论文

分类号 密级

太原理工大学

硕 士 学 位 论 文

题 目 基于火源精确探测的矿井自燃火灾灭火

技术研究

英文题目

研究生 姓名 王 文 晖 专 业 采 矿 工 程 研 究 方 向 安全技术与工程 导 师 姓 名 邬 剑 明 职 称 教 授

学位授予日期 学位授予单位

论文提交日期 地 址

太 原 理 工 大 学

基于火源精确定位基础上的矿井火灾防治技术

摘 要

煤层自燃是指在自然环境下，煤炭因氧化聚热引发的燃烧现象。煤层自燃不断向深部发展所形成的大面积煤田火灾，是人类面临的重大自然灾害之一。目前的煤田火灾仍十分严重，对资源造成了巨大浪费的同时也严重破坏了生态环境，而扑灭这些火灾到目前为止仍困难重重。因此，对地下煤田和煤层防灭火技术进行进一步研究意义重大。

本文主要介绍了我国煤炭自然火灾的现状以及我国煤田火灾监测和煤田火灾防治技术的发展。

本文详细论述了胶体的种类以及各种胶体的化学物理特性，重点探讨了：（1）胶体防灭火的优缺点；（2）在不同情况下选择不同类型的胶体对火区的控制效果；（3）根据地下火区分布状态、采空区和巷道的具体情况等，采用不同的配比方案对灭火效果的影响。

煤田自然火灾防治的关键技术是精确确定地下火源的位置和范围。本文在前人的研究基础之上，研究分析了氡在空气和其他介质中的运移规律。提出并分析了温度、水溶解度、裂隙和通风状态对应用测氡法精确定位地下火源位置时的影响。为了研究火区地表氡的运移规律，做了多次现场实验，初步得出地表为松散介质时或地表介质受裂隙影响时，介质内氡浓度接近大气中氡浓度的结论，并证实了在松散介质内，氡的运移基本服从以对流扩散为主的运移方式。本项研究主要以现场实验为主，实验室模拟和理论计算为辅的研究方式，第一次较为全面的研究了火区上方地表氡的分布状态以及影响地表氡分

布的因素，分析了采用CD-1α杯测量仪测量氡值时所受影响，提出了相应的解决办法，并在现场应用取得成功。

在现场灭火时，应用同位素测氡法对地下火源位置进行了精确定位，在此基础上布置了钻孔，分析了火区的情况，分别采用了灌浆、注浆、注胶和堵漏等方法对火区进行了控制，取得了良好的灭火效果和经济效益。

由此得出结论：应用同位素测氡法可以精确定位地下500m以下甚至更深的火源位置，在此基础上应用综合防灭火技术，采用新材料对火区进行综合处理，效果好，成本低，方法应用简单方便，具有实际使用价值。

关键词：煤田火灾，测氡法，胶体，综合防灭火技术

第一章 绪论

1.1 煤田火灾控制与预防技术研究的意义

煤炭目前还是我国最主要的能源，且我国煤炭储量十分丰富。全国约75%的工业燃料和动力，60%的化工原料和绝大部分的民用燃料依靠煤炭，煤炭的开采和利用对我国的反战起着重要的作用。

煤田火灾的危害十分巨大。它不仅使灾区经年累月烟火弥漫，植物难以生长，生态环境严重恶化。它还造成煤炭资源的巨大浪费，并成为地球大气污染的重要来源。据有关方面的估计，我国每年约有2亿吨的煤被煤田大火所吞噬，大火释放出来的二氧化碳相当于美国所有公路交通工具每年排放的总量。

引起煤田火灾的原因十分复杂。有的靠近地面的煤层会在日光的暴晒下发生自燃；有的侧与雷电或森林火灾有关；但更多的与人类活动，尤其是采矿关系密切。再则人们还注意到，煤田火灾除外因外，煤田本身内在的原因也很重要。研究表明，物质组成不同的煤，其自燃倾向性也不同。褐煤比烟煤更易自燃，含硫量高的煤也较易自燃。一些曾遭水浸，水分蒸发后的煤层也易自燃[1]。

扑灭煤田火灾迄今仍是一项十分困难的任务。这是因为火苗在地下运移，人们无法直接观测到，而且已经发现地下大火常常能够穿过地下非可燃性物质组成的广阔屏障，在远处引起大火，所以使人们不免顾此失彼，难以将其全歼，使其轻而易举的死灰复燃。如美国曾在圣曲利亚大区钻了许多井，用水灌整个区域，试图覆盖并窒息这场大火，但却未见成效。有人据此指出，地下火焰异常灼热，高温使水分子分解成氢和氧，反而起到了火上浇油的效果。于是又有人建议用烟灰渣来熄火。几年来，人们又钻了近1800个井孔，灌进约12.3万吨烟灰渣和8.96万立方米的沙土，但这些努力仍然付之东流，大火依然绵绵不断[2]。鉴于扑灭煤田火灾的困难，也有人建议反其道而行之，不是设法扑灭大火，而是让大火加速燃烧，以利用煤层因燃烧升温而产生的可燃性气体，变采煤为采气。显然，如果能够实现这一设想，不仅煤炭资源不再被白白烧掉，而且还可以使那些目前无法开采的煤层也能生产出有用的气体燃料，变废为宝，遗憾的是，这一设想尽管非常美好，但真正要付诸实施却也困难重重，因为目前人们还无法解决这样一个技术难题，即如何妥善的把煤层产生的可燃气体收集在一起，以供利用。

1.2 煤田火灾现状及其危害（可以使用）

煤田自燃是指在自然环境下，未开采的煤炭因氧化聚热沿煤层露头引发的燃烧现象。煤层自燃不断向深部发展所形成的大面积煤田火灾，是人类面临的重大自然灾害之一。煤田自燃不仅在中国发生，在印度、美国、俄罗斯、澳大利亚、印度尼西亚以及中亚等地区也普遍存在。煤层自燃不仅直接烧掉了宝贵的煤炭资源，而且还破坏了煤层的赋存条件，危及煤矿的安全生产，使得大量煤炭资源难以开采而间接损失；更为严重的是煤层无控制地不充分燃烧，释放出大量有害物质，引发一系列的生态环境恶效应；煤田自燃，煤层消减，导致地表塌陷，河流改道，地下水位降低，部分土地荒漠化，严重地破坏了国土资源。这些都恶化着人类的生存环境与条件，影响着地区社会经济的可持续发展。在1992年“世界环发大会”之后，煤田自燃作为一种自然灾害已成为有关国家政府关注的主要环境问题；1994年我国政府已将煤田自燃灾害的治理列入“中国 21世纪议程”，使得煤田自燃灾害的治理工作步入国家环境高峰期虽然速送往工程行列。

中国的煤田自燃多分布于干旱少雨的北方地区。根据遥感调查，我国北方煤田火区共有56处，分布在新疆、宁夏、内蒙古、甘肃、青海、陕西、山西等七个省、区。(表1-1)煤田火区的燃烧面积累计达720km2。目前正在燃烧的火区面积约为17－20km2。新疆地区煤田火灾最严重，占整个北方地区的65%以上；在新疆区尤以准南煤田最严重。

北方煤田自燃多发生在煤质好，灰分低，埋藏浅和易于开采的厚煤层地区，地理上处在气候干旱、特干旱的中西部煤炭资源赋存较集中的地带。据调查煤田自燃已经烧失的煤炭资源达4.2Gt以上，目前每年因自燃直接烧失的煤炭资源量达10－13.6Mt。由于自燃破坏了煤层的赋存条件，导致部分煤炭资源不能开发利用，间接损失的优质煤炭资源达0.2Gt。我国能源以煤炭为主(占75%)，煤田自燃灾害直接影响、威胁着我国能源战略向中西部转移的方针。

表１－１ 中国北方主要煤田自燃火区分布简表

省区 新疆 甘肃 青海 宁夏 陕西 内蒙古 山西 合计

数量 /个 38 3 2 1 2 9 1 56 面积 /km2 10～13 0.5 0.5 2.21 0.5 3.0 0.012 17～20 年煤损失104t 326～685 38.45 7～15 115 33～35 270.11 32～52 821.45 ～1210.56 累计面积km2 111.50 1.6 0.5 2.21 400 204.19 0.012 720.00 累计煤损失104t 2024.65 16.03 / 45.12 1510 624 / 4219.80 煤田自燃导致煤矿井下发火，在中西部地区频繁发生，一些煤矿每年发火高达100余次，平均每生产万吨煤发生2.2次，常常造成人员伤亡，设备破坏，被迫封闭井口，矿井报废等。煤层自燃导致矿井温度升高，危及矿工人身安全，还可引发煤矿瓦斯突出、粉尘爆炸、顶板陷落、底板突水等灾害，是危害中西部地区煤矿安全生产的主要因素之一。

我国北方煤田自燃每年向大气层排放大量的有害气体、粉尘，释放大量热量，造成区域性大气污染，可形成大范围的酸雨，产生温室效应，恶化地球环境。据估算我国北方地区的煤田自燃，每年向大气中排放CO、SO2、NO2及粉尘1.05Mt，释放热量30920×1010MJ；另有大量的CO2、H2S排入空气之中，造成区域性大气污染。据测定在自燃区附近低空(离地面高度 1.6m)有害气体超标达70多倍。

煤田自燃过程中，上覆岩石被烘烤烧变，在地表形成一片焦土，寸草不生。燃烧后煤层消减形成大范围的地裂缝、滑坡、塌陷、沉陷坑，并且促成一定规模的泥石流，土地荒漠化，水资源破坏与污染水环境，草原与森林火灾等发生。所以煤田自燃从根本上破坏了当地的国土资源、危害着当地的生态环境。

据调查统计，煤田自燃区域是呼吸道疾病、肠胃疾病、癌症和生怪胎的高发地区。据初步估算，煤田自燃所造成的经济损失 (含潜在的经济损失 )每年在 200亿元以上。

1.3 本文的主要工作

煤矿自燃灾害给煤矿生产和资源带来巨大的危害和经济损失。目前，全国统配煤矿中有自然发火危险的矿井占56%。因无法确定地下火源的位置与范围，给自燃火灾的根治带来了困难。自燃火灾防治的关键技术是精确确定火源的位置和范围，这也是一项国际性技术难题。“煤层自燃火源位置的精确探测技术”为

