微循环的进行并积聚热量，使高冒区煤炭自燃微循环过程持续不断进行下去，直至自燃。[4]
3 高冒区浮煤自燃防治技术
通过连续检测，巷道内CO体积分数一直增大，达到0.16%。为了尽快控制高冒区浮煤自燃，对巷道进行了封闭，并结合15101工作面巷道布置特征，决定从防灭火巷道向进风巷高冒区施工钻孔，压注MEA高分子阻化剂泡沫进行灭火处理，以确保工作面的安全回采。
3.1 MEA高分子阻化泡沫组成及特性分析
MEA高分子阻化泡沫是由防灭火材料MEA-1、氮气、水以及发泡剂通过专用发泡装置发泡而形成的。它充分利用了MEA高分子材料的致密性、成膜性、挂壁性以及保水性等特性，并结合水的吸热降温作用和氮气的窒息能力经发泡后来防治煤炭自燃与灭火，将多种技术综合在一个有机的整体之中，充分发挥了多种材料的防灭火功能。同国内外目前正在使用的防灭火材料性能比较，MEA高分子阻化泡沫技术具有如下特性：
（1）避免“拉沟”现象。MEA-1浆液通过注入氮气发泡后形成MEA高分子阻化泡沫，体积大幅度增大，在采空区中可向高处堆积，对低、高处的浮煤都能覆盖，能够避免“拉沟”现象；
（2）窒息防灭火功能。注入在采空区的氮气被封装在泡沫之中，能较长时间滞留在采空区中，充分发挥氮气的窒息防灭火功能，这是MEA高分子阻化泡沫比一般注浆、单纯注氮气的优越之处；
（3）阻化功能。MEA高分子阻化泡沫中含有MEA-1等阻化物质，加水后呈胶体状，本身就是一种很好的阻化材料，能均匀的分散在煤体上，能有效地阻止煤氧结合官能团的产生和自由基的链式反应，对煤的自燃有很好的阻化效果； （4）保水性强。MEA浆液具有极强的保水性能，可长久地存留在煤体之上，可以改善煤体的表面的润湿性能，从而能使煤吸收更多的水分，极大地增加煤体的湿度；同时，MEA浆液具有致密性、成膜性、挂壁性，能全面有效的覆盖于煤体上形成一层胶状膜，隔断煤与氧气的结合；
（5）稳定性强。MEA高分子阻化泡沫作为一种胶体泡沫，可较长时间保持泡沫的稳定性，即使泡沫破碎了，MEA浆液仍可较均匀地覆盖在浮煤上，可持久有效地阻碍煤对氧的吸附，防止煤的氧化，从而有效地防治煤炭自然发火。
3.2 MEA高分子阻化泡沫灭火机理
MEA高分子阻化泡沫充分利用MEA-1浆液包裹覆盖阻燃降温性能、水的吸热降温作用和氮气的窒息能力来防治煤炭自燃与灭火的。其防灭火机理可概括为以下三个方面：
（1）封闭效应：大量的MEA高分子阻化泡沫以密集状态封闭了火灾区域，将高温煤体与氧气隔离开来，MEA高分子阻化泡沫破灭后，MEA胶体均匀覆盖在碎煤体的上面并充填在采空区的裂隙通道中，起到填隙堵漏的作用；
（2）窒息效应：含氮气泡沫，可大大降低空气中氧的含量，起到了窒息作用；
（3）冷却效应：MEA高分子阻化泡沫中的MEA溶液更为广泛地附在煤体表面上，增加了煤体的湿度，同时蒸发，大量吸热，可以有效的降温，从而到达防灭火的目的。
3.3 压注MEA高分子阻化剂泡沫钻孔施工
在防火措施巷按如图3所示的方位、倾角向进风巷施工钻孔，终孔位置要求在进风巷道中部，距顶板30-50cm。设计钻孔50个，单排眼布置，孔间距均为3m，距防火措施巷顶板1.5m开口。第一号钻孔在进风巷冒顶处以外3m，防火措施巷对应位置布孔。每孔设计注MEA高分子阻化剂泡沫为30-50m3，共压注MEA高分子阻化剂7.5吨。
图3 钻孔施工方位图
套管采用1寸玻璃钢管，每节长2m，接头采用螺纹连接，最末端1节管的周边均匀布置∮5mm小孔，间距100—150mm。套管外端接1寸玻璃钢管封孔，封孔管共两节，每节长2m，封孔管与套管、封孔管与封孔管之间均为螺纹连接，封孔管外端接1寸阀门和∮25mm管高压接头。下套管和封孔期间要随时用棉丝封堵孔口，防止钻孔内瓦斯或有害气体大量涌出。
3.4 高冒区压注MEA阻化泡沫实施过程分析
