高瓦斯易自燃沖擊礦壓條件下煤層綜合防滅火技術研究

付田田，郭 慶，左兵召，武光輝，吳長俊，昝軍才

(1.陜西彬長胡家河礦業有限公司，陜西 咸陽 713600；2.中國礦業大學安全工程學院，江蘇 徐州 221116)

煤炭自燃是我國礦井的主要自然災害之一。在我國國有重點煤礦中，存在煤炭自燃的礦井占礦井總數的56%，煤炭自燃而引起的火災占礦井火災總數的90%以上[1-2]。近年來，國民經濟快速增長對煤炭的需求拉動了煤炭工業的迅速發展，隨著煤炭產量的日益增加，煤炭開采深度和強度也日益增加，煤炭的開采條件也不斷惡化，突出表現在開采深度增加，地質構造條件復雜，瓦斯、火、水、沖擊礦壓以及煤與瓦斯突出等幾大災害日趨嚴重[3-4]，并且部分煤礦多種災害同時共存，在此種條件下，礦井火災的預防和治理更顯得突出。

1 工作面概況及沖擊礦壓對煤炭自燃防治的影響

胡家河煤礦屬于彬長礦業集團，位于陜西省咸陽市彬縣縣城西北約20km處。該礦是新建礦井,年設計生產能力為500萬t，2012年10月份開始聯合試運轉。

401101工作面是該礦聯合試運轉后第一個綜放工作面，該工作面傾斜長175m，走向1563m，賦存穩定，煤層近乎水平，厚度15～26m,平均厚度23.5m。工作面采用走向長壁后退式綜合機械化放頂煤分層開采，回采上分層煤平均厚度13.5m(采煤機割煤高度為3.5m，放頂煤開采總厚度預計在10m)，下分層煤平均厚度10m，工作面回采過程中，工作面回收率確定為78%。全部垮落法管理頂板。該工作面煤層屬于易自燃煤層，自然發火期最短為20天。

該工作面布置了五條巷道，即回風巷、進風巷、高抽巷、灌漿巷和泄水巷，其中灌漿巷和泄水巷分別位于回風巷道和進風巷道的外側20m處，且煤柱中還設有聯絡巷，如圖1所示。胡家河礦屬于高瓦斯礦井，401101工作面回采期間絕對瓦斯涌出量達35.8m3/min，另外，該礦還有沖擊礦壓和高溫的災害。因此，多種災害共存的條件下，針對該工作面煤炭自燃的防治有如下難點。

圖1 工作面巷道布置示意

1)采用綜采放頂煤技術，冒落高度大、采空區遺留浮煤多，漏風嚴重，為煤炭氧化提供了充足的反應物，采空區煤炭自燃危險性增大[5]。

2)工作面布置五條巷道，破壞了煤體的整體性，再加上沖擊礦壓，灌漿巷與回風和泄水巷與進風巷道之間的煤柱被壓酥，回風和進風巷道頂板破碎，支護難度加大，工作面及端頭支架往前移動緩慢，最終導致工作面推采速度緩慢，給采空區浮煤氧化提供了時間。

3)由于沖擊礦壓，灌漿巷與回風和泄水巷與進風巷道之間的煤柱被壓酥，工作面上下隅角及采空區與灌漿巷和泄水巷之間形成暢通的漏風通道，造成漏風嚴重，采空區供氧充分。

4)頻繁的沖擊礦壓造成煤體裂隙進一步發育，煤體與氧氣接觸的表面積增大，吸氧量增加，從一定程度上縮短了煤的自然發火期。

5)工作面瓦斯涌出量大，為了有效的治理瓦斯，采用了3套瓦斯抽放系統，抽放方法包括采前預抽、高抽巷抽放、回風隅角埋管抽放等。其中高抽巷和回風隅角抽放均屬于泄壓抽放，將會對采空區形成立體抽放效果，從而會導致采空區漏風量增大。

6)由于地溫的影響，造成該工作面溫度較高，采空區浮煤氧化產生的熱量不易散發，給煤炭氧化過程中熱量的積聚創造了良好條件。

2 煤層自燃特性測試

2.1 測試裝置及程序

指標氣體實驗系統圖如圖2所示，其主要由程序控溫箱、氣體分析儀、銅質煤樣罐、預熱氣路、溫度控制系統、氣體質量流量控制器等組成。

1-干空氣瓶；2-減壓閥；3-穩壓閥；4-穩流閥；5-壓力表；6-氣阻；7-流量傳感器；8-隔熱層；9-控溫箱；10-氣體預熱銅管；11-進氣管；12-出氣管；13-煤樣罐；14-鉑電阻溫度傳感器；15-風扇；16-加熱器；17-控制器及顯示鍵盤；18-數據采集系統；19-自動采樣控制系統；20-氣相色譜儀；21-計算機