1996～2000年原煤炭部重点推广项目。96年以来，该技术有了新的突破，改进了探测仪器及处理软件，给出了探测结果的三维立体图，提高了探测结果的可视化程度，加大了探测深度，提高了探测精度。

本文介绍了我国煤田火灾现状和现有的防灭火技术，并对胶体防灭火的特性做了一定的研究工作，论述了不同胶体材料的特点以及如何结合现场需要选择恰当的胶体材料。本文还结合前人所做的实验和成果，又在试验室和现场作了大量实验，初步探讨了氡及其子体在不同环境中的运移规律，对利用同位素测氡法探测地下火源的技术做了较为详细的研究，对提高探测精度做了有益的探索。并且应用同位素测氡法对长治市襄垣县马喊火区进行了火源探测，在此基础上运用新型材料对火区进行控制，在现场灭火工程中得到了应用和检验。

第二章 国内外防灭火技术介绍

2.1我国煤矿火灾防治技术的现状

2.1.1 煤田自燃发生发展的地质规律

（1）煤层发火自燃的临界值

对正常煤层、氧化煤层、自燃临界煤层和已自燃煤层的野外调查和对比研究表明：自然状态下，煤层在 35－60℃环境温度作用下，氧化 3－4个月时间可发生自燃；煤层发火自燃的临界温度值为 60～80℃。

（2）煤田自燃火区发生发展的地质模式

通过长期观察和研究表明：煤层发火后，迅速沿走向向两侧漫延，并逐步沿倾向向深部扩展，逐渐形成燃烧带、挥发带和烧变岩带。根据烧变程度将烧变岩划分为二类四型，即烧变类的层状烧变岩、板片状烧变岩；熔变岩类的熔变角砾岩和熔渣状角砾岩。

（3）煤田自燃发火的地质规律

以煤田火区调查成果为基础，通过室内测试、资料分析和科学总结，确定出煤田发火自燃的规律是[3]：

a. 煤田发火自燃发生北纬 35－45°间的日照度强、干旱半干旱的地区； b. 煤田发火自燃多沿地形切割相对较强的煤层露头区发生； c. 煤层发火自燃以侏罗纪煤田为主； d. 厚煤层和特厚煤层易发生自燃； e. 中低变质程度的煤层易自燃； f. 丝炭组分含量高者易发生自燃；

g. 煤层自燃多发生在埋深 0～100m间，已经探测到的煤田火区最深可达 800m以上。

2.1.2 煤田自燃火区的监测与治理方法

（1）煤田自燃火区的监测方法

采用先进的空间遥感技术，配合地理信息系统和全球定位系统，能够快速准

确地确定煤田自燃状况，发现新的火点，为煤田火区的治理和灭火效果评价提供客观的基础资料。研究表明，NOAA卫星图像可用于探测大范围的明火区；TM6、4、3波段合成图像可用于发现火点，普查火区和实施动态监测，其温度分辨率为5℃，空间分辨率为 2340m2；SPOT图像可用于圈定较大范围的烧变区；航空彩红外遥感图像可用于圈定烧岩，确定熄火区的范围；航空热红外遥感可圈定正在燃烧的火区，发现新的火点，确定发火的临界区，其探测的温度分辨率为1℃，空间分辨率为 48m2。航天遥感结合航空遥感是探测煤田火区的最佳手段。在此基础上，利用卫星遥感数据，建立煤田火区信息系统，可协助有关部门完成对煤田火区的实时动态监测。

（2）煤田自燃火区的灭火方法

形成煤田自燃火区必须同时具备合适的温度、氧气和煤层三要素，因而灭火工作也就针对这三个因素进行，并由此产生多种灭火方法。目前最常用的有 ：a覆盖法：采用沙、黄土等细粒松散物覆盖煤田自燃区，隔绝氧气的供给；b剥离法：在煤层露头自燃区剥离掉正在自燃的煤层，去掉火种；c注水法：通过钻孔或裂隙注水，降低煤层自燃温度，使火熄灭；d注浆法：通过钻孔、裂隙或巷道注入泥浆，降低温度，切断煤与氧气的接触，达到灭火的目的。 2.1.3 我国煤田自燃火区的灭火现状

目前我国已在新疆、宁夏两区建立有专门的煤田自燃灭火队伍，已经扑灭 4个煤田火区。但是由于资金不足，灭火组织机构单一，存在缺乏北方地区灭火的整体规划，以及灭火后易复燃等问题。从1980年到2000年，我国完成北方六大火区的治理工程，约占北方灭火工程的 20%，尚有 50处火区， 80%的灭火工程亟待施工。随着中西部煤炭产量的继续提高，煤田火区正在扩大，亟需大幅度增加对灭火工程的投入，加速治理煤田火区。

近年来，对煤矿火灾发生、发展和防止机理及规律，包括起火、火势蔓延和烟气传播灭火以及火灾对人体的危害与防止等方面进行了较深入的研究；在煤矿火灾预测预报方法、实时监测技术、防火设计、制订防火救灾措施等方面均取得了令人鼓舞的成绩。

煤矿火灾防治技术近几年的新发展主要表现在以下几个方面：

(1)从观念上改变了认为火灾系单纯偶然事故的认识。煤矿火灾作为一种自然灾害现象，它的发生既不具有完全的确定性，又不是完全的随机性，而是兼有确定性和随机性的双重特点。不仅火灾发生如此，火灾蔓延及其造成的损失也是如此。

(2)认为煤矿发生火灾的机理和规律具有普遍性，只要加以研究就可以认识和掌握，就可以控制火灾事故的数量，降低火灾事故的损失，从而使煤矿和煤田火灾科研跨上一个新台阶。

(3)在研究方法上改变了传统的以火场实测和统计经验数据为主的手段，承认并自觉运用流体力字、热力学和传热学等自然科学中的质量守恒、动量守恒和能量守恒的基本规律来指导火灾研究，并应用统计理论，力图揭示数据之间的联系，形成专家系统，同时借助于火灾模型并结合火灾现场实测的研究方法研究火灾的发生、发展和防治的机理与规律，不断深化对火灾客观规律的认识，减少火灾发生，降低火灾损失。

(4)在防火策略上注意从系统工程角度出发，形成预测、预防、预报和灭火等四道火灾防治防线。党、国家以及煤炭系统各级职能部门对防火问题给予了充分重视，并投入较多的财力和人力，科学技术进步也为改变我国煤矿安全的落后面貌起到了重要作用。我国煤矿自然发火逐年减少，外因火灾也得到了不同程度的控制。但是也应该看到，我国煤矿火灾技术发展很不平衡，部直属矿井发展较快，地方煤矿发展较慢。每年仍有或多或少的人员在火灾中丧生，有大量财产在火灾中化为灰烬，有大量的煤炭资源被冻结，现状仍然不能令人满意。因此在现在和将来的一段时间内，防灭火仍然将是我国煤矿安全工作的重点之一，研究矿井火灾防治技术和理论，大力推广应用先进而成功的防灭火技术是减少我国煤矿火灾危害的重要战略决策[4]。

2.2 煤矿火灾防治技术发展

2.2.1 煤炭自燃倾向性鉴定

在煤炭自燃火灾防治方面，从五十年代初即开展了对煤炭自燃倾向性的鉴定方法和确定煤层自然发火危险程度进行了研究。先后对国际上流行的自燃倾向性

鉴定方法进行了研究，如：克氏法、着火温度法、双氧水法和静态吸氧量法等，并结合我国具体煤种进行了实验与考察。通过比较决定引用前苏联的игд法一用煤炭着火点(燃点)温度降低值法(△T法)作为我国煤炭自燃倾向性鉴定的法定方法，并提供了科学依据。但是通过四十多年的应用，人们发现△T法过程复杂，制备煤样使用的某些药品对人体有害，而且采用的自燃倾向性分类等级与实际不尽相符。

80年代以来，随着化学分析技术的发展，先后提出了多种自燃倾向性鉴定方法，如以气相色谱技术分析煤在常温的密闭容器中氧化、吸附、解析的气体成分，利用CO发生量、氧吸收量以及两者之比，即格拉哈姆系数(－CO/+O２)等参数的变化来鉴定煤炭自燃倾向性的静态解析法；以热分析技术确定各类煤炭在空气中的氧化发热量，从而判定自燃倾向性的热量法；以测定煤吸附流动空气中氧的特性(即吸氧速度)，确定煤的自燃倾向性的吸氧速度色谱分析法；以测定煤的芳香度代替△T法鉴定煤的自燃倾向性等方法。

上述多种鉴定煤的自然倾向性的方法虽然尚未得到法定认可，但从学术研究角度评价仍然是丰富而可贵的。不过也有的研究者对此提出异意，认为上述诸种测定方法都是采用少量煤(25mｇ－1g)，人为控温模拟煤炭自身氧化自蓄热过程，而与现场导致煤炭自燃的实际条件与过程相差甚远，因此所得结论与实际出入较大。为此设计了大量试样(数百千克煤样)的煤炭低温自燃实验台，并采用自然升温的方法模拟煤炭低温自燃过程，从而希望获得更为科学而可靠的鉴定煤炭自燃倾向性的方法，初步试验是成功的，但距判定煤的自燃倾向性分类鉴定方法还有一定距离[5]。 2.2.2 灌浆防灭火

50年代夫，在我国煤矿开始应用灌浆防灭火。预防性灌浆防灭火的原理是，浆液包裹煤块，其水分有增湿减缓氧化速度作用，其固体沉淀物能充填于煤体缝隙，能起隔绝漏风阻止氧化作用。按与回采工艺的关系来分，灌浆的方法有：随采随灌，采前预灌和采后密闭灌浆；按实施方法来分有埋管灌浆，钻孔灌浆和工作而撒浆。现已被公认为是厚煤层分层开采较为有效的防灭火技术，在我国有条件的地区得到普遍的应用，收效显著，成为《规程》规定的预防煤层自然发火的

