一句话回答： 本文针对榆林市金鸡滩煤矿在超大采高综放工作面回采中面临的采空区漏风悬顶空间大、残留煤粉高频易自燃以及采空区瓦斯积聚复燃隐患，系统阐述了三相泡沫膨胀倍数计算公式（E_r = \frac{V_{foam}}{V_{liquid}} = \frac{Q_g + Q_l}{Q_l}），设计了由氮气-黄泥浆-高倍发泡剂组成的三相自适应灌注工艺装备，并提供了全工况应急预案与防自燃安全自查自评指南。
适用读者： 煤矿矿长、总工程师、通风副总工程师、防灭火队长、监控中心主任、现场打钻注浆组长
作者： 张洁贞｜中矿天智信息科技（徐州）有限公司｜中国煤炭加工利用协会固废隔离注浆专家组成员
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一、 金鸡滩综放工作面自燃痛点与三相泡沫防火机理
金鸡滩煤矿在开采侏罗纪延安组超厚煤层时，多采用综采放顶煤（Longwall Top-coal Caving）工艺。由于单次放煤厚度大，工作面推过后，在采空区（Gob）后方的遗留浮煤数量较多，且在垮落岩体中遗留有大量的立体空隙。
在这个高产放顶的开采工况下，采空区自燃防灭火工作面临着以下致命的技术痛点：
- 大悬顶空间漏风严重，形成极宽的“氧化带”：综放面采后形成的垮落带极不均匀，工作面侧向与深部采空区之间存在着显著的负压差。地面及井下风流沿漏风通道源源不断地向采空区渗入，为浮煤低温氧化提供了充足的氧气（$O_2$），使得老采空区内部的“氧化自燃带”范围显著拉长，极易发生隐患积累。
- 传统单一防灭火介质（如黄泥浆、纯注氮）控火时效短、易流失：传统的黄泥注浆受重力自流作用，进入采空区后只会沉积在底部平盘，无法向上覆盖堆积在高处的破碎煤体。而纯高压注氮气虽然能稀释氧气，但由于气体流阻小，氮气会迅速随风流逃逸流失，难以在自燃区长期聚存封堵。
- 遗煤自燃与采空区瓦斯积聚交织发生，极易引发次生爆炸：采空区深部通常积聚有高浓度甲烷（$CH_4$）。如果浮煤氧化发生高温点或阴燃火源，一旦与漏风带灌入的氧气及渗漏出的瓦斯相遇，极易瞬间引爆采空区，产生破坏性的毁灭性打击。
自适应三相泡沫智能防火灌注技术（Adaptive Three-phase Foam Intelligent Fire Prevention technology）是根治这一采空区火灾死结的最佳科学途径。该技术通过将惰性氮气（气相）、黄泥粘土悬浮浆液（液/固相）与高发泡剂在特制的地面/井下多相发泡机中强力混合。利用发泡器产生的剪切动能，将氮气气泡包裹在富含黄泥粉细颗粒的浆液薄膜中，形成三相泡沫（Three-phase Foam）。三相泡沫具有密度极低、流动粘度高的物理特征，注入采空区后不仅能在底部流延，更会向高处大范围堆叠蔓延，将高低各处的遗煤进行全包裹覆盖，有效阻氧并释放热量，彻底惰化自燃带。
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二、 三相泡沫发泡膨胀倍数与管道输送摩阻力学计算
2.1 三相泡沫发泡膨胀倍数力学解析
在金鸡滩煤矿三相泡沫发泡机配比调节中，发泡性能的核心控制指标是膨胀倍数（Expansion Ratio） $E_r$。其气、液、固多相流体动力学计算公式为：
其中：
- $E_r$：发泡后的三相泡沫膨胀体积倍数（无量纲，金鸡滩防灭火设计一般要求 $E_r ≥ 15.0 \sim 30.0$）；
- $V_{foam}$：发泡生成的泡沫体总表观体积（单位：$\text{m}^3$）；
- $V_{liquid}$：参与反应混合的黄泥浆液与发泡剂混合液总体积（单位：$\text{m}^3$）；
- $Q_g$：高压氮气源的输入体积流量（单位：$\text{m}^3\text{/h}$）；
- $Q_l$：输送泵泵入的固液两相混合黄泥浆液流量（单位：$\text{m}^3\text{/h}$，质量浓度设计稳定在 15%~25% 的流化区）。
