整合礦井巷道局部高溫火區治理技術研究

向劍飛，李明亮，王鑫鑫，王青祥

(1.中煤順通北祖煤業有限公司，山西朔州036900;2.中國礦業大學安全工程學院，江蘇徐州221116)

國有重點煤礦中約56%的礦井有自然發火危險，煤炭自燃引起的火災占礦井火災總數的85% ～90%。尤其對于小煤礦，由于開采方法落后，采出率低，采空區破碎遺煤多，封閉不嚴，漏風嚴重，并且開采深度較淺，上覆巖層垮落后，易形成與地面溝通的漏風通道，在長期漏風供氧條件下極易引起采空區煤炭自燃。

統計表明2010年存在煤層自然發火的小煤礦數量占全國自然發火礦井總數的90%以上。整合礦井幾乎都是幾個小煤礦整合而來，自然發火較為嚴重。由于小煤礦資料缺乏，開采范圍不明，自然發火區域難以確定，火區治理難度大。針對整合礦井火區治理的復雜性，需根據現有的探測技術和防滅火手段，結合整合礦井實際研究提出一整套完善的“探測—隔離—堵漏—治理—監測”系統性防滅火方案，并將此方法運用到北組礦巷道火區治理中，取得了較好效果。

1 北組礦高溫火區概況

北祖礦是由原北祖煤礦、原觀音堂聯營煤礦、原順風煤礦以及之間的國有空白區整合而成，原順風和觀音堂聯營煤礦發生過煤炭自燃現象。2014年整合礦井先后發現2處高溫異常區域，第1處位于9209工作面運輸巷，高溫將噴漿燒透后落下高溫煤體，煤體顯現紅色火星，紅色煤塊不斷掉下，新露出的煤塊不斷產生紅色火點，掉下煤塊溫度170℃左右。通過球膽取樣化驗，檢測出CO氣體0.2625%，CO2氣體 5.6%，C2H6氣體 0.041%，O2氣體10%;第2處位于主井一部膠帶機架棚噴漿巷道，最高溫度約89℃，外部高溫范圍約1m2，手觸有明顯高溫發燙感覺，并且該處巷道噴漿表面有裂隙，空氣經裂隙漏入火區，通過施工鉆孔發現架棚段后方均為堆積浮煤，高溫區域長度為9m，鉆孔流出煤屑最高溫度為240℃。

2 “探測—隔離—堵漏—治理—監測”治理方案

巷道高溫火區“探測—隔離—堵漏—治理—監測”治理方案是指通過全面探測確定巷道高溫火區范圍，有效隔絕高溫火區的漏風通道，根據礦井實際選擇火區治理方法，最后全方位監測火區治理效果的系統性滅火方案，該方案使整合礦井巷道局部高溫火區治理程序化和系統化。

2.1 高溫火區范圍及發展趨勢探測

采用體積小、攜帶方便的本安型紅外測溫儀(CWG550H)對巷道自然發火疑似區域進行探測。探測時首先在巷道高溫疑似區域按照2m的固定距離劃分經線 (1～3)和緯線 (A～L)，將經緯線交點作為溫度監測點，如圖1所示，之后再用紅外測溫儀測定監測點溫度，從而準確判斷出高溫火區的范圍。通過長時間探測數據，分析高溫點變化，判斷高溫范圍發展方向。

圖1 溫度監測點布置

圖2 主井一部膠帶機尾部局部高溫區溫度分布

圖3 9209運輸巷局部高溫區溫度分布

以圖1中A1點作為坐標原點，橫縱坐標軸分別與經線和緯線平行，建立直角坐標系。根據測得的溫度數據，利用插值函數繪出主井一部膠帶機尾部及9209運輸巷局部高溫區域的溫度分布圖像分別如圖2和圖3所示。由圖2可知主井一部膠帶機尾部坐標為 (8，2)的點E2附近溫度最高，高溫區范圍為以D3(6，4)，D1(6，0)，G1(12，0)，G3(12，4)4 點為頂點的矩形區域，并且高溫區范圍隨時間推移不斷擴大，向x軸方向發展，如第1d x軸上的E1點(8，0)溫度僅為18℃，而90d后E1點溫度達到23℃。