常规方法之一

80年代以前，灌浆所用的浆材是黄泥，这对于西南或山区缺土地区就无土灌浆，重庆分院与现场合作，在芙蓉和充州矿区分别建立了习佩关页岩和煤矸石破碎系统，用破碎的矸石与页岩作为灌浆材料；开滦、平顶山等矿务局采用电厂飞灰作为灌浆材料均取得成功。煤矸石与飞灰的利用不仅解决了灌浆用土，而且也净化了环境。国内其它矿区在寻找浆材的代用材料方面也都因地制宜地作出了成绩，例如萍乡矿务局应用选煤厂尾泥添加黄土作为浆材；石咀山煤矿利用泥浆泵抽取河泥向井下灌浆；大同、汝萁沟矿区曾经引洪灌浆；为了提高防灭火的效果，抚顺局曾用氯化泥浆灌浆。上述浆材成功的应用和开发，解决了灌浆防火材料单一、缺土地区难以推广应用的困难。 2.2.3 阻化剂防灭火

将无机盐类的化合物，如：氯化钙、氯化镁、氯化氨以及水玻璃等物质的溶剂药液喷洒在煤块或注入煤体内，具有阻止煤体氧化，防止和扑灭其自热的作用。煤矿利用阻化剂防灭火是60年代末诞生的一项新技术，我国起步较晚，1974年抚顺煤炭研究所在试验室和现场开始研究，先在沈阳、平庄两局实验成功。近年来，在实验室和现场试验的基础上，寻找合适我国煤矿不同煤种的阻化剂做了大量工作，并在阻化剂防火的机理方面提出了“吸水盐类液膜隔氧降温学说”，正确的阐述了阻化剂防火的原理，为阻化剂防火技术和发展奠定了基础。目前，我国有13个省40多个矿区应用阻化剂防火均收到了不同程度的效果；80年代利用工作面部采空区的漏风携带雾化阻化剂微粒进入采空区防止遗煤自燃，在铜川矿务局试验成功，为阻化防火工艺的发展作出了贡献。理论的成熟、工艺的发展使阻化剂防灭火已成为我国黄泥灌浆防火技术的重要补充。但是，目前使用阻化剂的阻化率较低，寿命较短，对环境有不同程度的污染，这些问题今后要进一步研究解决。 2.2.4 均压防灭火

利用平衡漏风压差技术达到防灭火目的称为均压防灭火。50年代初，波兰首先提出并应用于加速火区熄灭的均压措施获得成功。60年代一些煤炭工业发

达国家在扑灭井下火灾中竟相采用，我国也在这个时期开始采用。最早在淮南、辽源等矿区试用成功，后来在开滦、芙蓉、鹤岗、大同等矿区逐渐推广。在推广中又有创新，既用于封闭火区，加速燃烧熄灭(称为闭区均压)又推广应用于处理正在生产的采空区火源和高温点(称为开区均压)；既可用于灭火，也可用干防火。均压的方法多种多样，均压的技术越来越高。1982年与波兰专家合作，在大同矿务局煤裕口矿对大面积的火区进行均压灭火试验，顺利地治理了残存多年的大面积火区，在火区下采出煤炭40多万吨，解放火区下压煤150多万吨，随后该矿又成功地完成了自动监测均压参数，自动控制均压设施的科研课题，把均压通风灭火技术提高到一个新的水平。

为了配合均压措施的实施，80年代初，淮南矿院在淮南矿区利用脉冲释放示踪气体检测采空区漏风分布技术试验成功；90年代初，淮南矿院、中国矿大分别在淮南、枣庄局试用连续、稳定定量释放示踪气体检漏风技术获得成功。两校的科研成果使得示踪气体释放技术检测矿井漏风得到发展，大大提高了均压技术的可靠性。 2.2.5 惰气防灭火

惰气防灭火技术的应用始干50年代，我国干1959年前后在煤矿用的炉烟灭火就是惰气灭火的雏形。惰气防灭火成功的关键是，注愤以后要保证火区或采空区内的氧浓度降低到7%以下。

80年代，湿式惰气(燃油惰气)灭火装置(DQ-150，DQ-1000)研制成功。燃油惰气发生器的研制成功和推广应用，既可灭火，也可防止在灭火过程中发生瓦斯爆炸，是一种较安全的快速灭火阻爆装置。使惰化火区扑灭矿井火灾技术得到进一步的发展。这一技术在鹤壁许家沟矿和大同支岗矿扑灭火灾均获得成功的应用。

80年代随着制氮工业的发展，气氮和液氮灭火技术开始在煤矿应用。注氮防灭火技术在我国虽然起步较晚，但发展很快。抚顺矿区首先利用气氮防治厚煤层综采放顶煤采煤法工作面采空区自然发火，并获得成功。接着乌鲁木齐矿务局应用于急倾斜厚煤层采空区防火，西山矿务局应用干近距离自燃较为严重煤层的火灾防治，也都取得良好效果。近年来，各国感兴趣的液氮灭火技术，在我国天

府、阜新等局也有所应用和发展，社会和经济效益显著。注氮灭火技术试验成功，为综采和综放采煤法的安全生产提供了较可靠的保证。目前我国不少矿区，如抚顺、铁法、西山、充州等局，凡采用综采放顶煤开采自然发火煤层的矿井，均装备了制氮系统。80年代世界先进国家兴起的膜式空分制氮新技术在我国已完成研究和试制。 2.2.6 泡沫灭火

泡沫有化学泡沫和空气高倍数泡沫(简称高泡)两种。化学泡沫一般储装于小型灭火器内，泡沫灭火器使用灵活，扑灭初起的火灾非常有效。常装备在井下碉室、胶带输送机的机头等易于发火的地方。空气机械泡沫灭火装置产生的泡沫倍数一般在500～1000之间。抚顺煤研所于60年代开始开发，研制了高效电动(BG P-200 )和水动(SGP-180)型发泡机。使该技术投入实战应用。其优点是能快速、远距离扑灭矿井火灾。至目前为止，在我国煤矿井下应用高泡灭火技术扑灭火灾达30余次，成为世界上应用该项技术次数最多的国家之一。

90年代，为了提高灭火效果，开始研制以惰气为气源的高稳定性泡沫。这种惰气(气氮或液氮气)泡沫，既可安全高效灭火，又可充入采空区起到隔离作用。由多组分复配而成的高稳定性泡沫剂和惰泡发生装置，已由抚顺煤科分院研制成功，使泡沫灭火技术获得新的发展。 2.2.7 矿井火灾预报

近年来矿井火灾预报技术有了较大发展，预报方法由单纯依靠人体生理感觉逐步发展到利用科学仪器进行预报；由间断定期预报发展到连续预报。预报参数由单一到多样，检测仪器由精度较低的检知管发展到使用高精度的气相色谱仪和红外分析仪。连续、自动检测自然发火的束管系统在平庄古山、枣庄柴理、充州南屯和兴隆庄、抚顺老虎台等矿区应用效果较为显著，80年代以来国内研究单位与现场就煤炭自燃标志气体的选择做了大量的富有成效的研究与实验，获得了不同煤种预报自然发火的标志气体。

目前我国外因火灾的预报技术亦已开始研究和应用，以微机为中心的传感器采集火灾信息的监测和自动灭火技术亦在我国少数矿区开始应用，可靠的标志气

体和灵敏的检测系统使我国的煤矿火灾预测和预报技术已接近或达到世界先进水平.

2.2.8 开采技术防火

研究和总结我国煤矿自燃火灾发生的规律发现，由于开采技术和管理水平不同，会导致开采自燃倾向性相同煤层的不同矿井或同一矿井的不同采区，甚至同一采区的不同工作面，自然发火次数有明显的不同。在总结经验的基础上，开采有自燃倾向性煤层的矿井，在开拓布局、采区巷道布置、回采方法和回采工艺、采掘接替、通风系统等方面进行了改进和完善。注意提高回采率，减少煤柱和采空区遗煤，提高工作面的推进速度，减少采空区漏风的数量和时间。一些自然发火较严重的矿井百万吨煤的自然发火次数逐年降低。 2.2.9 矿井火灾专家系统

专家系统是集计算机科学、心理学、思维科学、控制论和信息论等多种学科于一身的人工智能，是当代高科技领域之一。矿井火灾专家系统是模拟该领域专家扑灭火灾问题的思维模式、处理问题的能力、并作出决策过程而建造的具有人工智能的计算机软件系统。专家系统的建造不仅可以高效、准确、周密、迅速地提出灭火救灾的对策和方案，而且它不会像人类专家那样面对突发的重大事故呈现出心理紧张和情绪激动，造成作出决策时出现遗漏、疏忽或失误。进入90年代以来，矿井火灾专家系统的研究已是国内外专家学者注意的焦点。目前在国内开展这项研究的有中国矿业大学、淮南矿业学院、抚顺煤科分院、西安矿业学院等单位。但是根据当前我国煤矿的技术装备水平和管理现状都是研究以能开出专家灭火救灾方案为目标的诊断型专家系统，属专家系统研究的初级阶段。随着矿井灭火技术理论的发展，相关技术装备性能的完善，整体科学水平的提高，煤矿灭火专家系统的研究应用向实控目标前进。实控型专家系统将融矿井火灾信息获取、灭火方案优选、灭火救灾手段的启用于一体。一旦矿井发生火灾就能以最快的速度和最有效的灭火手段实现控风、灭火救灾。实现这一目标难度很大，但是当今已不是可望而不可及的幻想，诊断型处理矿井火灾事故的专家系统的研究就是良好的开端和起步。

