适用读者： 煤矿矿长、总工程师、通防副总、通风科长、防灭火队长、矿山救护中队长
作者： 张洁贞｜中矿天智信息科技（徐州）有限公司高级销售经理｜中国矿业大学矿山自燃火灾防治科研团队技术合作支持
一、行业痛点与传统困境：采空区深部隐蔽火区“注不进、留不住、易复燃”
采空区大面积隐蔽自燃火灾是煤矿最严重的灾害之一。
在陕北榆林神木、府谷，山西大同、晋中，以及新疆、内蒙古等厚煤层综采与综放矿区，采空区自燃治理面临“三大世界级工程难题”：
- 常规黄土注浆“拉沟流失、无法覆盖高处火源”：采空区垮落矸石具有极强的非均质性，常规黄土浆液或水体注入后，受重力作用沿底板低洼裂隙迅速流走（拉沟现象），无法爬升堆积到高冒空洞或支架后方顶部的悬空自燃煤体；
- 单纯注氮“扩散逃逸快、缺乏物理蓄冷降温介质”：高纯氮气比重轻、极易随矿井负压漏风短路排入回风巷，虽然能够降低氧气浓度，但气体的比热容极小（仅 $1.04\text{ kJ/(kg}\cdot\text{K)}$），无法带走采空区高温煤体（$300 \sim 800^\circ\text{C}$）蕴含的巨大蓄热，一旦停止注氮极易死灰复燃；
- 封闭火区导致整个采区停产瘫痪：火势失控后不得不进行大范围砌墙封闭，造成数亿元综采装备被困井下，月度经济损失高达数千万元。
采空区高冒区浮煤自燃（温度 300~800℃，CO 突破数千 ppm）
├── 常规注浆：浆液沿底板漏失流走，高位火源无法触及
└── 单纯注氮：高纯气体随漏风迅速逃逸，无法带走巨量蓄热
↓ 火势蔓延失控，被迫全采区封闭停产
实施“固-液-气”三相泡沫防灭火成套技术
├── 固相（粉煤灰/黄土）：破泡后形成致密固态覆盖隔氧层
├── 液相（阻化剂发泡液）：高效汽化吸热降温 + 抑制自由基链式氧化
└── 气相（高纯氮气）：作为发泡骨架实现三维立体堆叠爬高 + 惰化窒息
72 小时快速扑灭深部高温火区，CO 归零，常温启封恢复生产因此，推广应用三相泡沫（Gas-Liquid-Solid Three-Phase Foam）防灭火成套技术，实现“立体堆积包裹、阻风隔氧窒息、高效相变降温、固态长效防复燃”一体化治理，是化解矿井重大火灾险情的战略级利器。
二、气固液三相流动力学与热力学模型：立体堆积与相变吸热方程
三相泡沫是由高纯氮气（气相，体积比 $>90\%$）、阻化剂发泡水溶液（液相，含高效表面活性剂与氯化钙）和微细粉煤灰/黄土颗粒（固相）在专用发泡器内高速紊流混合生成的非牛顿流体。
1. 三相泡沫微观结构与发泡倍数控制方程
三相泡沫的发泡倍数 $N_{foam}$ 定义为生成的三相泡沫总体积与初始气固液混合液体积之比：
式中：$Q_{N2}$ 为注入发泡器的高纯氮气标况体积流量（$\text{m}^3/\text{h}$）；$Q_{slurry}$ 为注入的固液混合浆液流量（$\text{m}^3/\text{h}$）。
- 工程最佳控制范围：常规预防性防灭火取 $N_{foam} = 15 \sim 20$ 倍；高温明火区应急扑灭取 $N_{foam} = 25 \sim 35$ 倍。
2. 三相泡沫相变吸热与降温动力学方程
三相泡沫接触高温煤体（温度 $T_{coal}$）时，液膜水分迅速吸热并发生相变汽化，其单位体积泡沫的极限吸热降温能力 $Q_{absorb}$ 遵循热力学方程：
式中：$\Delta H_{vap}$ 为水的高汽化潜热（$2257\text{ kJ/kg}$）；$C_{p\_w}$ 为水比热容（$4.18\text{ kJ/(kg}\cdot\text{K)}$）；$C_{p\_ash}$ 为粉煤灰固价比热容；$\phi_{solid}$ 为固相粉煤灰体积占比。
灭火降温机理：
- 汽化吸热暴降温度：$1\text{ m}^3$ 优质三相泡沫汽化吸热量高达 $1.1 \times 10^5\text{ kJ}$，能使高温煤体在数分钟内由 $600^\circ\text{C}$ 骤降至 $100^\circ\text{C}$ 以下；
- 破泡固化隔氧防复燃：泡沫液膜破裂后，高分散微细粉煤灰与阻化剂在煤表面沉积结壳，形成厚度 $2 \sim 5\text{mm}$ 的致密致密隔氧膜，彻底杜绝复燃。
