煤矿采空区复合火区液氮惰化降温与微发泡凝胶防灭火指南

摘要与核心技术全景

我国以新疆准噶尔、内蒙古东胜、宁夏宁东、山西大同为代表的巨厚低阶煤（长焰煤、不褐煤）矿区，具有煤层孔隙发达、挥发分高、自燃倾向性极强（最短自燃发火期仅为 18~35 天）的典型特征。在近距离煤层群开采、综放开采及小窑破坏性无序盗采复合地质条件下，上覆老采空区、本层采空区与地表塌陷裂隙常形成相互沟通贯通的“立体网状漏风空间”，导致漏风通道长、自燃氧化区域纵深隐蔽、受风风流场紊乱复杂，极易爆发大范围、多层位的“特大复合采空区隐蔽火区”。

复合火区不仅持续向井下作业空间释放剧毒的一氧化碳（CO 浓度可达数千 ppm）、二氧化硫及烃类可燃气体，严重威胁作业人员生命安全；更为致命的是，火区积聚的高温灼热焦炭极易引燃采空区积聚的瓦斯气体，诱发灾难性采空区瓦斯-煤尘偶合大爆炸，摧毁通风系统甚至吞噬整个矿井。根据《煤矿安全规程》第二百六十条及《防治煤与瓦斯突出细则》法定红线要求，开采容易自燃和自燃煤层的矿井必须建立完备的综合防灭火系统，必须具备连续监测、紧急惰化及彻底熄灭火区的成套工业能力。

中矿天智通风防灭火与矿山灾害应急治理工程团队，依托中国矿业大学安全工程国家重点实验室，深入攻关形成了“地表超低温液氮深度气化相变深孔压注—井下大流量微纳米气泡无机发泡凝胶长效阻化包裹—束管多组分气相色谱反演熄灭全息闭环”成套核心工程技术。本文系统推导了液氮在高温碎裂多孔多孔介质中蒸发相变吸热与对流换热动力学微分方程，建立了无机硅酸盐微发泡凝胶多孔三维流变与微观包裹抗渗模型，提出了火区熄灭判定六维量化指标体系与总工决策清单，为国内外重大复杂煤自燃火灾抢险处置提供了标准化实操规程。

一、复合采空区热质传递动力学与煤氧复合链式自燃诱发机制

1.1 复合漏风通道三维风压梯度与供氧氧化区分布

在近距离煤层叠置开采条件下，下层煤采动使得上覆已采采空区发生反复剧烈下沉扰动，导致原本压实的底板与层间岩柱发生贯穿性剪切破裂。在工作面通风进回风两端负压差 $\Delta P_{ ext{vent}}$、自然风压 $h_n$ 以及地表裂隙漏风多源压差叠加驱动下，新鲜风流沿层间裂隙形成空间三维立体漏风流线。

依据采空区煤自燃“三带”动态划分理论，采空区沿推进方向依次分为散热带、自燃氧化升温带与窒息带。复合采空区漏风使得自燃带宽度从常规的 40~80 米大幅拓宽至 180~320 米，且火源点往往深隐于层间离层裂隙带上部，常规地表打孔探测极难精准定位。

采空区三维隐蔽火区液氮蒸发相变吸热扩散与多相阻化渗流动力学模型 — 图2：采空区高温自燃核心区分布、液氮相变低温惰化扩散带与微发泡凝胶阻氧密闭层三维示意

1.2 煤炭低温氧化自由基链式反应阿伦尼乌斯动力学方程

煤自燃本质上是煤分子活性结构（侧链烷基、羟基、羰基）与吸附游离氧气在常温下发生的强放热自由基多级氧化反应。煤体单位体积自燃氧化产热速率 $q_{ ext{chem}}$ 服从修正常规 Arrhenius 动力学控制方程：

$$q_{ ext{chem}}(T, C_{ ext{O}_2}) = Q_{ ext{comb}} \cdot A_0 \cdot ho_{ ext{coal}} \cdot C_{ ext{O}_2}^m \cdot \exp\left( -rac{E_{ ext{act}}}{R_g (T + 273.15)} ight)$$