在高冒区压注具有耐温阻燃性、保水性、承压性和强的粘附性MEA阻化泡沫后，高冒区浮煤不但具有保水降温阻燃作用，而且能使松散煤体很好地固结在一起，具有堵漏功效。MEA阻化泡沫是固体材料，配比简单、设备少、操作方便，和普通水玻璃阻化泡沫相比性价比高，环保性能好，保水性更强等。在工艺上只需要两个水箱，1台注浆泵即可满足工作要求。
通过对预设的观测孔气样组分的分析，可确定15101工作面煤巷高冒区浮煤自燃控制的情况。经过多日连续观测，高冒区CO逐渐降低，最后降低到15ppm，可以看出高冒区自燃隐患已得到安全有效的治理。
4 结论
分析了巷道高冒区浮煤自燃的原因及危险性，介绍了MEA泡沫防灭火技术治理煤巷高冒区浮煤自燃的应用情况，通过上述分析可知：
（1）压注MEA泡沫工艺具有流量大、工艺简单、稳定可靠的特点，MEA泡沫注入高冒区后能快速地充填并覆盖浮煤自燃火源，具有灭火速度快、效率高的特点。
（2）在高冒区压注具有耐温阻燃性、保水性、承压性和强的粘附性MEA阻化泡沫后，对高冒区浮煤不但具有保水降温阻燃作用，而且能使松散煤体很好地固结在一起，具有堵漏功效。
通过使用MEA防灭火泡沫技术，成功地治理了石港矿15101进风巷高冒区浮煤自燃火灾，保障了工作面的安全正常开采。这表明在治理该类浮煤自燃火灾时，应用MEA泡沫防灭火技术是可行的。
参考文献
[1] 翟小伟，邓军，顾正清，等.高瓦斯大倾角综放面采空区自燃火灾治理技术[J].煤矿安全，2007，38 （12）：27-29.
[2] 杨胜强，尹文萱，于宝海，等.煤巷高冒区破碎煤体自然发火微循环理论分析[ J].中国矿业大学学报，2008，37（5）：591-594.
[3] 刘金成.巷道冒顶煤炭自燃发火的预防和处理[J].煤炭技术，2004，23 （6）： 72-73.
[4] 余明高，鲁来祥，潘荣锟，等.高瓦斯矿井高冒区遗煤自燃综合防治技术[J].河南理工大学学报，2009，28，（2）：137-141.
作者简介
刘业忠（1985.12-），男，汉族人，助理工程师，现任阳煤集团山西石港煤业有限责任公司通风工区技术副主任，2007年毕业于中国矿业大学。
[关键词]自燃；高冒区；MEA泡沫；矿井防灭火技术
中图分类号：TD752.2 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2013）25-0210-02
随着煤炭科技的发展，高产高效综采和综放开采技术得到了普遍的推广和应用。综放开采技术的巷道布置特征之一就是工作面巷道均沿厚煤层底板布置，巷道周围除底板外均为煤层，在巷道施工中易产生高冒区。而巷道中有大量的风流通过，当高冒区内呈破碎状态的浮煤具有适宜的漏风供氧通道和蓄热环境，就容易引起自燃，且高冒区有支撑物的掩护，故此类自燃火灾较其他自燃火灾具有更大的隐蔽性和危险性。因此，研究该类高冒区浮煤自燃防治技术具有重要的意义。本文结合石港矿现场试验，分析了巷顶高冒区浮煤自燃的危险性，并采用MEA高分子阻化泡沫防灭火技术有效地治理了高冒区浮煤自燃，为防治该类发火隐患提供了新途径。
1 煤巷高冒区发火概况
15101综放工作面标高952～997m，埋藏深度为423～517m。煤层厚6.68～7.35m，平均厚度7.02m，煤层倾角5°～14°，平均倾角9°，为II类自燃煤层。工作面绝对瓦斯涌出量为50.6 m？/min，为高瓦斯矿井。工作面巷道布置如图1所示，进回风顺槽均沿煤层底板布置，由于矿压显现强烈，巷道周边煤体松动破碎严重，冒顶现象十分明显，并发生了火患。经检测巷道内CO体积分数高达0.16%，并呈增加趋势，说明高冒区浮煤深部已进行了强烈的氧化，成为了影响工作面安全生产的关键问题。尤其是高瓦斯工作面，高冒区易形成高体积分数的瓦斯积聚现象，一旦发生煤自燃情况极易引起瓦斯燃烧和爆炸事故，造成的危害更严重[1]。因此对高瓦斯高冒区浮煤自燃进行防治具有重要的安全意义。
图1 15101工作面巷道布置图
2 高冒区浮煤自燃危险性分析
2.1 高冒区浮煤特征分析