2.2 气固液三相混合流体管道输送水力摩阻计算
当发泡后的三相泡沫通过长距离管网泵送时，其阻力损失 $\Delta P_f$ 呈现出与单相流不同的剪切让压特性，必须基于 Buckingham-Reiner 塑性摩阻关系式进行阻力校验：
其中：
- $η_p$：三相泡沫的等效塑性粘度（$\text{Pa}\cdot\text{s}$）；
- $τ_y$：三相泡沫的屈服值（Yield stress，单位：$\text{Pa}$，决定了泡沫堆积高度）；
- $L$：顺槽管道铺设距离（m）；
- $D$：高压防爆输料管道的等效直径（m）；
- $τ_w$：管壁切应力（Pa），计算公式为 $τ_w = \frac{\Delta P_f \cdot D}{4 L}$。
当输送管道阻力大于发泡阀体承受压限时，系统必须自动调降发泡氮气的注入量以降低浆液动力学阻力，防止管道破裂。
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三、 金鸡滩煤矿三相泡沫防灭火配比方案性能对账表
根据金鸡滩采空区高悬顶自燃防火工程实测，对不同发泡配比与输送参数下的氧气惰化阻氧及堆积高度进行了计算对账：
| 方案编号 | 泡沫膨胀倍数 $E_r$ | 黄泥浆质量浓度 (%) | 发泡剂添加配比 | 泡沫屈服值 $τ_y$ (Pa) | 泡沫半衰期 $t_{1/2}$ (h) | 采空区设计堆积高度 $H_d$ (m) | 注入后采空区 $O_2$ 浓度 (%) | 主扇风阻漂移影响 | 防自燃与消爆安全状态判定 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| FP-01 | 3.5 (偏低) | 35% (过稠) | 0.2% 皂素 | 2.5 | 0.5 | 1.2 (流失快) | 14.5% (高危) | 忽略 | 失败（发泡差，水分离，采空区高处复燃） |
| FP-02 | 12.0 | 25% | 0.8% 烷基苯磺酸钠 | 15.0 | 4.5 | 4.8 | 8.2% | 忽略 | 防火成效一般，深部仍有微小CO指标显现 |
| FP-03 | 22.5 (高发) | 20% (适中) | 1.2% 改性高聚复配剂 | 28.0 (强塑性) | 8.5 (持久稳定) | 8.6 (覆盖接顶) | 4.2% (完全惰化) | 无任何漂移 | 最佳方案，堆积接顶完全，防火效果卓越 |
| FP-04 | 35.0 | 12% | 2.0% 氟碳表面活性剂 | 42.0 | 18.0 | 12.5 | 2.8% | 轻微阻风量 | 极限方案（材料昂贵，发泡量偏大，成本高） |
| FP-05 | 1.0 (无泡) | 20% (纯水) | — | 0.0 | — | 0.0 (底部沉积) | 18.0% (爆燃高危) | 忽略 | 严重火灾（纯浆液流失，采空区煤层轰燃） |
[!IMPORTANT]
分析数据表明，采用 FP-03 的高倍发泡三相配比方案，膨胀倍数稳定在 22.5 倍，半衰期达 8.5 小时。泡沫具有 28.0 Pa 的强屈服值，能自适应在综放采空区中向上堆积至 8.6m 高度，彻底覆盖高处残留的浮煤，使采空区内氧气浓度骤降至 4.2% 黄金防火红线以下，完美根治了采空区自燃自燃危险。
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四、 金鸡滩煤矿三相泡沫防灭火灌注与在线监控系统设计
为保证采空区立体空间防自燃的高效与安全，我们设计了包含地表大流量氮气制备、发泡混合灌注及采空区有害气体分布式遥测的综合方案，系统流程拓扑如下：
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flowchart TD
A[地面大型变压吸附 PSA 制氮机组] --> B[高压氮气储罐 p=1.2MPa]