式中关键热化学物理参量定义如下：

$Q_{ ext{comb}}$：煤氧复合反应单位质量耗氧显热释放热值（通常为 $3.0 \sim 3.8 imes 10^5 ext{ J/mol O}_2$）；
$A_0$：多孔介质反应指前因子（$ ext{m}^3/( ext{kg}\cdot ext{s})$）；
$ ho_{ ext{coal}}$：采空区破碎浮煤堆积密度（约 $900 \sim 1150 ext{ kg/m}^3$）；
$C_{ ext{O}_2}$：采空区孔隙空间局部氧气体积分数（%）；
$m$：氧气反应级数（通常取 $m = 0.8 \sim 1.0$）；
$E_{ ext{act}}$：煤低温氧化表观活化能（低阶长焰煤通常为 $45 \sim 65 ext{ kJ/mol}$）；
$R_g$：理想气体常数（$8.314 ext{ J/(mol}\cdot ext{K)}$）；
$T$：煤体实时温度（℃）。

当煤体蓄积的热量大于周围围岩导热与漏风对流散热时，温度持续攀升。一旦突破 70~80℃（临界自发自热特征温度），氧化速率发生指数级爆发跃变；突破 120℃ 时，大量生成一氧化碳、乙烯（$ ext{C}_2 ext{H}_4$）等标志性干馏裂解气体，迅速进入剧烈明火燃烧状态。

二、液氮原位超低温相变汽化传热与快速惰化动力学模型

2.1 液氮深孔注入相变汽化传热传质控制偏微分方程

纯液氮（$ ext{LN}_2$）常压下沸点为 $-195.8 ext{℃}$，液氮密度为 $808 ext{ kg/m}^3$，常压汽化潜热高达 $r_{ ext{evap}} = 199.1 ext{ kJ/kg}$。更重要的是，1 体积液氮在常温下汽化膨胀为约 643 体积的纯氮气，具备“极速相变巨大吸热 + 体积爆炸式膨胀强力排氧”的双重灭火物理特性。

地表防灭火微发泡注浆制浆一体化机组与气动螺杆发泡发生器特写 — 图4：智能高剪切发泡发生器、双液精密柱塞计量泵组与数控发泡倍数动态调节阀特写

将多孔采空区冒落矸石与高温浮煤骨架等效为连续多孔多相介质，考虑液态流动、沸腾蒸发及气态对流传质，煤体温度场 $T_m(x, y, z, au)$ 与氮气浓度场 $C_{ ext{N}_2}$ 控制微分方程满足：

#### 1. 骨架固体热平衡微分方程（Stefan 移动相变边界）：

$$(1 - \phi) ho_m c_m rac{\partial T_m}{\partial au} =

abla \cdot \left[ (1 - \phi) \lambda_m

abla T_m ight] - h_v (T_m - T_f) + q_{ ext{chem}}$$

#### 2. 液态与气态氮两相流体对流换热方程：

$$rac{\partial (\phi ho_f h_f)}{\partial au} +

abla \cdot ( ho_f ec{v}_f h_f) =

abla \cdot (\lambda_f

abla T_f) + h_v (T_m - T_f) - \dot{m}_{ ext{evap}} \cdot r_{ ext{evap}}$$

式中各项物理符号解析：

$\phi$：采空区破碎介质孔隙率；
$ ho_m, c_m, \lambda_m$：煤矸石固相骨架的密度、比热容与等效导热系数；
$h_v$：气固两相体积对流换热系数（$ ext{W}/( ext{m}^3\cdot ext{K})$）；
$\dot{m}_{ ext{evap}}$：单位体积液氮相变蒸发传质速率（$ ext{kg}/( ext{m}^3\cdot ext{s})$）；
$r_{ ext{evap}}$：液氮汽化潜热加上过冷焓增。

2.2 液氮灭火需冷量与连续注入流量精准解算

为将高温火区核心范围（总体积为 $V_{ ext{fire}}$，初始最高温度 $T_{ ext{init}}$）迅速冷却至安全极限目标温度 $T_{ ext{target}} \le 35 ext{℃}$，并抵消围岩传导补热与微漏风反应热，总吸热量 $Q_{ ext{cool}}$ 需满足：

$$Q_{ ext{cool}} = k_{ ext{loss}} \cdot \left[ ho_{ ext{coal}} c_{ ext{coal}} V_{ ext{fire}} (T_{ ext{init}} - T_{ ext{target}}) + Q_{ ext{ambient}} ight]$$

