義煤礦區極易自燃厚煤層快速治理技術①

呂建立 魏向志

(1.華北科技學院安全工程學院，北京東燕郊 101601;2.義煤集團孟津煤礦，河南洛陽 471600;3.義煤集團千秋煤礦，河南義馬 471000)

義煤礦區極易自燃厚煤層快速治理技術①

呂建立1、2②魏向志3

(1.華北科技學院安全工程學院，北京東燕郊 101601;2.義煤集團孟津煤礦，河南洛陽 471600;3.義煤集團千秋煤礦，河南義馬 471000)

義煤集團公司下轄的五個礦所采煤層為容易自然發火煤層，自然發火期一個月，最短7天，煤炭自燃問題嚴重困擾著集團公司的安全生產。本文研究了高效復合泡沫滅火抑爆新技術，既能充分利用目前有效的常規防滅火技術與手段，又能克服目前注漿、惰氣、惰氣泡沫、阻化劑等滅火或抑爆技術的不足，并研制了產生高效復合泡沫的新裝備，提出了滅火鉆孔快速施工技術和高效復合泡沫灌注技術，構建了滿足不同滅火需要的多功能一體化防滅火系統。以千秋礦為例，21201工作面采空區與高冒復合火區的快速治理，整個滅火過程僅用了7天時間，為防止災害影響范圍擴大化、盡快恢復生產奠定了基礎。

自燃;厚煤層;鉆套一體化鉆孔;高效復合泡沫

1 礦區煤層自燃和防滅火現狀

歷年的統計資料顯示:煤層自燃火災已占礦井火災總數的95%以上。近年來隨著開采深度的加大，沖擊地壓日益嚴重，工作面推進速度減緩，自燃發火危險性增大，同時多數礦井的瓦斯涌出量不斷加大，火與瓦斯共存使得安全生產形勢更為嚴峻。為了防治煤炭自燃，國內外廣泛采用注水、灌漿、噴灑阻化劑、注惰氣等技術。近年來，又較廣泛地采用了凝膠、膠體泥漿、阻化汽霧、泡沫樹脂等防滅火技術。這些技術對保證礦井安全生產起了重要作用，但是都存在一定局限性，如灌漿，漿體不能均勻覆蓋煤體;注惰性氣體，氣體不易滯留在注入的區域內;注凝膠、泡沫樹脂成本高等，現有防滅火技術和材料的共同特點都是只采用氣、液、固三相中的一相或兩相作為防滅火介質，使得防滅火效果不夠理想［1］。因此，必須研究新的技術措施和手段，從根本上解決這一頑疾。

2 鉆套一體化滅火鉆孔快速施工技術

煤炭自燃都發生在煤體被壓疏呈破碎狀態的區域，該區域常規的打鉆技術在施工滅火鉆孔的過程中易出現塌孔現象，同時施工周期較長，時常制約著滅火工作的快速開展，嚴重時會貽誤最佳滅火時機，導致災害的擴大化［2］。而該技術的鉆桿和滅火材料灌注管采用一體化設計，鉆桿為中空型，直接用兩端車絲的鉆孔套管代替，可作為滅火材料灌注管;鉆頭采用自行研制的簡易專用鉆頭，其頂端為半封閉構型，即留有出口。鉆頭與套管或套管之間采用耐扭強度較大的加厚剛性接箍連接。鉆頭采用普通合金鋼制備，成本遠低于可回收重復使用的鉆頭，經濟可行。使用前，將鉆桿與鉆頭通過前端螺紋組合為一體后，兩者中間孔即成為一條完整的通道，如圖1、2所示。其現場施工工藝與普通鉆桿鉆孔相同，鉆孔完成后，不再回收鉆桿與鉆頭，將鉆桿與電機之間的連接拆除后，留在鉆孔內的鉆桿即成為滅火材料灌注孔。通過快速連接接頭與注漿管路或滅火材料制備系統出料口連接后即可對采空區進行處理。由于鉆桿鉆進到位后不需回收鉆頭、鉆桿，直接進行鉆孔封孔，節約了退桿時間，也省去了滅火材料灌注管的施工工序，大大減少了滅火鉆孔施工時間，而且該技術可以有效克服普通打鉆垮孔的缺陷。因此，該技術比較適合在煤層頂板比較破碎區域進行鉆孔施工，能夠有效避免因退桿后鉆孔垮孔變形而影響滅火效果。