建国40多年来，随着煤炭事业的高速发展，矿井防灭火技术与理论的研究方面取得的成绩也是显著的。50年代黄泥灌浆防灭火技术的应用，煤炭自燃鉴定方法的研究与确定；60年代均压防灭火技术的推广，高泡灭火技术的出现；70年代阻化剂防灭火试验成功，早期预报煤炭自燃的束管系统初步建立；80年代惰气防灭火技术开始引用；进入90年代，随着放顶煤技术的发展，采空区注氮防火得到推广与应用。高新科学技术范畴的灭火专家系统也得以起步。纵观防灭火技术的发展，可以说每十年都登上一个新台阶。科研与实践硕果累累，技术与工艺进步很大，材料与设备都有新的发展。煤矿火灾事故的教训深刻，但也积累了丰富的经验，可以自豪地认为，我国煤矿防灭火工作已经步入了世界上煤炭工业发达国家的行列，基本上做到了与世界同步.但是我国幅原辽阔，煤矿分布南北东西，各个矿区客观条件差异很大，在原煤产量已跃居世界第一的情况下，矿井防治火灾的任务还是很艰巨的。理论的研究，认识的统一，新型仪表和装备的生产，高效防灭火技术的实施与发展，以及各类专门灭火条例、规范和标准的制订等等，都还有待于进一步完善。

第三章 测氡法精确探测地下火源位置（使用）

3.1 测氡法概述

原子核由质子(Z)和中子(N)组成。这两种粒子统称为核子。原子核内质子数和中子数之和称为核子数(A)。质子数相等但核子数不等的核素统称为同位素。质子数Z>82的核素都是不稳定的，属于放射性同位素。自然界中有些核素的原子核能自发地发生变化，从一个核素的原子核变成另一个核素的原子核，并伴随着放出射线，这种现象称为核衰变。常见的衰变类型有：衰变、日衰变和Y衰变。放射性核素在衰变时放出能量，其能量可作为信息被检测出来而反映地球体中核素含量及其活动形式与衰变类型，这就是核探测技术的基础。

自然界存在着三个天然放射系即铀、钍、锕系[6][7]，因其半衰期很长，在7.04×108～1.4×1010年之间，故能作为母体核素广泛存在于土壤、岩石、煤系等介质中。铀、钍、锕经过一系列衰变均产生一个在常温常压下以气溶胶态形式存在的放射性核素氡( Rn)，三种射气的放射特征如下表3-1所示。由表3-1可见，三种射气的主要区别在于其半衰期极不一致，其中Rn-222半衰期最长，故将Rn-222作为信息研究地球动力现象或者作为研究氡的辐射危害，主要指的是铀系的衰变子体Rn-222以及Rn-222的衰变子体。其中铀系的衰变产物氡及其子体，以其特殊的地球化学性质被广泛应用于研究地震、火山喷发等地球动力现象中。

表3-1 三种射气的放射性特征

核素 名称 Rn-222 Rn-220 Rn-219 符号 Rn Tn An 原子 序数 86 86 86 质量 数 222 220 219 半衰期 （T） 3.825d 55.6s 3.96s 衰变 类型 α α α 射线能量 （MeV） 5.489 6.288 6.819 氡为放射性同位素，其衰变的子体为固体粒子，因此在测量时既可测氡气，又可测其子体而反映母体核素的形态及变化状况。氡子体有较大的吸咐能力，它们能吸附在器物表面。因此可用不同的方法将氡或其子体收集进行测量。

测氡的方法有许多种，在测量时间上分为微分法和积分法，在仪器方面分为α杯法、活性炭法、热释光法、钋210法等。本文所提到的探测方法（未明确表

示探测方法的）采用的是α杯积分测量的方法。

3.2 介质中氡运移规律的研究

自F. Dorn 在本世纪初发现第86号元素氡[8]以来，该元素及其子体一直受到了科学界的广泛注意。人们在不断拓宽氡气应用领域，注意其危害，在研究氡气测量技术的同时，十分关注氡及其子体运移规律及其机理的研究。

氡及其子体均为放射性元素，比空气重的多，半衰期最长只有3.825d，但它能从深部地层中析出并运移到数百米的高空，因此仅仅采用传统的气体运移所遵循的对流、扩散与渗流理论是无法解释这一长距离运移现象的。20世纪80年代以来，国外的Hunter JM 及Mandich 等人研究了分子的“团簇”现象，我国学者[9]也对空气中无对流状态下α杯(卡)法对氡及其子体的自身运移机制做了长期的研究。研究表明：氡及其子体和母体多为α衰变体，会辐射出α粒子。粒子减速后将成为带有两个正电的4He核，它能使原子序数较大、外层电子多的氡及其子体和母体(Po，Bi，Pb，Tl，U，Th，Ra等)中性原子极化，使4He核和氡及其子体和母体之间在电场作用下产生强相互作用力。即使是中性的4He 原子， 也会由于它们之间的范德华力，产生弱相互作用力。再考虑当α衰变时，由于反冲现象的存在，能使介质中的一些原子从其表面上发射出来，而且放射出的α粒子与介质相互作用时，不仅使其自身减速，还会轰击介质，将有中性的和电离的原子从表面发射出来，出现溅射现象。这样在Rn的周围就会出现Po，Bi，Pb，Tl甚至U，Th，Ra 等金属原子微粒，特别是4He。它们相互碰撞，相互作用，主要是借助强相互作用力和弱相互作用力而凝聚成团簇，其团簇可小可大，小到由2个4He构成，多至由106个4He构成。并且氦团簇极易渗入不同的原子和分子，构成复合团簇。由于4He很轻，当形成的团簇所受空气浮力大于其自身质量时，就具有向上运移的能力，从而使氡及其子体自身具有明显的向上运移的能力[10]。

氡在介质中的运移，按其机理可分为：以浓度梯度为动力的氡扩散、以温度(或地热)梯度为动力的对流载运，以及压力梯度为动力的渗流载运(又分气载和液载)三类[11]。

3.2.1 氡在空气中的运移

在较理想条件下的空气中，氡“自身”固有的运移不是以扩散为主，而是以纵向运移为主，且具有较强的向上运移能力。其具体表现是，自氡源产生氡气开始，氡气就具有很强的向上运移能力，并随运移距离的加大，与横向运移和向下运移相比，这一能力仍在加强。这完全可以表明，比重大于空气的氡，向上运移是氡“自身”固有的现象，这与传统的氡运移观点相悖的。

经过实验[9]得到氡在理想空气中纵向和横向运移的几率，见表3-2。

表3-2 氡及其子体纵向、横向的运移几率

运移几率 自然状态 干燥状态 横向 9 7 纵向 91 93 向下 45 37 向上 46 56 扩散 9 7 纯向下 36 30 纯向上 37 49 从表3-2可以看出，第一，在理想条件下（无对流），可以认为氡的横向运移全部是由于扩散的贡献，那么氡的纵向运移并不是以扩散为主，其中扩散产生纵向运移的几率为7%～9%，而由于其他原因引起氡纵向运移几率占82%～86%；第二，在自然状态下，氡向上和向下运移几率基本相同，而在干燥状态下向上运移几率明显大于向下运移几率；第三，扩散作用随着空气的干燥程度有所下降；第四，氡在水平方向的运移不受（或影响极小）地球自转、地球磁场等影响。 3.2.2 氡在其他介质中的运移

点状氡源在某一线状方向上的运移分布，类似于层状矿体上面非放射性介质中的氡气分布。层状矿体上面的氡气在非放射性介质中运移的分布公式为[12]：

N?N0e??(h?x)k?e?e???(h?x)k???hke??hk

式中，x为线状方向上某位置点离氡源的距离；N为线状方向上离氡源x处的氡气浓度；λ为氡气的衰变常数；k为氡气在空气中的运移系数；N0为接近氡源点位置的氡气浓度；h为线长。

由于同位素测氡法探测地下火区时不可能遇到点状氡源的情况，因此本文对此没有进行深入研究。

为了研究在非空气介质中氡的运移规律，假定介质是均匀、各向同性的，根据费克扩散定律和达西定律，介质中氡浓度分布的方程为[13]：

d2CzVdCzDz???Cz?S?0 (0≤z ≤z0) (1) 2?dzdz式中， Dz为氡在介质中的扩散系数，m2/s；Cz为介质中z点处的氡浓度，Bq/m3； V为氡在介质中的对流速度，m/s；S为介质中可扩散氡的产生率，Bq/(m3·s)；η为介质的孔隙率；λ为Rn-222的衰变常数，λ=2.06×10-6/s；z0为距离地表深度，m。

方程的边界条件为 Cz0?S??C0(t) C0?A （2）

式中，C0(t)为温度效应产生的氡异常，可通过实验得到；A为地表处的氡浓度，实测得到。求解分布方程(1)，并代入式(2)，可得到介质中的氡分布函数为：

Cz?[S??C0(t)][1?exp(?az)]?Aexp(?az) （3）

式中，a?[?Dz?(V/?)24Dz2]1/2?V/?。 2Dz氡从岩石、土壤中运移到空气中后，仍然服从费克扩散定律和达西定律，以湍流扩散和对流方式运移。由于大气中铀、镭含量极低，由大气中铀、镭衰变产生的氡可以忽略不计，因此氡在大气中运移服从如下规律

d2CaVdCaD???Ca?0 （4）

dzdz2由边界条件z→0时（地面），Ca=C0；z→∞时，Ca=0。解（4）式得：

Ca?C0exp(?va?4Da?va2Da2?za) （5）

一般认为，岩石、土壤中氡浓度比大气中高3个数量级以上。因此，岩石、土壤中的氡不断地向大气中运移，运移量的大小用氡的析出率来衡量，所谓氡的析出率是指单位时间、单位面积的地表岩石、土壤析出到空气中的氡，即

???DzgradCz?Czvz （6）

将式(1)代入到式(7)中，考虑到矢量的方向，得到地面岩石、土壤的氡析出率为

??1(V2?4D?Dz??vz)?(V2?4?Dz??V)C0 （7） 2??2A根据两种介质的界面处氡运移通量连续性原理，综合(1)、(5)、(7)式可以求得大地—大气间氡交换模型为：