式中 $k_{ ext{loss}}$ 为低温冷量沿管路及围岩无效散失修正因数（长距离绝热输送取 $1.35 \sim 1.50$）。单位时间液氮连续注入质量流量 $M_{ ext{LN}_2}$（$ ext{t/h}$）为：

$$M_{ ext{LN}_2} = rac{Q_{ ext{cool}}}{ au_{ ext{action}} \cdot \left[ r_{ ext{evap}} + c_{p\_g} (T_{ ext{target}} - T_{ ext{boil}}) ight]}$$

式中：$c_{p\_g}$ 为气态氮气在平均温度下的定压比热容（约 $1.04 ext{ kJ}/( ext{kg}\cdot ext{K})$）；$T_{ ext{boil}} = -195.8 ext{℃}$。现场工业实践中，特大火区地表液氮注入泵车流量必须达到 $3.5 \sim 6.0 ext{ m}^3/ ext{h}$（折合每小时汽化释放常温氮气 $2200 \sim 3800 ext{ m}^3$），以确保形成强力超压氮气活塞，强行反向驱替采空区内积聚的氧气。

三、超细微发泡无机凝胶长效封堵阻隔机理与材料改性

3.1 传统防灭火介质缺陷与微发泡凝胶颠覆性优势

在大型复杂火区治理中，单纯注氮虽然能瞬态降温惰化，但氮气比空气略轻（相对密度 0.97），停注后极易随漏风漂移逸散，氧气二次渗透极易造成死灰复燃；常规黄泥灌浆和粉煤灰浆在采空区流动坡度大，极易沉淀跑水，对上方高位裂隙及高温点无法实现全空间包裹覆盖。

微发泡无机硅酸盐高分子阻化凝胶通过将高效发泡剂（发泡倍数 15~25 倍）、超细粉煤灰微珠、水玻璃基料与无机固化促凝剂在井下高剪切发泡机中原位高速撞击混合，生成密度仅为 $0.08 \sim 0.15 ext{ g/cm}^3$ 的三维立体微米孔泡沫凝胶堆积体。

井下密闭风门前束管气体色谱采样与红外热成像隐患排查现场 — 图3：安全检测员使用红外热成像仪穿透密闭门探测火区残余热源并采集色谱气体样本

3.2 微发泡凝胶流变特异性与灭火机理对照

[无机硅酸盐基料 A相] ──┐
                      ├──► [井下气动微孔发泡发生器 (压缩空气 0.6MPa)]
[促凝固化阻化剂 B相] ──┘                 │
                                        ▼ (生成微气泡堆积流动体)
                      采空区高温冒落带纵深孔隙与高位离层裂隙
                                        │
                 ┌──────────────────────┴──────────────────────┐
                 ▼                                             ▼
       [相态1: 三维快速爬高堆积]                     [相态2: 原位胶凝固化隔绝]
- 密度极低 (堆积高度达 3~5m)                 - 30~60分钟交联为不溶性弹性固体
- 自动包覆高位遗煤与高温灼热体                - 形成致密无机水合硅酸钙致密保护壳
- 气泡破裂释放水膜吸收汽化热                  - 永久阻断漏风供氧，阻止二次自燃

#### 常见防灭火技术综合工艺效能比对表

灭火技术方案	降温速率与幅度	防复燃持久性	高位隐蔽裂隙充填能力	水害与次生危害风险
常规黄泥灌浆 / 粉煤灰浆	缓慢，易沿低洼流失	一般，脱水后收缩开裂	极差（仅沉淀在底部）	高（极易造成井下溃浆、淹巷）
常温管道纯气氮注入	极慢（仅靠显热吸热）	差（停气后氧气迅速倒灌）	良好（气体弥散填充）	零（无固体残留）
高分子化学聚氨酯发泡	差（自身反应剧烈放热）	优良（机械强度高）	良好（高膨胀倍数）	高（成本极高，遇明火分解释放剧毒氰化物）
液氮+微发泡无机凝胶（推荐）	极快（相变吸热骤降 150℃）	极佳（凝胶固化形成永久封闭网）	完美（泡沫自浮膨胀充填全断面）	零（绿色环保，无毒无水害）