三、三相泡沫防灭火材料配比与关键工艺参数表
三相泡沫的稳定度与流动堆积性能取决于基料配比：
| 关键组分与性能指标 | 高温明火应急灭火型 | 常规综采预防性防灭火型 | 停采撤架长期封闭型 | 工程控制与物理意义 |
|---|---|---|---|---|
| 气相介质与纯度 | 高纯氮气（纯度 $\ge 98.5\%$） | 高纯氮气（纯度 $\ge 97.0\%$） | 高纯氮气（纯度 $\ge 98.0\%$） | 杜绝发泡过程带入氧气，实现窒息灭火 |
| 固相粉煤灰/黄土固液比 | $1:3 \sim 1:4$（浆液比重 1.18~1.25） | $1:4 \sim 1:5$（浆液比重 1.15~1.20） | $1:3 \sim 1:4$（添加微量高分子悬浮剂） | 颗粒细度要求通过 200 目筛网 $\ge 80\%$ |
| 高效发泡剂添加比例 | $0.8\% \sim 1.2\%$ | $0.5\% \sim 0.8\%$ | $0.6\% \sim 1.0\%$ | 选用耐高温、耐酸碱改性阴离子表面活性剂 |
| 阻化剂（$\text{CaCl}_2/\text{MgCl}_2$） | $3.0\% \sim 5.0\%$ | $2.0\% \sim 3.0\%$ | $3.0\% \sim 4.0\%$ | 强力捕捉自由基，水化吸湿抑制煤低温氧化 |
| 泡沫半衰期 ($t_{1/2}$) | $\ge 45\text{ min}$ | $\ge 60\text{ min}$ | $\ge 90\text{ min}$ | 保证泡沫在采空区充分流动爬升不溃灭 |
| 发泡倍数 ($N_{foam}$) | $25 \sim 35\text{ 倍}$ | $18 \sim 25\text{ 倍}$ | $20 \sim 30\text{ 倍}$ | 体积膨胀数十倍，极小耗水量覆盖万方空洞 |
四、核心三相泡沫发生装备与配套监测仪器
| 设备系统名称 | 规格型号 | 核心功能与技术指标 | 性能与安全标准 |
|---|---|---|---|
| 矿用三相泡沫发生器 | SPH-120 型防爆连续发泡机 | 气固液在文丘里高剪切喷嘴内毫秒级微观发泡 | 产泡量 $60 \sim 180\text{ m}^3/\text{h}$，工作压力 $0.6 \sim 1.5\text{ MPa}$ |
| 智能发泡剂比例加药泵 | 矿用气动双柱塞计量泵 | 按照设定的 $0.5\% \sim 2.0\%$ 比例精准注入发泡原液 | 计量精度 $\pm 0.5\%$，耐腐蚀不锈钢泵体 |
| 高压气动注浆泵站 | 2ZBQ-60/8 矿用防爆注浆泵 | 输送粉煤灰-黄土固液混合浆液至发泡器 | 排量 $60\text{ L/min}$，最大工作压力 $8.0\text{ MPa}$ |
| 红外热成像与束管色谱仪 | 矿用本安防爆红外测温仪 | 远距离非接触精确定位火区外围最高表面温度 | 测温量程 $-20 \sim +1000^\circ\text{C}$，热灵敏度 $0.05^\circ\text{C}$ |
五、工程案例复盘与实战对账：神木某大型矿井采空区高温火区快速扑灭
以下结合神木市某年产 300 万吨大型综采矿井 1202 工作面采空区深部自燃火灾抢险工程进行深度对账。
1. 灾情概况与紧急态势
- 火情特征：1202 工作面末采贯通期间，采空区深部 65m 处高冒区遗煤自燃，回风顺槽密闭墙取样管检测出 $\text{CO}$ 浓度高达 $1850\text{ ppm}$，乙烯 $\text{C}_2\text{H}_4$ 达 $15\text{ ppm}$，实测火区核心温度突破 $450^\circ\text{C}$，面临全工作面封闭与数千万元设备被困风险；
- 传统施救受阻：矿方连续注氮 48 小时，$\text{CO}$ 仅降至 $1200\text{ ppm}$，停止注氮立即反弹；采用黄土注浆因采空区裂隙渗漏，浆水沿底板流失，无法压制高位火源。
2. 三相泡沫灭火方案与实施对账（工程总额：55.0 万元）
神木某矿采空区自燃火区三相泡沫抢险灭火工程（合同总额：550,000 元）