如圖3所示，9209運輸巷前30d最高溫度點位于坐標為 (18，2)的J2點，高溫范圍為以H1(14，0)，H3(14，4)，L3(22，4)，L4(22，0)為頂點的矩形區域。然而經過60d后，出現新的高溫火區，高溫范圍為以 A1(0，0)，A3(0，4)，B1(2，0)，B3(2，4)為頂點的矩形區域，A1和A3點溫度分別達到44℃和42℃，但中部A2點溫度較低，僅為25℃。經過90d后，火區不斷向中部發展，A2溫度上升至33℃。

2.2 高溫火區“隔離－堵漏－治理－監測”技術

當高溫火區范圍確定后，首先采取封堵隔離措施，減少供氧條件，防止火區進一步蔓延擴散。通過對9209運輸巷和主井一部膠帶機尾高溫點觀察，高溫范圍內為架棚噴漿巷道，在高溫影響下均出現裂痕，因此，對工字鋼棚上焊接鋼條加固巷道，隨后將菱形網片編織在鋼條上，最后噴灰砂漿以封堵漏風裂隙，將火區和巷道隔離開來。隔離火區并封堵漏風通道之后，結合北祖礦水源不足、高溫點位于巷道上方舊巷和采空區等實際情況，宜采用凝膠防滅火方法進行滅火。

為得到防滅火性能最優的凝膠材料，現場進行了水玻璃 (硅酸鈉水溶液)、碳酸氫鈉和水配比試驗，最終得出最佳質量比例為水玻璃∶碳酸氫鈉∶水為15∶5∶80。為了確定注膠鉆孔半徑，對凝膠擴散范圍進行現場試驗。凝膠泵注漿壓力為2MPa，凝膠實際擴散半徑為1.5～3m。故在巷道截面上按扇形布置鉆孔，巷道兩幫肩窩各1個鉆孔，頂部2個鉆孔，并且布置多排鉆孔，每排間隔2.5m，覆蓋整個高溫區域。注漿設備選用凝膠泵，將碳酸氫鈉和水混合液與水玻璃按照最佳質量比例通過2個管路輸送至混合槍頭，混合槍頭經注漿鉆孔注入到火區進行滅火。注漿時要由深至淺步步后退。

2.3 高溫火區治理效果監測

注凝膠過程中監測高溫火區溫度變化，圖4為主井一部膠帶機尾監測到的高溫范圍的最高溫度和每次凝膠注入量隨時間變化曲線。由圖4可知:當最高溫度上升時，加大凝膠注入量，則溫度明顯下降;而凝膠注入量減少時，滅火效果變差，溫度又回升，因此再次增加凝膠注入量，最高溫度則又明顯降低。由此可見實施的凝膠防滅火治理火區的效果明顯，但需密切監測火區溫度變化，當火區溫度上升時，需加大凝膠注入量，防止火區煤體復燃。

采取凝膠防滅火技術措施后，9209運輸巷和主井尾部2處典型局部高溫火區溫度最終均降低到正常溫度，經過長時間的監測，2處火區溫度均未再次回升，說明火區得到了有效治理。

圖4 凝膠注入量及最高溫度變化曲線

3 結論

(1)根據經驗總結提出整合礦井局部高溫火區“探測—隔離—堵漏—治理—監測”系統性滅火方案，該方案具有較強的可操作性和實用性。

(2)先通過紅外線探測確定火區范圍，之后通過鉆孔向高溫火區注凝膠防滅火材料的方法可有效治理巷道局部高溫火區。

(3)采取滅火措施降低火區溫度后，仍需對火區進行較長時間的監測，防止火區復燃和蔓延。

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