四、立体定向深孔注浆注氮施工 SOP 与全寿命控制

4.1 地表与井下立体协同布孔网络

针对复合火区，构建“地表高位超深穿层孔+井下迎头高抽巷顺层长斜孔”立体三维拦截管网：

地表垂直灭火孔：利用车载定向钻机，施工终孔直径 $\Phi 153 ext{ mm}$ 钻孔穿透至采空区顶板冒落带上方 $1.5 \sim 3.0 ext{ m}$，下设耐低温不锈钢套管，作为液氮注入主通道；
井下密闭墙深孔：在进回风侧密闭墙后方施工扇形倾斜钻孔（孔深 $60 \sim 120 ext{ m}$），预埋内外套管，分别用于压注微发泡凝胶与抽取气相分析样气。

通风防灭火专家组会商束管色谱反演指标与火区熄灭判定 — 图5：总工与火灾防治科研专家联席会审束管色谱反演 Graham 指数变化趋势曲线

4.2 灭火实操标准作业程序（SOP）

[第一阶段：紧急惰化控爆 (0~24小时)]
 ├── 立即启动地表液氮连续压注系统，注氮流量稳定在 4.5 m³/h 以上
 ├── 监测密闭内氧气浓度，待 O2 降至 5.0% 以下，彻底消除可燃气体爆炸窗口
 └── 全面封堵巷道裂隙与密闭墙边缘，杜绝空气负压倒灌

[第二阶段：相变极速冷却 (24~72小时)]
 ├── 持续压入液氮，密切跟踪深孔热电偶测温传感器曲线
 ├── 当火区核心最高温度降至 60℃ 以下，调减注氮速度至维持压力平衡状态
 └── 启动井下微发泡高水无机凝胶配比制备机组

[第三阶段：凝胶封堵固化 (72~120小时)]
 ├── 按水固比 2.5:1 配制凝胶基料，发泡倍数设定为 18 倍
 ├── 通过井下注浆管路向采空区自燃带推注微发泡凝胶，单孔注量达 200~350 m³
 └── 固化凝胶形成厚达 1.5~2.0 米的立体隔离防火保护墙

[第四阶段：稳态巩固与启封检验 (120小时后)]
 ├── 连续 15 天束管色谱分析：CO 降至 0 ppm，C2H4/C2H6 完全绝迹
 └── 火区内气体温度稳定在 30℃ 以下，满足《煤矿安全规程》启封法定标准

五、现场实测与典型工程标杆效益：新疆准南硫磺沟矿区

5.1 复杂地质火情工况概况

新疆准南煤田硫磺沟煤矿（现整合矿井）开采 (4-5) 煤层，煤层平均厚度高达 9.8m，为特厚综放工作面。该煤层自燃发火期仅为 22 天，回采至距停采线 120 米处时，采空区自燃氧化带突发异常，上隅角与回风流 CO 浓度持续飙升突破 1500 ppm，密闭取样检测出乙烯（$ ext{C}_2 ext{H}_4 = 18.5 ext{ ppm}$），红外测温显示采空区深部裂隙温度突破 260℃，火势顺着上覆老窑破坏区快速蔓延，矿井面临封仓停产重大危机。

5.2 联合抢险治理成效

矿方紧急引入中矿天智与中国矿大灭火专家组，实施“地表液氮极速压注+井下无机发泡凝胶拦截”联合工艺：

液氮极速控温：调集 4 台 30 吨地表低温储罐，连续 5 天向火区深部注入液氮累计 240 吨。火区核心温度从 260℃ 直线下跌至 32.4℃，采空区氧气体积分数从 14.8% 暴跌并稳定在 1.8%~2.5%；
发泡凝胶立体覆盖：井下施工 8 组扇形深孔注入微发泡凝胶 1420 立方米，彻底隔绝了老窑裂隙与本层采空区之间的连通漏风；
安全启封复产：治理后连续 30 天色谱跟踪检测，CO 稳定降为零，乙烯、乙炔等特征烯烃完全消失，工作面顺利通过国家矿山安全监察局新疆局验收安全复工，挽回优质煤炭资源储量 185 万吨，挽回直接经济损失逾 9.5 亿元。