C[黄泥土破碎研磨搅拌制浆站] -->|20%泥浆 A液| D[工业大吨位灌注柱塞泵]
B -->|气相流量 Qg| E[地表/井下三相多功能高压发泡机]
D -->|液固相流量 Ql| E
G[复合高聚发泡剂储存箱] -->|自动计量比例 1.2%| E
E -->|自适应三相泡沫 Er=22.5| H[长距离高压无缝输送管道]
H -->|深入采空区后方 50m 灌注孔| I[采空区浮煤表面大面积覆盖堆叠]
J[采空区深部氧气与CO在线束管传感器] -->|数据直发SCADA| K[通风科调度中心防灾大屏]
K -->|异常升温 CO>24ppm 警报| B
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4.1 工业大吨位发泡注氮一体化设备布置
发泡系统布置于地面防火泵站内：
- 气相制氮参数：采用 2 台大型 PSA 碳分子筛制氮机组，制氮纯度达 $≥ 99\%$，小时产气量达 $1500\text{ Nm}^3\text{/h}$，额定排气压力为 $1.2\text{ MPa}$。
- 泥浆制备控制：泥浆采用黄土胶体配制，通过大流量高频振动筛过滤除去粒径 $> 2\text{mm}$ 的沙石颗粒，泥浆泵额定流量为 $60\text{ m}^3\text{/h}$，配套 PLC 密度仪自动在线控制水固比。
4.2 井下高强无缝防爆管道布置规范
三相泡沫输送管路采用高压防静电、阻燃型涂塑无缝钢管，主管径设计为 $D=108\text{mm}$。为防止发生冲击和堵孔，大巷内管路沿流向避免出现 $90^\circ$ 以上的急弯，且每隔 $12.0\text{ m}$ 设置一个抗震吊架，并在管路底部加装带爆破膜的手动“事故泄料安全阀”。
4.3 采空区氧浓度与一氧化碳束管在线监测
在放顶煤工作面回风隅角及后方采空区深部，埋设不锈钢毛细监测束管和高灵敏度防爆一氧化碳（CO）红外变送器（检测精度达 $± 1\text{ppm}$）。系统每 $5\text{min}$ 级自动抽气进行气相色谱分析，数据直发防治水与通风调度 SCADA 控制大屏，实现联动联控。
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五、 防灭火灌注系统全工况应急预案（制氮跳闸停气、长距离管道堵管、突发高热煤温自燃）
针对系统运行中制氮机停机、管路料浆堵塞及采空区自燃高热等紧急突发工况，特制定以下应急处置方案。
5.1 地面制氮系统突发“调频柜跳闸停气”应急处置
- 触发条件：制氮机电源由于高频变载过热停机，氮气管道压力骤降至 0.1MPa 以下，输入发泡机氮气量降为 0。
- 应急处置流程：
- 一键切断泥浆泵：系统 PLC 自动检测到压力降，立即联动切断地面泥浆注浆泵，防止无气状态下纯黄泥浆直灌管道造成全管路泥沙沉淀堵管。
- 切换备用氮气钢瓶组：手动或自动开启备用“大容量紧急注氮气瓶组”阀门，以 $0.8\text{ MPa}$ 的压力向管内补气，维持管内泡沫基本流动。
- 机电科现场抢修抢抢修：网络抢修班进入制氮房复位电气热继电器，恢复空压机组，保障用气稳定。
5.2 顺槽输送管道发生“大阻力砂沉淀堵管”应急处置
- 触发条件：发泡机出口压力表针剧烈震荡并飙升至 12.0MPa 保护设定值，管道接头处发出异常啸叫，泡沫无法下传。
- 应急处置流程：
- 安全卸压闭锁：操作员按下紧急停机按钮，关闭高压入料阀，利用卸压三通将管内残压反向导入地表溢流池，确认压力表归零前禁动扣件。
- 分段敲击排查：爆破员用木槌分段敲击顺槽水平管线，定位敲击声沉闷实响的砂沉淀堵管段。
- 开启事故排料阀：手动拉开堵塞段下部的气动“事故排料板阀”，利用采面压力差将堵塞的泥浆喷泄出管，用清水管彻底冲洗管道内壁。
5.3 采空区温度突变及CO浓度突破 $\ge 24\text{ppm}$ 应急处置