3 高效復合泡沫防火技術

該滅火技術具有流量大、發泡倍數高、流動擴散性能好、泡沫穩定時間長的特點，能夠快速、大范圍地覆蓋和包裹浮煤，與煤體之間的粘附性好，同時能向上堆積，適于大面積松散煤體、巷道冒頂區煤自燃災害的治理。

圖1 鉆桿與鉆頭連接

圖2 鉆頭及首根套管結構示意

3.1 泡沫組成

在粉煤灰或黃泥漿液中添加少量的發泡劑、穩泡劑、高效防滅火劑(MEA或MJC12)等添加劑并引入氮氣，通過發泡器物理機械發泡，形成粉煤灰或黃泥顆粒均勻地附著在氣泡壁上的多相泡沫膠體體系［3］。黃土顆粒是一種惰性物質，形成的高效復合泡沫在固相成分上與顆粒的粒度有關，且黃泥有較大粘性，能夠更牢固的粘附在氣泡壁上;同時當大量的黃泥高效復合泡沫群體形成時，也容易形成了一種骨架作用，更有利于保持泡沫的穩定性。高效復合泡沫的氣相成分應采用氮氣，一方面氮氣本身就是一種很好的抑爆材料;另一方面氮氣主要是作為一個載體，可將大量的粉煤灰或黃泥輸送到采空區［4］。另外添加的高效防滅火劑能夠增加泡沫的粘性及其與煤體之間的附著力，促進復合泡沫膠體的形成。

3.2 發泡裝置

要產生發泡倍數高的高效復合泡沫，有效的發泡器是關鍵。高效復合泡沫發泡器主要采用射流噴射的原理，主要部件就是內置的文丘里管(如圖3)。在收縮段，隨著截面積的變小，漿液的流速逐步增大，壓力卻逐步下降。在文丘里管的截面積達到最小(喉部)時，流體速度達到最大，靜壓力則達到最小。由于高速泥漿射流表面的粘滯及卷吸作用，如果在擴散管上設置多個孔洞，氮氣通過擴散管上的孔洞被引射吸至管路內，從而與泥漿充分混合。高效復合泡沫發生器裝置是在文丘里管喉部處形成一定的相對負壓，將氮氣吸入，含有發泡劑的泥漿與氮氣在喉部附近充分混合后產生高效復合泡沫。實物如圖4所示。

圖3 文丘里管示意圖圖

圖4 高效復合泡沫發生裝置實物

3.3 并列式發泡工藝和雙管路系統

高效復合泡沫灌注系統采用“并列式發泡工藝”，即漿體和發泡劑的混合液在發泡前分流至兩路并聯的發泡裝置，該工藝有效降低了漿壓，且利于增強發泡效果和加大泡沫產生量。高效復合泡沫的并列式發泡工藝示意圖如圖5所示。雙管路滅火系統是指一趟管路系統進行注高效復合泡沫滅火作業，另一趟管路系統進行注漿或充填化學凝膠。利用高效復合泡沫系統快速對大面積火區進行抑爆降溫滅火，利用注漿或充填化學凝膠系統對大型火區進行多點充填化學凝膠堵漏滅火，真正實現快速滅火的效果。

圖5 并列式高效復合泡沫發泡工藝

4 現場應用

2008年6月5日16時21201工作面下巷沖擊地壓發生后，工作面下巷煤體完整性遭到破壞，工作面風流中CO出現逐漸增大，防火鉆場1號孔打開后冒出濃濃黃煙，工作面1～5架老塘內有明火，由于火點隱蔽且位置高，支架尾梁滅火空間狹小，再加上工作面回風側煙霧大、能見度低，盡管采取充填凝膠包裹遺煤堵截火點、安排專人在支架架縫插滅火水槍澆滅火點，仍在支架尾梁前后頂煤形成盲區，無法徹底將火點熄滅，造成工作面老塘火勢反復出現且有逐漸蔓延趨勢，每天向上蔓延一架，一直蔓延到工作面18架后尾梁，工作面30架以上風流中CO在0.1%以上，最大達0.2%，煙霧彌漫，能見度低，給工作面滅火工作人員安全構成極大威脅。