高冒区形成后，根据高冒区松散煤体的孔裂隙分布状态和煤体松散程度以及冒落程度可分为破碎区、离层区和断裂下沉区[2]，如图2所示。其中在破碎区内，煤体已经充分破碎，应力完全释放，有较多的浮煤呈自然堆积状态存在，为自然发火提供了丰富的物质条件。巷道中的空气可以通过该区域裂隙渗透进入松散煤体中，并在裂隙暴露的煤表面发生氧化反应，在该区域易于发生自燃。
2.2 高冒区漏风供氧特征分析
高冒区连续供氧是造成浮煤自燃的又一个主要因素。高冒区煤体破裂揭露初期，自由基较多，发生低温氧化产生热量，此时高冒区空洞内温度慢慢升高，高冒区与巷道之间存在温度梯度，产生热风压[3]。热风压计算公式如下：
上式中，P为热风压，h为巷道高冒区深度，r为巷道中的空气密度，T2为高冒区中高温点温度，T1为高冒区中较低温度点温度，T为巷道中空气温度。
热风压和高冒区深度成正比，高冒区深度增加，热风压增大，从而高冒区与巷道温差增大，导致高冒区内漏风量增加。巷道漏风产生的空气分子不断撞击高冒区内空气分子，使高冒区内空气分子能量增大，并依次向上传递，形成扩散漏风，为浮煤自燃创造了条件。
在工作面回采过程中，随着支撑煤体的逐渐缩小，高冒区面积会逐渐增大，漏风也会随之增大。当冒落面积与深度达到一定程度时，热风压的大小直接与高冒区上下两端的温差有关，温差梯度大，热风压大，漏风量又随之增大。漏进高冒区空洞内的风流，在供氧的同时也携带走煤自燃产生的热量及氧化产物。当漏风带走的热量小于煤自燃产生的热量，漏风就成为良好的供氧条件，促进煤的自燃氧化。热量不断积聚。热量又会增大高冒区上下两端的温差，使热风压进一步增大，增大的热风压与外界漏风动力源发生叠加为微循环漏风流又提供动力，使漏风量进一步增加而增大供氧量，所增加的供氧量与耗氧量之间保持氧微循环的平衡，又进一步维持氧化的进行；而进一步氧化使产热量进一步的增加，增加的产热量与散热量之间保持热微循环的进行并积聚热量，使高冒区煤炭自燃微循环过程持续不断进行下去，直至自燃。[4]
3 高冒区浮煤自燃防治技术
通过连续检测，巷道内CO体积分数一直增大，达到0.16%。为了尽快控制高冒区浮煤自燃，对巷道进行了封闭，并结合15101工作面巷道布置特征，决定从防灭火巷道向进风巷高冒区施工钻孔，压注MEA高分子阻化剂泡沫进行灭火处理，以确保工作面的安全回采。
3.1 MEA高分子阻化泡沫组成及特性分析
MEA高分子阻化泡沫是由防灭火材料MEA-1、氮气、水以及发泡剂通过专用发泡装置发泡而形成的。它充分利用了MEA高分子材料的致密性、成膜性、挂壁性以及保水性等特性，并结合水的吸热降温作用和氮气的窒息能力经发泡后来防治煤炭自燃与灭火，将多种技术综合在一个有机的整体之中，充分发挥了多种材料的防灭火功能。同国内外目前正在使用的防灭火材料性能比较，MEA高分子阻化泡沫技术具有如下特性：
（1）避免“拉沟”现象。MEA-1浆液通过注入氮气发泡后形成MEA高分子阻化泡沫，体积大幅度增大，在采空区中可向高处堆积，对低、高处的浮煤都能覆盖，能够避免“拉沟”现象；
（2）窒息防灭火功能。注入在采空区的氮气被封装在泡沫之中，能较长时间滞留在采空区中，充分发挥氮气的窒息防灭火功能，这是MEA高分子阻化泡沫比一般注浆、单纯注氮气的优越之处；
（3）阻化功能。MEA高分子阻化泡沫中含有MEA-1等阻化物质，加水后呈胶体状，本身就是一种很好的阻化材料，能均匀的分散在煤体上，能有效地阻止煤氧结合官能团的产生和自由基的链式反应，对煤的自燃有很好的阻化效果； （4）保水性强。MEA浆液具有极强的保水性能，可长久地存留在煤体之上，可以改善煤体的表面的润湿性能，从而能使煤吸收更多的水分，极大地增加煤体的湿度；同时，MEA浆液具有致密性、成膜性、挂壁性，能全面有效的覆盖于煤体上形成一层胶状膜，隔断煤与氧气的结合；
（5）稳定性强。MEA高分子阻化泡沫作为一种胶体泡沫，可较长时间保持泡沫的稳定性，即使泡沫破碎了，MEA浆液仍可较均匀地覆盖在浮煤上，可持久有效地阻碍煤对氧的吸附，防止煤的氧化，从而有效地防治煤炭自然发火。