ACz???2(V2?4?Dz??1)2V?4?Dz??V?va?4?Da?va?exp(?va?4?Da?va2Dz2?z) （8）

该理论模型反映了岩石、土壤中氡与环境空气中的氡之间的关系，其实质是反映了地质环境中放射性元素铀(镭)的分布与空气中氡浓度的关系。

由刘庆成博士所做的一项实验[14]验证了上述理论的正确性，该实验如下： 在室内将133块铀质量分数为0.07%的“矿砖”平铺在长2m、宽1.5m、高1m的水泥池底部作为面状氡源层，在设计的测点位置上安装取气装置后，将砂子倒满水泥池，在砂层表面和离砂层2m高处空气中安装CR-39径迹杯用于观测空气中氡浓度，放置模型的实验室封闭，空气流动微弱，模型结构示意图见图3-1，型实验观测结果见表3-3。经检测，模型中的砂不含铀、镭，可作为无氡源介质考虑。

实验过程中，在每个层位平均取测量点，然后取平均值进行计算分析。

空气200cmFD-3016测氡仪砂25cm上 30cmΦ0.6cm塑料管砂中砂塑料杯30cm下 15cm取气样装置面状氡源

图3-1 测氡模型结构图

表3-3 理论计算与实测对比

层位 理论计算（Bq/L） 实测值（Bq/L） 相对误差（%） 上（75cm） 102.2 95.8 6.7 中（45cm） 175.8 205.6 -14.5 下（15cm） 302.2 302.6 -0.16 空中（2m） 2.39 2.47 -3.2 表3-3中数据表明理论计算与实测值之间最大误差为-14.5%，最小仅为-0.13 %，上述理论是成立的，这说明了近地表岩石、土壤及空气中氡主要以扩散和对流方式运移。在探测地下火区时，常忽略空气中氡的含量，并且假设地层中铀(镭)的分布式比较均衡的（火区探测面积一般在几万到数十万平方米），该理论对测氡法探测地下火区的具体分析参见3.4.2节。

3.3 测氡法探测地下火区原理

3.3.1 温度升高射气系数增大

含铀岩石的射气系数随着温度的升高而增大，而且温度越高，作用的时间越长，岩石所析出的氡越多。A. Hukutuh 所做的含铀矿石随温度变化氡析出的实验，在室温下，一天内氡的析出量与生成量之比(α)仅为0.02%，在3小时内不同温度的结果见表3-4 。A. H.苏尔坦霍耶夫做了石膏、碳酸钙、碳酸钙和二氧化钛混合的射气析出与温度的关系实验，并认为，氡气从岩石(矿物)中的析出也是随着温度的升高而增大，其原因主要是与岩石(矿物)脱水及晶格的破坏有关[15]。可见，随着温度的升高，岩层的氡气析出量在逐渐增大。此外，地下煤炭燃烧可造成局部的煤层或岩层产生裂隙，由此亦可增大煤层和围岩的射气系数。

表3-4 氡析出量与生成量比值

温度℃ α (%) 100 0.063 200 0.474 300 0.925 400 1.31 500 1.55 600 1.84 700 2.81 800 11.6 900 38.5 地下煤炭自燃，势必造成一个高温高压的环境，并产生大量的水蒸汽、一氧化碳、二氧化碳、甲烷、烃族化合物等，加之自燃区顶部存在着大量的裂隙，这势必加快了氡气向上运移的速度，因此能够在地表形成较高的氡气异常。

3.3.2 温度升高降低氡在水中的溶解度

自燃煤炭及围岩中存在着大量的孔隙，且不同程度的含有一定的水分。当地下存在热源时，热蒸汽可改变岩石中孔隙的含水性，根据J.E Gingrich所做的有关射气系数实验表明，孔隙水的存在可增加孔隙中的射气系数[16]。所以，地下热蒸气的作用就可增大岩石孔隙中的射气浓度。

同时由于温度场的存在使得水温升高和水的矿化程度增大，这两点降低了氡在水中的溶解度，从而解析出氡。氡在不同温度的水中的溶解度见表3-5。

表3-5 氡在水中溶解度与温度的关系 T（℃） 0 5 10 a（%） 0.510 0420 0.351 T（℃） 20 30 40 a（%） 0.254 0.195 0.159 T（℃） 50 60 70 a（%） 0.136 0.125 0.117 T（℃） 80 90 100 a（%） 0.112 0.110 0.108 3.3.3 岩层裂隙和通风状态对氡运移的影响

研究表明，岩体介质具有一定的渗透性或有效孔隙度，岩体就是一种空隙介质，在采空区或巷道中产生火和火区的发展过程中，由于燃烧，造成了岩体裂隙的开放性，使岩体介质的通道增加、增大。采空区上层和巷道上层以及附近的各种破碎矿岩、充填体都是具有大量裂隙的松散介质。这些介质中空隙通道的形成，产生了氡运移、渗流的有利条件，在同一压力的作用下，射气介质的孔隙度越大，氡析出通量密度也越大。

泰纳(A.B.Tanner)曾总结了氡运移过程：对岩层中氡及其子体运移规律有直接影响的主要是通过多孔介质岩体扩散载运过程。这一过程又可分为：①未饱和、未扰动的岩体中的氡扩散；②未饱和但扰动了岩体中的氡载运；③饱和岩体中氡运移。在矿井火区上部岩层和土壤中这3种氡的运移方式同时存在。

压力梯度是产生空气渗流的动力。根据达西定律：

v?kd? udx渗流速度(v)的大小和方向取决于压力梯度(d?/dx)的大小和方向。 式中 v—沿x方向氡渗流量速度；

ρ—氡源体厚度；

u—垂直x方向的截面积；

k—氡的渗流系数(压力梯度的方向取决于压力，由低到高为正，渗流

方向则由高到低为正) 。

氡渗流形成氡分布和析出的异常状态取决于矿岩性质、氡渗流的方向和渗流量的大小。矿井在正压通风时（由附近的风机和自然风压共同形成），风压将会对火区有一定的影响作用，并且由于火风压，此时火区上部的压力梯度为负，渗流方向指向上层岩体为正，这时渗流方向与氡的扩散析出方向相同，所以上层岩体的氡析出通量密度将随压力值(P)的提高而增大，其值将会出现比较大的异常。这是因为空气的渗流一方面将靠近火区岩体孔隙中一部分高浓度氡载运到低压区（离火区更远的上面岩层中）。同时由于火源的因素，使得火区上方形成相对干燥的空间，并使附近岩层含水量减少，从而引起氡团簇的自行向上运移。另一方面改变了岩体中氡的浓度分布，可能使附近（包括岩体周围的地层）的氡得到重新分布。氡浓度分布的改变，将引起岩-气界面间氡浓度梯度的变化。岩-气界面间氡浓度梯度的减少，氡扩散析出通量密度将相应减少。反之，负压通风时，氡渗流方向为负，且指向矿井内部通道，这时岩-气界面间氡浓度梯度将增大，氡的析出为渗流-扩散析出，其析出通量密度将随渗流速度(或负压差)的提高而越来越小，最终趋于某一极小值。需要指出的是，在火源的作用下，氡主要的运移依然朝上层地表方向进行，这里的极小值相对于正压通风时有一个小程度的下降。

岩体空隙度或渗透性是影响氡渗流速度值的另一个重要原因。在同一压力梯度作用下，岩体空隙越大，氡的渗流速度及氡析出通量密度越大。岩体孔隙度的不同，将由于两种风压状态(正和负)所引起的氡析出通量密度之差不同，岩体渗透性越小，这一差值亦越小。当岩体十分致密时，两种风压状态将不会引起岩体中氡析出有多大变化，这时的氡析出将主要为扩散析出。

3.4 测氡法在探测地下火区的研究

在同样的地质地层条件，当地下煤层发生氧化升温或自燃时，其周围及上覆岩层中天然放射性氡的析出率增大。由于氡衰变时的离子交换作用，使其反映到地表而形成放射性异常，该异常可作为反映温度的信息而被检测出来，这就是同

位素测氡法探测煤自燃的原理。检测数据经过专用的计算机处理后，可得出火源位置及发展趋势。

3.4.1 煤升温过程中氡的析出实验

本实验采用的是测氡实验炉，具体结构如图3-2所示。测氡炉内上层未填充任何介质材料，装煤样炉体净高1m，底盘直径1m，装煤70cm高，所取温度为煤与空气分界面处的温度，在煤的加热升温过程中，采用RAD-7连续测氡仪测氡。所采用的煤样为山西省西山矿务局官地矿刚开采出来的煤，煤的颗粒2mm～25mm之间，测量所得数据见表3-6。本实验共耗时13天，升温过程平稳。

排气口装绝热层流量三计通阀空气380V控制主机电源控制泻料口气相色谱仪 料温控箱电 热 管220V煤 样氮气入口测氡仪

图3-2 策动炉结构示意图 表3-6煤升温过程中氡析出关系表 温度（℃） 17.2 18.3 19.4 20.5 21.6 22.7 23.8 24.9 26 27.1 28.2 29.3 30.4 31.5 32.6 33.7 34.8 35.9 37 38.1 39.3 40.4 41.5 氡值(Bq/m3) 14.3±181.5 14.4±98.5 14.3±79.3 15.9±77.5 14.7±59.6 16.8±58.9 19.9±58.4 28.1±48.6 45.1±61.5 85.6±54.8 85.6±54.8 89.5±24.9 126±28.7 134±24.3 138±35.6 145±39.8 165±45.2 168±45.9 185±46.2 199±44.6 245±42.6 266±45.1 271±43.5 温度（℃） 42.6 43.7 44.8 45.9 47 48.1 49.2 50.3 51.4 52.5 53.6 54.7 55.8 56.9 58 59.2 60.3 61.4 62.5 63.6 64.7 65.8 66.9 氡值(Bq/m3) 279±41.8 334±45.9 405±50.3 412±51.4 387±50.1 440±53.7 435±54.4 505±56.8 429±54.5 500±57.6 478±57.0 466±57.8 545±61.1 532±60.3 591±63.1 563±62.7 591±63.3 613±65.0 565±62.7 527±61.1 546±62.3 569±63.1 556±63.2 温度（℃） 68 69.1 70.2 71.3 72.4 73.5 74.6 75.7 76.8 77.9 79 80.1 81.2 82.3 83.4 84.6 85.7 86.8 87.9 89 90.1 91.3 氡值Bq/m3 388±54.2 362±54.0 398±55.5 385±55.0 374±53.7 390±53.7 407±55.2 447±57.5 392±55.8 419±56.3 466±58.1 480±59.3 405±55.6 406±55.2 223±108 289±47.4 413±53.2 429±53.6 425±53.6 425±54.6 412±53.4 418±54.2 忽略仪器认为的误差后制作的煤升温过程中氡析出率的图，见图3-3。 煤升温过程中氡析出率变化图700600500400300200100017.228.239.350.361.472.483.4温度氡值（Bq/m3）氡值