鑒于此，采取“快速打鉆、全區封堵、多源惰化、充填封閉結合、大流量注高效復合泡沫膠體”的綜合滅火技術對該自燃火區進行治理。

首先，根據滅火工作的實際需要，先后在21201工作面1～3架、5～15架、15～18架、18～25架前梁煤壁側分別開設了滅火鉆場。并利用鉆套一體化滅火鉆孔快速施工技術，完成Ф40mm滅火鉆孔218個，施工鉆孔進尺達到2699.7m;施工Ф25 mm滅火鉆孔68個，施工鉆孔進尺達到280m。其次，構建多回路滅火系統:(1)在工作面靠近煤墻側接一趟Ф50 mm噴沙管作為注漿管，每一根接一個三通，通過混合器與注漿孔相連通，每個注漿孔安設一個閘門;(2)在21201工作面靠近煤墻側接一Ф32 mm高壓管作為滅火供水管，確保火區治理各項作業的用水。(3)將原有的兩個攪拌池進行改造，一個攪拌池下膠或下漿，另一個攪拌池用于制備高效復合泡沫。(4)構建“并列式發泡”的高效復合泡沫滅火新工藝。在21201工作面設置兩套高效復合泡沫發泡裝置，可進行大流量高效復合泡沫的灌注，也可根據滅火需要進行多區域同時充填高效復合泡沫。自2008年6月21日21201工作面發現煤自燃明火到6月28日火區被完全撲滅并正式恢復生產，整個滅火過程僅用了7天時間，實現了千秋礦21201工作面采空區與高冒復合煤自燃火區的快速治理。

5 結論

1)提出了煤自燃災害治理的鉆套一體化滅火鉆孔快速成孔施工技術及工藝。該技術的鉆桿和滅火材料灌注套管采用一體化設計，鉆頭為一次性鉆頭。

2)研制出了能夠滿足快速治理復雜火區需要的高效復合泡沫，提出了“并列式發泡”新工藝。該技術與常規的注水、注漿相比具有滅火效率高，可向高處堆積，滅火后不易復燃，且具有良好的抑爆性能;

3)提出并構建了多功能一體化防滅火系統，即礦井注漿系統為雙管路防滅火系統，一趟管路系統進行注高效復合泡沫滅火作業，另一管路系統進行注漿或充填化學凝膠。

4)通過現場運用，實現了千秋礦21201工作面采空區與高冒復合煤自燃火區的快速治理，也為下一步實施有效的滅火措施提供了有利基礎。

［1］ 王開勝.深度隱藏高溫點防滅火治理技術研究與運用［J］.山東煤炭科技，2010，(06):2-4

［2］ 郝永勝.鉆孔塌孔防治方案［J］.赤峰學院學報，2009，(05):22-23

［3］ 陳足章.“三相泡沫”在礦井防滅火中的應用［J］.煤礦現代化，2010，(03):17-18

［4］ 高志興.含氮氣三相泡沫防滅火機理及應用［J］. 礦業快報，2008，(05):53-55

The Rapid Disposal Technology of Yi spontaneous seam coal mine

LV Jianli1，2，WEI Xiangzhi3

(1.North China Institute of Science and Technology，Yanjiao Beijing-East101601;2.Righteousness Mengjin Coal Mine，Luoyang Henan 471600;3.Righteousness Qianqiu Coal Mine，Yima Henan 471000)

The five Coal mining companies under the jurisdiction of the spontaneous combustion in coal seam coal seam for easy，the spontaneous combustion is a month，the shortest is 7 days，the spontaneous combustion of coal issues have Seriously troubled company＇s safety.This paper studies a foam fire suppression efficient compound blasting new technology that can make full use of current effective conventional fire-fighting technology and method，and can overcome the present grouting，an inert gas，an inert gas bubbles，resistance change agent fire-extinguishing or suppression of blasting technology for insufficient.At the same time，the paper developed an efficient compound foam generated new equipment，put forward the construction technology and rapid fire drill efficient compound foam perfusion technique，constructed different needs of extinguishing fire prevention system integration of multifunctional.Finally，we can realize the mined-out area of the coal mine with 21201 thousand high risk of compound the equal，the whole process of rapid governance fire just in seven days，which laid a foundation to prevent disaster affected area enlargement and resume production as soon as possible.

Spontaneous combustion;thick seam;drilling holes set integration;efficient syntactic foam

TD75+.3.4

A

1672-7169(2011)03-0008-04

2011-05-06

呂建立(1979-)，男，河南義馬人，大學畢業，華北科技學院采礦工程專業。