3.2 MEA高分子阻化泡沫灭火机理
MEA高分子阻化泡沫充分利用MEA-1浆液包裹覆盖阻燃降温性能、水的吸热降温作用和氮气的窒息能力来防治煤炭自燃与灭火的。其防灭火机理可概括为以下三个方面：
（1）封闭效应：大量的MEA高分子阻化泡沫以密集状态封闭了火灾区域，将高温煤体与氧气隔离开来，MEA高分子阻化泡沫破灭后，MEA胶体均匀覆盖在碎煤体的上面并充填在采空区的裂隙通道中，起到填隙堵漏的作用；
（2）窒息效应：含氮气泡沫，可大大降低空气中氧的含量，起到了窒息作用；
（3）冷却效应：MEA高分子阻化泡沫中的MEA溶液更为广泛地附在煤体表面上，增加了煤体的湿度，同时蒸发，大量吸热，可以有效的降温，从而到达防灭火的目的。
3.3 压注MEA高分子阻化剂泡沫钻孔施工
在防火措施巷按如图3所示的方位、倾角向进风巷施工钻孔，终孔位置要求在进风巷道中部，距顶板30-50cm。设计钻孔50个，单排眼布置，孔间距均为3m，距防火措施巷顶板1.5m开口。第一号钻孔在进风巷冒顶处以外3m，防火措施巷对应位置布孔。每孔设计注MEA高分子阻化剂泡沫为30-50m3，共压注MEA高分子阻化剂7.5吨。
图3 钻孔施工方位图
套管采用1寸玻璃钢管，每节长2m，接头采用螺纹连接，最末端1节管的周边均匀布置∮5mm小孔，间距100—150mm。套管外端接1寸玻璃钢管封孔，封孔管共两节，每节长2m，封孔管与套管、封孔管与封孔管之间均为螺纹连接，封孔管外端接1寸阀门和∮25mm管高压接头。下套管和封孔期间要随时用棉丝封堵孔口，防止钻孔内瓦斯或有害气体大量涌出。
3.4 高冒区压注MEA阻化泡沫实施过程分析
在高冒区压注具有耐温阻燃性、保水性、承压性和强的粘附性MEA阻化泡沫后，高冒区浮煤不但具有保水降温阻燃作用，而且能使松散煤体很好地固结在一起，具有堵漏功效。MEA阻化泡沫是固体材料，配比简单、设备少、操作方便，和普通水玻璃阻化泡沫相比性价比高，环保性能好，保水性更强等。在工艺上只需要两个水箱，1台注浆泵即可满足工作要求。
通过对预设的观测孔气样组分的分析，可确定15101工作面煤巷高冒区浮煤自燃控制的情况。经过多日连续观测，高冒区CO逐渐降低，最后降低到15ppm，可以看出高冒区自燃隐患已得到安全有效的治理。
4 结论
分析了巷道高冒区浮煤自燃的原因及危险性，介绍了MEA泡沫防灭火技术治理煤巷高冒区浮煤自燃的应用情况，通过上述分析可知：
（1）压注MEA泡沫工艺具有流量大、工艺简单、稳定可靠的特点，MEA泡沫注入高冒区后能快速地充填并覆盖浮煤自燃火源，具有灭火速度快、效率高的特点。
（2）在高冒区压注具有耐温阻燃性、保水性、承压性和强的粘附性MEA阻化泡沫后，对高冒区浮煤不但具有保水降温阻燃作用，而且能使松散煤体很好地固结在一起，具有堵漏功效。
通过使用MEA防灭火泡沫技术，成功地治理了石港矿15101进风巷高冒区浮煤自燃火灾，保障了工作面的安全正常开采。这表明在治理该类浮煤自燃火灾时，应用MEA泡沫防灭火技术是可行的。
参考文献
[1] 翟小伟，邓军，顾正清，等.高瓦斯大倾角综放面采空区自燃火灾治理技术[J].煤矿安全，2007，38 （12）：27-29.
[2] 杨胜强，尹文萱，于宝海，等.煤巷高冒区破碎煤体自然发火微循环理论分析[ J].中国矿业大学学报，2008，37（5）：591-594.
[3] 刘金成.巷道冒顶煤炭自燃发火的预防和处理[J].煤炭技术，2004，23 （6）： 72-73.
[4] 余明高，鲁来祥，潘荣锟，等.高瓦斯矿井高冒区遗煤自燃综合防治技术[J].河南理工大学学报，2009，28，（2）：137-141.
作者简介
刘业忠（1985.12-），男，汉族人，助理工程师，现任阳煤集团山西石港煤业有限责任公司通风工区技术副主任，2007年毕业于中国矿业大学。