图3-3 煤升温过程中氡析出关系图

由图3-3可见，随着煤的升温，氡的析出有明显的增大趋势，但是到了分界面温度为61度时开始有下降趋势，以后随着煤的升温，氡的析出比较平稳且有所下降。这说明了，第一，煤炭在高温状态下析出氡速度比常温状态下快；第二，随着氡的不断析出，煤中所含氡量有所下降，这和煤本身的物理性质有关。因此，煤层发火一段时间（几天—几十天，与温度高低相关，由于这个原因，因此本实验不具备普遍代表性，没有对数据进行拟合）后，由煤层析出的氡含量会有小幅度的降低。

3.4.2 同位素测氡法探测地下火区的综合研究

在地下发生火灾时，地表的土壤或岩层中会表现出较高的氡值异常。通过现场3000余个测点的测量，普遍表现为地下火灾能够引起地表氡值增大，其值通常比正常土壤和岩层中析出的氡值高出1个数量级以上。

为了验证上述理论和应用测氡法探测火区，且由于无法进行实验室模拟的情况下，做了以下现场实验。

一、不同介质地表层对收集氡气的影响

实验地点为山西省晋城泊村煤矿原存煤仓库，面积为90m×90m，（在建有房屋和旧井等处及其附近未布置测点）近地表60cm至100cm处绝大部分为煤，含有极少量岩石，地表状况平坦，湿度适中。共布置测点共110个。一类孔，孔径15cm，标准圆柱形，孔深50cm，共有70个，其中35个测孔覆盖煤（1），35个测孔覆盖粘土（2）；2类孔20个，孔深80cm-110cm，上孔径30cm、下孔径10cm，全部挖掘至粘土层，且全部覆盖粘土。3类孔20个，孔的规格同2类孔，其中10个测孔覆盖煤（1），10个测孔覆盖细沙（2）。其中共同编号为1、2、4、5、6、7、9、10的3类5种测孔布置的位置间隔为1m，应视为同一地点。

测量使用α杯积分测量，使用CD-1α杯测量仪，全部计数3分钟，所得数据为计数，无单位，由于缺乏设备无法将计数转变为氡含量值，故没有对数据进行处理，但数据可以准确反映氡含量的相对值。该测氡仪最小读数为1，在计量含氡量极小的空气中会出现一定误差，属于正常测量误差。测量数据见表3-7和表3-8，其中空气中测量20次。

表3-7 不同覆盖物和地层中所测氡值的变化

孔分类 空气中 1类（1） 1类（2） 2类 3类（1） 3类（2） 最大值 2 6 12 44 29 27 最小值 0 1 1 16 9 12 平均值 0.55 2.86 4.14 24.66 15.51 15.37 可靠分析 可靠 不可靠 不可靠 可靠 相对可靠 相对可靠 表3-8 同一地点不同埋杯方式所测氡值对照表

孔编号 1类（1） 1类（2） 2类 3类（1） 3类（2） 1# 3 6 18 29 17 2# 1 2 19 11 12 4# 6 12 33 21 14 5# 2 3 21 9 19 6# 1 4 44 19 17 7# 4 4 31 11 27 9# 1 3 17 10 13 10# 4 5 18 9 14 平均值 2.75 4.875 25.125 14.875 16.625 从上面的实验并结合实际探火经验分析得出，在使用α杯积分测量掩埋α杯时，其覆盖层以细腻的粘土为最佳，粘土的湿度以较为干燥效果最佳。近地表层以性质同样的粘土最佳，黄土次之，砂土更次，岩石层最次，覆盖物亦有这样的变化。深度以30cm～50cm为佳，但是深度大于50cm时基本不影响测量数据，深度不足30cm时测量数据明显偏小，严重影响测量精度。

二、地表有裂隙时对收集氡气的影响

由于采空区的塌陷，往往会在地表出现可见的裂缝，为了弄清楚裂缝对氡气收集的影响，在地质条件较好且地表有明显裂隙时，做了2次现场实验。

第一次是在山西省长治市襄垣县新庄煤矿附近，采用其他手段分析表明，在实验区域内下方200米的采空区内有明火，试验区域及其附近全部由黄土覆盖，地层构造简单均匀，无断层、地下河等地质构造，黄土层厚度约为30m，地表平坦。试验在2条30m长的裂缝附近进行，裂缝宽度为14cm至34cm，裂缝间距离为2.3m至7.6m，采用上述仪器设备现场测量，在裂缝附近两边50cm、100cm、200cm处分别布置了4个测点，点间距4m至12m不等，共计48个测点，孔深50cm，用黄土掩埋，湿度适中。实验日期距离首次发现火情为46天，测量数据见表3-9。

表3-9 地表裂缝附近所测氡值

测点 裂缝1右侧50cm 裂缝1右侧100cm 裂缝1右侧200cm 1# 5 5 7 2# 9 13 7 3# 1 2 4 4# 4 6 14 平均值 4.75 6.5 8 裂缝1左侧50cm 裂缝1左侧100cm 裂缝1左侧200cm 裂缝2右侧50cm 裂缝2右侧100cm 裂缝2右侧200cm 裂缝2左侧50cm 裂缝2左侧100cm 裂缝2左侧200cm 2 1 4 3 3 3 4 5 7 4 3 2 11 2 6 1 2 3 7 5 3 5 9 8 0 2 13 5 7 3 2 2 3 3 7 6 4.5 4 3 5.25 4 5 2 4 7.25 在距离裂缝20米至30米处（地下有火区，并且避免了其他区域裂缝处）用同样方法分别测了20余个点，测得氡的最大值743，最小值17，平均值187.4。同时在远离火区测量了地表土壤内的氡值，测量了10个点，最大值39，最小值22，平均值为28。

第二次在山东枣庄矿务局柴里煤矿附近一采空区上方进行试验。由地下钻孔和气样分析得知在实验区域内下部400m深的采空区内发生明火，试验日期距离首次发现火情为28天，试验区域及其附近全部由粘土覆盖，地层构造简单均匀，无断层、地下河等地质构造，粘土层厚度约为40m，地表平坦。试验区域为25m×25m大小，区域内有可见裂缝7条，裂缝宽度在3cm至13cm之间，裂缝间距在0.3m至6.5m范围内，在区域内均匀布置测点，间距为5m×5m，共布置36个测点，测量布点和裂缝位置见图3-4（图中×代表测点，线条代表裂缝）。测量数据分析见表3-10。

a1a2a3a4a5a6b1c1d1e1f1f6

图3-4 测点及裂缝位置示意图 表3-10 裂缝附近所测氡值

列编号 a行 b行 c行 d行 e行 f行 1# 2 5 14 5 7 13 2# 11 4 5 7 14 11 3# 1 5 12 9 13 6 4# 7 11 16 4 9 7 5# 5 1 4 12 12 9 6# 9 6 3 17 4 3 7.86 总平均值 在距离裂缝20m至50m处（地下有火区，并且避免了其他区域裂缝处）测量了20余个点，测得最大值476，最小值42，平均值167.4。同时在远离火区测量了地表土壤内的氡值，测量了10个点，最大值54，最小值19，平均值为31。

由上述实验可见，地表有明显裂缝时以及覆盖层为煤、沙子时，对于收集氡气极为不利。地表裂缝和覆盖层为煤、沙子等松散介质时，应将这一表层近似视为大气层，近似程度试介质松散度、空隙率、颗粒大小而定，其介质之间的空隙非常大（甚至非常接近1，为1时和大气等同），氡在这种情况下的运移以对流扩散为主，而氡及其子体形成团簇的运移没有起决定性作用，此时测量的并不完

全是土壤或岩层中的氡，测量所得的氡值反映的是处于土壤（岩层）和大气的中间介质层氡气含量和运移状态。因此，这些实验所得结论与3.2.2节所得结论完全吻合。

同时，在进行同位素测氡法探测地下火区后，作火区划分时还应进行下列情况的处理：一，在有地质构造的地表测量，发现异常时，应考虑构造因素，进行相关处理；二，在山区测量所得数据，视山势变化，对数据做裂缝情况的相应处理，尤其在悬崖边布置的测点数据；三，在水域附近，由于水气影响会使得测量数据偏高或出现异常高的错误情况；四，需要准确收集该地区地表氡的普遍含量；五，地表湿度过大（采用CD-1α杯测量仪时水气会影响仪器正常工作，且形成烂泥时，氡气析出速度将明显减慢）和极度干旱（极度干旱大部分在沙漠等特殊环境中，地表空隙率比较高，地表蓄水少或无法蓄水），所测值不能准确反映地下火区情况；六，在地表为煤、沙子等松散介质时，应根据情况加大埋杯深度；七，目前由实验所得测量深度为500m时，测量结果准确可靠，对于更深的地下火区，氡运移的情况还有待分析和试验。