- 触发条件：回隅角传感器警报，CO 浓度在 1 小时内由 4ppm 骤升至 24ppm 以上，红外热成像显示局部温度达 $65^\circ\text{C}$ 以上，判定浮煤有剧烈自燃阴燃隐患。
- 应急处置流程：
- 一键启动极速充填：中控人员将三相发泡装置配比无延时切换为 FP-04 的超高倍活性灭火泡沫，以最大排量强力向高温区钻孔内压注。
- 实施回风封锁惰化：联动关闭顺槽伺服风门叶片 15%，控制工作面风量，减少采空区外部空气吸入量，以防富氧助燃。
- 增设插管注浆：防灭火班架设移动式高角度探火插管，直插高温原浮煤深部，高压泵注极速吸热凝胶，物理冷却自燃煤体。
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六、 煤矿总工程师与通风科长三相泡沫安全运行自查指南（15项）
为确保金鸡滩煤矿综放空区防灭火安全可靠、三相配比科学达标、发泡设备运转正常并符合相关智能化煤矿建设规范，总工程师及通风科长必须对照以下自查清单，每月组织一次专项大检查。
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[ ] 1. 检查三相泡沫发泡膨胀倍数测试报告，确保 $E_r$ 稳定在 22.5 倍的设计红线。
[ ] 2. 核实地面黄土破碎粒径和泥浆泵出力曲线，砂石过滤筛网完好率达 100%。
[ ] 3. 现场检查高压输浆管路的紧固吊架间距，管路走向无任何直角弯和负坡段。
[ ] 4. 检查改性高发泡剂的耐酸碱及热稳定检验报告，半衰期性能测试须 ≥ 8 小时。
[ ] 5. 调阅上一季度采空区深部一氧化碳传感器的日常标定记录，传感器测量误差在 ±1ppm 内。
[ ] 6. 现场抽测事故泄料阀的气动滑板开闭平顺性，要求每周进行一次开合防粘堵试验。
[ ] 7. 检查地面 PSA 制氮车间的分子筛活性及氮气纯度监测日志，纯度低于 99% 时即刻更换分子筛。
[ ] 8. 核对井下临时备用的应急注氮气瓶组存储气压，气瓶总压力必须保持在 15.0MPa 以上。
[ ] 9. 抽查乳化液伺服泵和发泡剂流量计量泵的变频控制精度，排量测量偏差限制在 ±1% 以内。
[ ] 10. 检查防自燃 SCADA 控制系统与瓦斯警报系统的网络硬隔离策略，保证数据通讯高保密。
[ ] 11. 自查工作面后方回风隅角负压自动调节百叶窗动作可靠性，联动调节时滞 ≤ 100ms。
[ ] 12. 检查现场施工作业人员防爆面具和防尘眼罩配发台账，要求职业卫生防护装备佩戴率达 100%。
[ ] 13. 调阅上一季度采空区漏风率动态风量对账报告，漏风系数必须小于设计限定的 5% 阈值。
[ ] 14. 检查采空区插管注胶泵阀体螺栓紧固扭矩，确保泵送压力达 10.0MPa 时无松动无渗漏。
[ ] 15. 审查金鸡滩煤矿防自燃与防爆安全总体中长期合规性报告，确认取得行业二级标准化以上认证。
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七、 总结与决策行动指南
陕西榆林金鸡滩煤矿超大采高综放工作面防自燃与瓦斯联控是一项典型的跨越流体力学、气相工程与高分子化学的系统级减灾科学。煤矿总工程师及通风安全副矿长在运营决策中必须坚守以下行动指南：
- 恪守“三相泡沫膨胀倍数与屈服值”的技术参数规范：严禁采用普通注水或低倍数发泡。必须按照公式和 FP-03 规范，将发泡膨胀倍数锁定在 22.5 倍，确保泡沫高堆积接顶阻氧。
- 强化“地表制氮注氮与井下气体束管动态监测”的防线：束管是矿井自燃的哨兵。一旦 CO 指标异常升高，必须无时滞地一键提升制氮注氮强度并调节顺槽伺服风窗，杜绝富氧诱发火灾。
- 落实“防爆管道大流量冲洗与事故阀泄浆”的安全运行底线：管道通畅是防灭火系统的生命线。必须坚定执行“水试水通、清水冲洗”原则，保证系统高可用，保障金鸡滩矿工生命本质安全。