測試時，將50g粒度為40～80目的煤樣置于銅質煤樣罐內，將煤樣罐置于程序控溫箱內，連接好進氣、出氣的氣路和溫度探頭(探頭置于煤樣罐的幾何中心)，檢查氣路的氣密性，然后向煤樣內通入50mL/min的干空氣，在程序控溫箱控制下對煤樣進行加熱，當達到指定測試溫度時候，恒定溫度5min后采取氣樣進行氣體成分和濃度分析。

2.2 測試結果與分析

從胡家河井下401101工作面采取煤樣，馬上進行密封儲存，實驗室測試前前先剝去煤樣表面氧化層，然后對其進行破碎并篩分出40～80目的顆粒50g作為實驗煤樣，測試曲線如圖3、圖4所示。

圖3 C2H4和C2H2濃度隨溫度的變化趨勢

圖4 CO濃度隨溫度的變化趨勢

從圖3、圖4可以看出，401101工作面的煤樣在30℃到216℃溫度范圍的氧化過程中有規律的出現CO、C2H4和C2H2氣體，且生成量隨煤溫的升高基本呈指數上升趨勢；CO在30℃時即開始出現，說明工作面的煤在常溫下就會產生CO，在低溫氧化階段CO的生成量較小，煤溫達到60～70℃之后其生成量迅速增加，這說明該溫度下煤已經開始迅速氧化，物理吸附已經越來越弱而化學吸附和化學反應則占據了主要位置，由此可以判斷煤樣的臨界溫度為60～70℃；當煤溫超過90～100℃時，耗氧速度，CO的產生速率又一次產生率急劇增加，且有微量C2H4等煤分子支鏈裂解的氣體產生，當溫度超過90℃時C2H4的濃度基本成指數規律迅速增大，故推斷該煤樣的干裂溫度為90～100℃；當溫度達到190℃左右時開始有少量的C2H2氣體出現，并呈現出有規律的變化。說明一旦能監測出C2H4和C2H2時，煤溫已經分別達到了80℃和190℃左右了，表明煤已經發生劇烈的化學反應。因此，在生產過程中，要監測CO、C2H4和C2H2的濃度變化趨勢來掌握煤炭自燃情況。如果CO的變化趨勢持續增加，則說明煤已經發生氧化反應，一旦有C2H4出現說明煤溫已超過80℃，C2H2的出現則說明煤溫至少已經超過190℃，此時應采取積極的防滅火措施。

3 “堵、灌、隔”綜合防滅火技術

3.1 工作面上下隅角封堵漏風

卡弗尼預制塊是一種高分子材料(改性聚氨酯泡沫)，是由多種高分子化合物經過復配加入適量的交聯劑、穩定劑和固化劑，在特定條件下反應預制成的塊狀泡沫體，而且體內所有的泡沫均為閉孔泡沫，達到提高強度和密閉不透氣的目的。具備重量輕、施工快、密封性能好、阻燃防爆、成本低的特點。由于它是柔性材料，當頂板有壓力時，會愈壓密封性能愈好，這是該封堵材料重要一個性能。

401101工作面開始回采后就開始運用卡佛尼快速預制塊對上、下隅角未冒落的區域進行封堵，如圖5所示，大幅度降低了工人勞動強度，縮短了封堵墻的施工時間，有效地減少了上、下隅角瓦斯涌出量，抑制了上、下隅角的漏風。

圖5 上下隅角采用預制塊封堵未冒落區域示意

3.2 大流量灌注三相泡沫

防治煤炭自燃的三相泡沫由固態不燃物(粉煤灰或黃泥等)、氣體(N2或空氣)和水三相防滅火介質組成。與現有的防滅火技術及材料相比，含氮氣的三相泡沫兼有一般注漿方法和惰氣泡沫防滅火的優點。泥漿通過引入氮氣發泡后形成三相泡沫，體積大幅快速增加，被注入后能充斥整個采空區，因為三相泡沫有很好的堆積性，所以能在火區中向高處堆積，對低、高處的浮煤都能覆蓋；三相泡沫能將漿水均勻的分散，有較好的掛壁性，有效地避免漿體的流失，保護井下環境；注入在采空區的氮氣被封裝在泡沫之中，能較長時間滯留在采空區中，充分發揮氮氣的窒息防滅火功能；三相泡沫中含有粉煤灰或黃泥等固態物質，這些固態物質是三相泡沫面膜的一部分，可較長時間保持泡沫的穩定性，即使泡沫破碎了，具有一定粘度的粉煤灰或黃泥仍然可較均勻地覆蓋在浮煤上，可持久有效地阻礙煤對氧的吸附，防止煤的氧化，從而防治煤炭自然發火[6-8]。