第四章 胶体防灭火的特性研究

4.1 胶体防灭火材料类型

煤矿防灭火材料的胶体不同于化学中的胶体体系。化学中的胶体体系指微小颗粒的分散体系，而矿井防灭火所用的胶体主要指水的凝胶、假凝胶、或较浓的泥浆等形成的类似凝胶的体系。一定浓度的溶胶、大分子混合物的真溶液或其它分散体系自动形成凝胶的过程称为胶凝。在胶体灭火材料中，大量水被机械地包藏于具有多孔结构的凝胶孔洞中、吸水性粘土矿物的层间或高分子材料的链段结构中，呈半固体状且难以流动。胶体灭火材料有一定强度，具有固体的某些特征，但它又不同于固体，是由固、液两相组成。根据材料性质和成胶原料的特点，胶体防灭火材料可分为凝胶类、稠化胶体类和复合胶体类三种类型：

(1)凝胶类：它包括溶胶或真溶液通过化学反应形成一种不能流动且具有一定几何形状的材料，吸水性粘土矿物或吸水性树脂等吸水后形成的凝胶颗粒堆积而成的假凝胶。

(2)稠化胶体类：向黄土、粉煤灰、细砂和矿粉等浆液中加入少量某些材料(基料)，使浆液粘稠度增加，宏观上更加均匀，具有良好的触变性，管道流动性好。流动中不易沉降。稠化胶体与煤壁附着性较好，一定程度上能充填煤中的裂隙。

(3)复合胶体类：从成因上看，复合胶体分为三类：①向泥砂或粉煤灰的浆液中加入少量高分子添加剂，由于高分子材料的架桥作用，使浆液形成几乎不能流动的复合胶体：②泥砂、粉煤灰等浆液中加入某些胶凝原料，通过化学反应使其失去流动性而形成复合胶体，这类复合胶体中的固体颗粒仅起充填作用，不参与网状骨架结构：③泥浆中加入较多吸水性材料(如吸水性粘土矿物、吸水树脂等)，吸水材料吸附了大量水分，使浆液失去流动性，制成复合胶体。

凝胶显示出固体的某些特点，如有一定的几何外形、有一定的强度、具有弹性和屈服值等。但是，从内部结构看，凝胶和固体又不一样，它由网状结构和分散介质两相组成。在新形成的水凝胶中，不仅搭成的网络结构是连续相，分散介质也是连续相，这是凝胶的主要特征。假凝胶是浓度很高且难以流动的悬浮体。在假凝胶中，由于分散相(基料)所占比例很高，控制着大量溶剂而形成高浓度、失去流动性的悬浮体。在外力作用下，悬浮体颗粒间可发生相对滑移，但不会破

坏化学键，因而其性质不变。复合胶体和稠化胶体中都加入了一定量的粉煤灰、黄土、细砂或岩粉等颗粒物，称之为骨料。骨料的加入不但可提高胶体的强度和耐高温性，而且可以降低基料的用量。

稠化胶体、复合胶体和凝胶都具有优良的防灭火性能，但在矿井防灭火中又有各自独特的性质。因而在火灾处理过程中经常需要根据不同的矿井条件和发火特点，选择不同类型的防灭火材料。

4.2 成胶时间及影响因素

矿井灭火一般选择成胶时间在几十秒至十分钟之间的成胶原料。根据不同的使用条州，要求胶体有不同的成胶时间。用于封闭堵漏和扑灭高温火源，成胶时间应控制在混合液体流出注胶口30秒内，用于阻化浮煤自燃，成胶时间应以混合液体喷出注胶口5～10分钟为宜。成胶时间对胶体灭火工艺影响很大，有时需要根据胶体材料的成胶时间选择注胶灭火工艺，有时则需要根据工艺要求来选择成胶材料或控制成胶时间。

成胶是一个从初凝到终凝的渐变过程，成胶时间就是终凝时间，即从基料和促凝剂的水溶液混合开始到胶凝结束为止的时间。在化学反应形成凝胶的过程中，通常溶液的透光率逐渐减小，形成凝胶后，透光率趋于极小值。从初凝到终凝渐变过程透光率变化曲线如图4-1所示，因而可用光电法来确定成胶时间。

A透明度对于复合胶体和高分子凝胶，前者是在泥浆里配制的，透光率始终很低，而高分子凝胶成胶过程中体系一直是透明的，其成胶时间都不能用光电法来测

（t0tT(时间)

图4-1 成胶时间与胶体透明度曲线图

）定。复合胶体和高分子胶体在制备过程中流动阻力增加明显，成胶前材料粘度最小，成胶过程中逐渐加大，最后趋于某一极限值，可以通过测定成胶过程中体系流动—阻力曲线来确定胶凝时间。

4.3防灭火胶体材料的选择

能成为胶体的材料众多，但并非每种材料都适用于煤矿井下煤层自然发火防治。根据煤矿火灾特点，矿井灭火用胶体材料必须具各以下特点：(1)无毒无害，对井下设备无腐蚀，对环境无污染；(2)渗透性好，能进入松散煤体内部；(3 }具有良好的耐高温性，在高温下不会迅速汽化，且吸热降温性能好；(4)有一定的堵漏性和阻化性，阻止煤再次氧化而复燃；(5)成本低廉，成胶工艺简单，便于现场应用，符合煤矿井下煤层自然火灾防治要求。

根据上述要求，在众多胶体材料中选择适合煤层防灭火的胶体材料。 4.3.1 稠化胶体和复合胶体材料的选择

复合胶体和稠化胶体都是泥浆和少量基料混合制成的。由于二者形态不同，所用基料既有相同之处也有不同之处。泥浆中含有大量离子，即其盐度较高。故生成复合胶体的基料要有一定耐盐性。一般情况下，有一定的耐盐性且能在水中制备凝胶的原料都能在泥浆中生成复合胶体，胶体中泥浆颗粒充填在网状胶体结构之间，一般仅起充填和增强作用。 (1)无机矿物类基料

吸水性粘土或交联的吸水树脂为基料形成的复合胶体或稠化胶体，是由于吸水材料吸收了大量水分体积膨胀的结果。一般情况下，吸水粘土对含有一些盐分的泥浆水也有较强的吸收能力，水质对其吸水性影响不大。因此，吸水性好的粘土矿物物通常可用作复合胶体或稠化胶体的基料。与粘土矿物相比，交联的吸水树脂具有更强的吸水能力。一些由一种单体聚合生成的吸水树脂对蒸馏水的吸收性很好，但其吸水性受介质条件影响很大，在含有大量离子的泥浆中，吸水性下降很明显，因而制备复合胶体的效果不很理想。因此，多种单体共聚，形成含有多种亲水官能的吸水高分子材料以及有机-无机材料形成的复合型吸水材料是理想的复合胶体基料。

(2)线性高分子基料

线性高分子为基料的复合胶体是由于线性高分子链段控制了大量水分子，并且高分子链段与泥浆颗粒间发生架桥作用的结果。一般来说，嵌段共聚物和接枝共聚物对形成稠化胶体是有利的。高聚物吸附层厚度越大通常越稳定。水对高分子材料的溶解性或亲合性越好，分散性通常越好。鉴于这些原因，稠化胶体基料通常选择亲水性好的嵌段共聚物或接枝共聚物，这些聚合物能够吸附在泥浆中的固体颗粒表面。吸水倍数较高的吸水矿物和高吸水性树脂通常是较理想的复合胶体基料。例如，FHJ16复合胶体添加剂用量仅为0.03 %～0. 05%。即可使较浓的泥浆成为不可流动的复合胶体。 (3)稠化胶体的基料

为了实现远距离管道输送并提高浆液的防灭火性能，需要防止泥浆沉降和对其进行增稠。复合胶体通常也需要将一定浓度的泥浆(或粉煤灰浆)自地面灌浆系统输送到井下发火点，然后再用设备添加胶凝剂使之胶凝。这种注胶工艺要求浆液有较好的流动性，且在输送过程中不堵塞管路，稠化胶体的基料就能实现这一功能。

向浆液中加入少量具有悬浮分散作用的添加剂可以改善浆液的流动性。分散剂一般都是亲水性较强的表面活性剂，其疏水链多为较长的碳链或成平面结构，如带有苯环或萘环，这种平面结构易作为吸附基吸附于具有低能表面的有机固体粒子表面而以亲水基伸入水相，将原来亲油的低能表面变为亲水的表面。对于离子型表面活性剂还可使固体粒子在接近时，产生电斥力而使使固体粒子分散。对于亲水的非离子表面活性剂可以通过长的柔顺的聚氧乙烯链形成的水化膜来阻止固体粒子的絮凝而使其分散稳定。分散剂还有改善浆液流动性的作用，能够降低流动阻力，因而有利于管道输送。

稠化胶体添加剂一般都具有表面活性剂的性质，在粉煤灰和黄土的浆液中加入稠化胶体添加剂后，由于其中的亲水和亲油基团可显著地改变液-固界面性质，引起表面张力降低，因而分散系更加稳定；FCXF12型稠化剂实质上是一种流变助剂，加入后能使溶液增稠，改变和调节粘度，防止沉淀，赋予良好的物理机械稳定性，控制施工过程中的流变性，从而能改善复合胶体灭火工艺。

4.3.2 复合胶体添加剂FHJ16的配方选择

亲水性高分子材料可分为体型材料和线性材料两类。许多亲水性高分子材料都能形成有机凝胶。像蛋白质、明胶、经表面处理增强了亲水性的淀粉、纤维素等大然高分子材料，都能够形成水凝胶。近年来人工合成的高吸水树脂也越来越多，它们也能吸收大量水分而形成凝胶。常用的人工合成及改性吸水高分子材料有水性聚氨酯树脂、乙烯醇、丙烯酸、甲基丙烯酸、丙烯酞胺、马来酸酐的聚合物，改性淀粉(如羧甲基淀粉、羧烷基淀粉、乙酸脂淀粉、接枝共聚淀粉等)、纤维素醚(如羟甲基纤维素、羟乙基纤维素、羟丙基纤维素、水溶性乙基羟乙基纤维素等)和黄原胶等。用作矿井灭火胶体基料的亲水高聚物材料必须无毒无害，对环境无污染；必须有较大的吸水系数和较好的耐盐性。少量添加材料就能吸水形成大量的凝胶；应尽量选择原料来源广泛，合成工艺简单的材料，以降低添加材料的成本。