├── 地面制氮车间高纯氮气调配与井下埋管输气系统（注入纯度 99.0% 氮气 12,000 m³）：150,000 元
├── 井下三相泡沫连续发生系统安装与灌注施工（累计注入三相泡沫 8,500 m³）：250,000 元
└── 火区气体多组分色谱连续分析、红外测温监测与常温启封验收 CMA 报告：150,000 元3. 灭火成效与经济效益
- 72 小时快速熄灭火源：连续灌注三相泡沫 72 小时，泡沫在采空区立体爬升完全包裹高冒自燃火区。束管检测 $\text{CO}$ 由 $1850\text{ ppm}$ 直线跌落至 $0\text{ ppm}$，乙烯完全消失，火区温度由 $450^\circ\text{C}$ 降至 $22^\circ\text{C}$（环境常温）；
- 避免重大资产损失：成功避免了采区永久性封闭，安全撤出综采液压支架 145 架（价值超 8500 万元），并在 1 周内顺利启封恢复正常生产。
六、矿长与总工防灭火迎检自查清单
总工程师在组织采空区防灭火验收与火区启封时，必须核验以下 6 项核心台账：
- 采空区三相泡沫防灭火专项技术措施：经集团公司总工程师批准的灌注工艺、管路布置与火区监测方案。
- 三相泡沫材料质量与发泡性能化验单：发泡剂环保无毒证明、阻化剂纯度与发泡倍数（$\ge 20$ 倍）实测记录。
- 气固液各相注入量与连续运行台账：各班次氮气消耗量（$\text{m}^3$）、粉煤灰浆量（$\text{m}^3$）与产泡总量记录单。
- 火区封闭密闭墙气密性与内外压差台账：主要防火密闭墙完好率 $100\%$，内外压差平衡监测单。
- 束管气体色谱连续 14 天监测台账：连续 2 周 $\text{O}_2 \le 5.0\%$、$\text{CO} = 0\text{ ppm}$、火区温度 $\le 25^\circ\text{C}$ 达标单。
- 火区启封安全技术措施与救护队备案：符合《煤矿防灭火细则》规范的锁风启封方案及矿山救护队现场保障协议。
- 煤矿防灭火细则（2021版），国家矿山安全监察局
- AQ 1020-2006《煤矿井下自燃火灾防治技术规范》
- 煤矿安全规程（2025版），国家矿山安全监察局
- GB 50215-2015《煤炭工业矿井设计规范》
- GB/T 44819-2024《煤自燃标志气体色谱测定方法》
- 矿安〔2026〕81号《国家矿山安全监察局关于进一步加强煤矿重大灾害精准治理与安全风险辨识评估的指导意见》
- 采空区三相泡沫防灭火成套系统设计、设备成套供应与现场注浆工程总包；
- 矿井大面积高温火区应急抢险灭火、均压灭火与安全启封论证；
- 煤自燃标志气体色谱测定（GB/T 44819-2024）与自燃倾向性鉴定；
- 矿井瓦斯等级鉴定、通风阻力测定与重大灾害综合风险评估。
七、常见问题深度解答 (FAQ)
答： 常规注水或黄土浆由于重力作用只会沿底板向下流淌，无法触及高位火源；而三相泡沫内部包裹了超过 $90\%$ 的高纯氮气，其密度极低（仅为水的 $1/20 \sim 1/35$），具有优异的流动性与空间堆积性。高压注入采空区后，泡沫能够像“膨化海绵”一样自下而上层层堆叠、爬升并充满高达数米的高冒空洞，将高位自燃煤体全方位无死角包裹。
答： 单纯的气液双相泡沫寿命短（通常十几分钟内破泡），破泡后水汽化蒸发，火区极易因漏风而死灰复燃。加入微细粉煤灰（固相）后，固体微粒吸附在泡沫液膜表面显著提升液膜强度，延长泡沫寿命至数小时；破泡后，粉煤灰与阻化剂在煤表面形成致密的固态阻风结壳，阻化剂长期吸收空气中的水分，实现“先泡沫灭火、后结壳防复燃”的双重保障。
答： 设备与管路井下就位后，扑灭常规自燃火区通常需连续灌注 48~72 小时；注泡完成后需维持注氮观察 5~7 天，待连续采集气样化验 $\text{CO}$ 稳定为零且温度降至常温后，即可在 10~14 天 内完成全流程验收与安全启封。
参考依据与标准规范
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声明：文中技术参数与案例数据已依法进行脱敏处理，具体矿井防灭火工程需结合火区实际勘查数据专项设计。