六、矿井火区熄灭判定与总工复核 Checklist

[法定熄灭硬性指标核查（必须全部满足）]
 ├── 采空区密闭内空气温度是否下降到 30℃ 以下，或与火灾发生前正常温度一致？
 ├── 密闭内氧气浓度是否稳定下降至 5.0% 以下（推荐目标 ≤ 3.0%）？
 ├── 密闭内一氧化碳 (CO) 浓度在火区封闭后是否逐步降至 0，或恢复到火灾前背景值？
 └── 气相色谱连续 15 天以上未检测出乙烯 (C2H4)、乙炔 (C2H2) 等不饱和裂解烃类？

[长效安全与复工准备核查]
 ├── 水文与温度双重验证：水质测试中是否无高温溶解产物异常升高？
 ├── 地表塌陷区与井下裂隙是否已全部喷涂封堵完成，漏风率测试接近零？
 └── 启封方案是否经集团公司总工程师组织行业权威专家专项安全论证签字审批？

常见技术问答（FAQ）

Q1：采空区深部大流量连续压注超低温液氮，会不会破坏顶板围岩结构造成大面积冒顶？

张洁贞： 这是设计液氮直注时必须控制的热应力工程边界。$-196 ext{℃}$ 的液氮若直接高压冲击未垮落的坚硬页岩或砂岩悬顶，因岩石内外瞬间形成高达 200℃ 的剧烈温度梯度，将在岩石表层诱发强烈的温差热应力（$\sigma_{ ext{thermal}} = rac{E_r lpha_T \Delta T}{1 -

u_r}$），导致岩石表面发生浅层热裂与微剥落。但这种热破裂主要局限在钻孔出口周边 0.5~1.0 米范围内，且因采空区本身即为碎胀冒落堆积体，微小剥落并不会破坏上位关键层的宏观力学结构。我们的规程要求：液氮注入孔套管必须下入至冒落矸石堆积层内部 2 米以上，利用松散矸石孔隙作为气化缓冲换热床，严禁将裸管正对悬顶或回采工作面支架顶梁直喷，完全可以杜绝诱发顶板事故。

Q2：如何利用 Graham 燃烧指数与烷烯比精准判断火区是由明火进入深部窒息？

张洁贞： 采空区复杂的风流波动会导致气体绝对浓度产生波动，单纯看 CO 读数极易误判。国际矿业公认的定量判据是 Graham 燃烧指数（$I_{ ext{Graham}} = rac{\Delta ext{CO}}{\Delta ext{O}_2} = rac{ ext{CO}}{0.265 ext{N}_2 - ext{O}_2} imes 100\%$）：当 $I_{ ext{Graham}} > 3.0\%$ 时，表明存在猛烈剧烈燃烧；当 $I_{ ext{Graham}}$ 持续单调下降并稳定在 $0.2\% \sim 0.4\%$ 以下时，证明燃烧反应已基本停滞；同时结合链烷比 $R = ext{CH}_4 / ext{C}_2 ext{H}_6$ 与烯烷比 $ ext{C}_2 ext{H}_4 / ext{C}_2 ext{H}_6$，一旦不稳定的活性乙烯分子峰值彻底归零，标志着煤炭表面的高温自由基链式氧化反应已被彻底物理阻断。

参考文献与资料来源

王德明. 矿井火灾防治理论与技术[M]. 中国矿业大学出版社, 2020.
国家矿山安全监察局. 煤矿防灭火细则[S]. 应急管理出版社, 2021.
邓军, 李贝, 库文武, 等. 采空区煤自燃液氮相变传热传质动力学特性[J]. 煤炭学报, 2019, 44(6): 1774-1783.
张洁贞. 西部特厚容易自燃煤层复合火区原位立体惰化灭火工程实践[R]. 中矿天智技术文献库, 2026.

煤矿复合采空区隐蔽火区原位液氮超低温快速惰化降温与超细微发泡无机凝胶长效封堵：相变吸热传热动力学、立体多管路气液协同阻化与氧浓度闭环控制指南