矿井防灭火胶体一般采用自来水或水质较差的矿井水制备。所用水的矿化度较高，含有大量金属离子。一些由一种单体合成的亲水高分子材料对蒸馏水的吸收能力很强，但是由于这种吸水树脂中亲水官能团比较单一，其吸水性受介质条件影响很大，用含有大量离子的矿井水或自来水和这种树脂来制备胶体效果不理想。因此，常用多种单体共聚，形成含有多种亲水官能团的吸水高分子材料作为胶体防灭火材料的基料。

根据以上原则，我们合成了A， B， C， D四种高分子材料，对其性质进行对比研究，以选择作为添加材料中主要成分的高分子原料：

A是一种白色粉状的体型高分子材料，其结构骨架是C－C键组成的三维网状结构，交联度较低，但不能溶解，只能溶胀。A中含有大量亲水基团，在水中能与水发生溶剂化作用，生成含水量很高的胶块，长时间溶解可形成透明液体。用手触摸液体可感觉到其不均匀性，说明每一个微小的A粉料在水中可形成一个胶团。由于交联键较少，A的胶团刚性较差，可发生有限的形变。用玻璃棒在A形成的胶中蘸一不，可以粘到大量肉眼可以看见的胶体团块。A的胶体团块在重力作用下局部变形，形成拖着较长尾巴的团块状透明体。

B，呈白色粉状，是一种由天然高分子材料表面改性和接枝形成的。材料B是交联高分子材料，在水中不能溶解。但这种材料的亲水性很好，能够很快吸水

溶胀，这样每一小块粉状材料在水中可吸收大量水分形成无色透明的胶块。胶块的刚性较好，具有一定的形状，在较小的外力作用不发生弹性形变，撤去外力后其形状可以恢复，外力较大时可将胶块撕碎。

C是一种分子链很长的线性高分子材料，它在水中能很快溶解，成为高分子溶液。该溶液在浓度很低的情况不具有较高的粘度，在较小的剪切外力作用下，这种溶液可发生流动，但阻力很大。随着剪切速度增加，阻力降低，最终稳定在一个较低值，也就是说，该材料表现出明显的触变性。撤去外力后，较浓溶液的形变可局部恢复，即它还具有粘弹性。

D是一种线性高分子材料，其结构与C相似，但水解度比C小，合成工艺与C也不相同。

FHJ16复合胶体添加剂原料组成： (1)主要组分

A，B与C，D的差异在于A和B是交联高分子材料，在水中只能发生溶胀，而不能溶解，充分溶胀的时间较长。粒状交联高分子材料吸水后，仍然是分散的颗粒，只有当溶液中大部分自由水分子被吸收后，水的粘稠度明显增加。因此这类材料成胶用量较大。A或B的胶体附着力大，一般固体表面都能附一着一层小胶粒。C和D是线性高分子材料，它们在水中可无限溶胀最终形成溶液。水中加入少量这种材料，其粘度即可大幅增加，由于链段间的物理交联形成凝胶，因而成胶用量少。B和D的胶体分别是优良的体型和线型高分子胶体。FHJ 16复合胶体添加剂的主要组成就是用粒度小于0.6mm的B， D的混合物，D占其有机成分的80%以上，B占有机成分的5%－10% 。另外还加有少量能调节表面张力和具有阻化性的组分。FHJ 16胶体的总体性能超过了A、B、C、D四种材料的胶体。

(2)胶体润湿性的改善

在胶体性能实验中，还开展了B、D两种材料的胶体对木材、纺织品等可燃物的润湿性方面的研究。研究发现B在水中由于呈两相混合态，它们与木材等的润湿性主要取决于水，而D由于自聚力很强，表面张力很大，因此B、D混合物的水胶体与可燃物的润湿性不很好。为改善这一情况，在复合胶体中还加入了极少量的表面活性剂S、B、D混合物中加入少量表面活性剂S后，其内聚力

有所降低，与可燃固体表面的润湿性明显增加。复合胶体的粘性大，低剪切速率不在固体表面流动阻力大，因而能在固体表面停留较长时间，因而复合胶体的粘度是其主要性能。向胶体中添加其它材料必须以不影响胶体粘度或对粘度影响较小为原则。

为研究表面活性剂S对B、D的水胶体粘度的影响，向B、D的混合物(B与D的重量比为8：1)中加入不同比例的S，制成各种添加材料样品。将各样品与水制成胶体，并对胶体的粘度进行测试。实验过程中，固体添加剂浓度为0.2%，采用旋转粘度计4号转子测其粘度，实验转速为60r/min。粘度实验数据如表4-1和图4-2。从表4-1和图4-2可见，加入少量S后，表观粘度增加，随S添加量增加，表观粘度也增大。直到S添加量为固体物的10%时，达到最大值。加入S后的添加剂形成的胶体容易在固体表面形成一层液膜，因而更利于灭火。从胶体综合性能考虑，S占添加剂中有机成分的7%左右。

表4-1 B、D混合中S添加量与所成胶体的粘度关系

添加剂组成（总重量100%） A+B（%） 100 97 95 93 90 85 80 75 120.0100.080.060.040.020.00.00357101520S占固体添加剂重晕百分比/%添加剂 添加量 0.2% 0.2% 0.2% 0.2% 0.2% 0.2% 0.2% 0.2% S（%） 0 3 5 7 10 15 20 25 实验粘度系数 49.0 56.5 57.5 61.0 99.5 39.0 36.0 35.0 加0.2%添加剂时的粘度/MPa·s

图4-2 S含量与胶体粘度的关系曲线图

(3) FHJ16复合胶体添加剂中的无机组分

为了提高胶体的灭火消烟性和阻化性，对各种阻燃剂进行对比，选择了具有一定消烟性和阻燃效果的F作为其中的主要无机组分。F是一种粒度极小的无机物，它在高温不能迅速膨胀，促使物体表面惰化，从而终止燃烧反应。F在水中不能溶解，只能以微小颗粒悬浮在水中。在复合胶体中，F不与胶体间发生任何化学作用，只能有限的改变大分子间发生物理交联，从而引起流动阻力增加。为研究F对B，D，S的混合物的胶体的影响，向胶体中加入不同浓度的F，并在旋转粘度计上观察粘度的变化。图4-3反映了F的浓度与复合胶体粘度之间的关系。从图可以看出，在F浓度为0.2%以不时，F的加入量对胶体的粘度几乎没有影响。随着F的继续加入粘度略有不降。F浓度为1%时(为有机物添加总量的三信多)，粘度不降量约为3%。因而F与其有机成分有很好的相容性，对材料粘度影响极有限。

粘度（mPa·s）37036536035535000.10.20.30.4F浓度（% W/W）1

图4-3 F浓度对复合胶体粘度的影响

根据上述研究，选择D， B， S， F为FHJ16复合胶体添加剂的主要成分。根据各自所起的作用及其对性能的贡献，确定各用量为：D占到添加剂的80%－85%左右，B约占5%，S约占5%－10%，F约占3%－5%。由于各组分均为粉状固体，所形成的复合胶体添加剂亦为粉状。粉状添加材料的容重为1.3－1. 5g/cm3，在干燥的条件下复合胶体添加剂不团聚，胶体材料略有吸潮现象，干燥的添加剂在80℃以上可局部缓慢分解，从而使其性能有所降低，因此应在低温干燥环境中保存。

4.3.3 稠化胶体FCXF12的配方选择 (1)稠化胶体的制备

灌浆是常用的矿井防灭火技术之一。一般情况下泥浆浓度越大则防灭火效果越好。但是泥浆浓度过大，则流动性很差，容易堵塞管路。并且由于制浆时需要大量粉煤灰或黄土，有一定运输成本，故浆液浓度越大成本越高。向水或泥浆中加入少量增稠剂和分散剂，即形成粘稠的稠化胶体。稠化胶体中固体物浓度虽不高，但在低切变下的表观粘度高，注胶效果比相同浓度的泥浆更好。稠化胶体具有触变性，管道输送时其流动阻力不大，而且其分散性较好，不会堵塞管路。 稠化胶体和假凝胶都是粘稠的分散系，从结构上看少{无很大区别，但假凝胶难以自然流动，而稠化胶体仍有一定的流动性。高聚物基料与泥浆制各的稠化胶体分散性好、不易沉降、具有触变性，因而防灭火效果较好，应用也比较广泛。 影响稠化胶体悬浮性的因素一般有3种：①基料与浆液颗粒的结合方式，嵌段共聚物和接枝聚合物基料分子的一端可“锚”在胶粒表面上，另一端伸向溶液，形成空间位垒，阻碍胶粒聚在一起，因而悬浮性好；②高聚物基料形成的吸附一层厚，一般厚度越大越稳定；③基料与分散介质的关系，亲水性越好的基料效果越好，否则容易导致胶体絮凝。上面阐述了胶粒吸附—高聚物的情况，若胶粒对高聚物是负吸附，胶粒表面层内的高聚物浓度低于体相中的浓度，导致胶粒表面生成空位层，使胶体变得不稳定。 (2)几种稠化胶体基料的材料性能对比

为了研究各种稠化添加剂对粉煤灰和黄泥浆液悬浮性的贡献，选取PA，PD， PE，PH，PL，PO和WS九种高分子增稠剂进行实验。实验时，先将粉煤灰在烘箱中，1100℃下加热6h，使之干燥。然后称取一定量烘干的粉煤灰，置于1000mL的烧杯中，量取300mL自来水，倒入有粉煤灰的烧杯中，搅拌使之混合均匀。用电子天平称取一定量的添加剂，加入到粉煤灰浆液中，注意边加添加剂边搅拌，防止添加剂在水中结成团块。待添加剂在浆液中溶解开后，再搅拌1 min，然后终止搅拌，开始记时。停止搅拌后，浆液中的粉煤灰逐步沉淀，上层出现清液。记录上层清液(或清液不混浊层)高度的变化。实验结果如表4-2所示。

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