401101工作面三相泡沫灌注工藝流程是：首先在制漿站中，用高壓水槍沖洗山上的黃土，形成適當濃度的黃泥漿，經過過濾網，靠泥漿泵將其輸送到注漿管路中在，在井下適當位置加入發泡劑，經過安裝在灌漿巷和泄水巷的兩發泡器產生三相泡沫，隨著工作面的推采，每隔50～80m在灌漿巷和泄水巷設一個鉆場，鉆場內往采空區施工若干153mm的鉆孔，通過孔徑同時往采空區灌注三相泡沫，具體流程如圖6所示。

圖6 401101工作面灌注三相泡沫工藝流程

3.3 注凝膠形成隔離帶

凝膠是在水或者黃泥漿中添加一定比例的膠凝劑而生成的果凍狀物質，它能封堵煤體裂隙，阻斷氧擴散，同時凝膠中含有的大量水份，能吸收大量煤氧化產生的熱量，進而降低煤體內部溫度，從而達到防滅火的效果[9]。

為了防止向采空區漏風及阻止灌注到采空區的黃泥漿或者三相泡沫等防滅火材料流到支架前方。隨著工作面的推采，每隔80m，從401101工作面向架后采空區灌注凝膠，使凝膠在工作面架后形成一道平行于工作面的墻體，隔離支架后部與采空區。

施工時，首先在401101工作面由煤壁側向架后施工鉆孔，每隔5架布置一個鉆孔。鉆孔設計方位90°，仰角20～25°，伸入采空區內15～18m，鉆孔內留有Φ50mm的套管。然后在工作面前部溜子上敷設一趟Φ108mm鋼管與井下灌漿管路連接，鋼管上每隔30m設置一個出口，出口采用Φ100mm閘閥單獨控制，且每個出口上均連接一個分流器，每個分流器均使用Φ51mm高壓膠管三個鉆孔相連，每個注漿孔采用Φ50mm閥門控制。

為了降低成本，401101工作面采用水玻璃與化肥制備凝膠，其中水玻璃與化肥質量比為3.75∶1，水玻璃在地面灌漿站按照一定比例被加入到灌漿管路中，化肥為膠凝劑，在井下合適的地方通過注膠機添加。施工時采用2臺ZM-5/1.8G型煤礦用注膠機(技術參數見表1)添加凝膠劑，整個注凝膠工藝如圖7所示。

表1 ZM-5/1.8G型煤礦用注漿機技術參數

圖7 401101工作面注膠工藝

4 結語

1)分析了401101工作面多種災害共存條件下，煤炭自燃防治的技術難點，特別是沖擊礦壓對煤炭自燃的影響。

2)測試了401101工作面煤樣的自燃特性，為工作面煤炭自燃的預測預報提供了科學依據。

3)本文結合礦井的實際情況提出了工作面“堵、灌、隔”綜合防滅火技術。首先在工作面上下隅角進行封堵防治漏風；其次，采用“兩道”同時灌注三相泡沫技術有機的把黃泥灌漿和注氮結合起來，避免黃泥漿流失嚴重現象，將黃泥體積大幅度增加，把黃泥帶至采空區高低、隱蔽處，對采空區大面積自燃危險區域進行覆蓋；然后，隨著工作面推采，每隔

80m在支架后部灌注凝膠墻，形成隔離帶，一方面防止采空區漏風，另一方面防止俯采時灌入采空區的黃泥漿或者三相泡沫等防滅火材料從采空區流出。

4)綜合防滅火技術在401101工作面的實施，保證了該工作面安全、正常的開采，表明該技術防滅火效果顯著，同時也為同類工作面煤炭自燃的防治提供了新的技術手段和寶貴經驗。

[1] 王省身,張國樞.礦井火災防治[M].徐州:中石礦業大學出版社,1990：20-27.

[2] 戚穎敏.礦井防滅火(煤礦安全手冊)[M].第4篇.北京:煤炭工業出版社,1991.

[3] 李學誠.中國煤礦安全大全[M].北京:煤炭工業出版社,1998.

[4] 王德明.礦井通風與安全[M].徐州:中國礦業大學出版社,2007.

[5] 劉英學,鄔培菊.黃泥灌漿防止采空區遺煤自燃的機理分析與應用[J].中國安全科學學報,1997,2(1),36-39.

[6] 任萬興，巫斌偉，王德明，等.高瓦斯易自燃超大俯采工作面的防滅火技術研究[J].采礦與安全工程學報，2009，26(2)：198-202.

[7] 任萬興，王德明，周福寶，等.松軟巨厚煤層高冒區自然發火原因及其防治技術[J].煤炭科學技術，2007，35(5)：24-27.

[8] 王德明.礦井防滅火新技術——三相泡沫[J].煤礦安全，2004，35(7):16-18.

[9] 徐精彩，文虎，鄧軍，等.凝膠防滅火技術在煤層內因火災防治中的應用[J].中國煤炭，1997(5)：28-30，59.