采空區堵漏防滅火技術的實踐與應用

盧 斌

（河南理工大學安全科學與工程學院，河南 焦作 454000）

0 引言

我國煤礦眾多，煤炭自然發火非常嚴重，據統計我國有54.9%的煤礦存在自然發火問題[1]。就礦井火災而言，煤炭自燃火災次數約占礦井火災總次數的94%。隨著煤礦開采技術的不斷發展，礦井高強度開采使得采空區范圍不斷增大，而采空區遺煤自燃變得不容小覷，因遺煤自燃引起的火災發生的次數占總自燃火災次數的60%以上。煤礦火災的發生還經常引發一系列重大事故如瓦斯爆炸、煤塵爆炸等，礦工的生命安全受到了嚴重威脅，給國家帶來了驚人的財產損失[2]。

1 礦井概況

山西河曲晉神磁窯溝煤業有限公司隸屬山西省晉神能源有限公司，井田面積為10.6227km2，年產能為180 萬噸/年。磁窯溝10202 工作面開采10～2 煤層，該煤層為特厚煤層，賦存較不穩定，工作面煤(巖)層呈單斜構造賦存，大體向北西方向傾斜，煤層傾角為2～8°，煤層平均傾角為4°10′，煤(巖)層中節理、裂隙中等發育。10～2 號煤層采用長壁式（走向或傾斜）一次采全高綜合機械化采煤方法，采用全部垮落法管理頂板，通風方式為W 型通風。煤層絕對瓦斯涌出量2.086m3/min，相對瓦斯涌出量0.817m3/t，CO2絕對涌出量3.332m3/min，CO2相對涌出量1.303m3/t。煤層具有爆炸性，井田各煤層煤的自燃發火期為3～6個月，井田內各煤層采空區均有自燃現象，煤的自燃傾向等級為容易自燃煤層。

2 采空區遺煤自燃分析

由于10-2 煤層埋深淺，使綜采回采后地表受到煤層開采影響，引起地面塌陷使采空區形成許多與地表貫通的不易封閉的裂縫，同時一次采全高的采煤方法，使采空區的浮煤較多，在礦井負壓通風的作用下形成多源漏風，漏風過程中，風流中的氧氣源源不斷的進入采空區破碎的煤體中,煤體在氧氣的作用下發生緩慢氧化放出熱量，由于采空區內風量較小從而使得產生的熱量得以集聚，溫度逐漸升高，當達到煤的自燃點時，遺煤就發生了自燃現象。

3 采空區堵漏防滅火

3.1 堵漏防滅火原理

物質燃燒三要素即：可燃物、氧氣、溫度。只有三個條件同時存在且達到一定數值，物質才能燃燒。堵漏防滅火技術是將發泡堵漏材料，通過發泡機的發泡系統將泡沫劑用機械方式充分發泡，并將泡沫與水泥漿均勻混合，然后經過發泡機的泵送系統壓送到破碎媒體裂隙和縫隙中，經自然養護形成一種含有大量封閉氣孔的新型輕質填充材料[3]。當壓力再升到一定程度,充填體發生塑性變形,釋放巷道壓力以防止煤體被重新壓裂而形成新的漏風通道,該充填體能夠起到隔絕空氣、吸熱降溫的作用因此堵漏防火效果較好。其堵漏防滅火工藝流程如圖1 所示。

3.2 高強復合發泡系統

計量磅1 臺；攪拌機4 臺；混合漿料輸送機（或注漿泵）1 臺；空氣壓縮機（或用井下壓縮空氣代替）1 臺，注漿管50m。試驗用的發泡系統如圖2。

3.3 高強復合發泡封堵材料主要指標

（1）發泡倍數5～10 倍；

（2）適用溫度≥15℃；

（3）失去流動性時間為10～30min，凝固時間為90～200min（可控制）；

（4）發泡材料膨脹性適中，封堵嚴密；

（5）對發火區域封堵效果好，質量高。封堵材料與煤壁之間具有優良的潤濕、附著性能；

（6）材料不燃性能好，強度高的特點。與同類封堵材料相比，具有防火阻燃性能優良，強度高，達到煤礦安全生產規程要求；

（7）抗壓、抗拉強度高。抗壓強度≥0.3MPa，封堵強度達到防火要求，無漏氣、滲水現象；

（8）性價比高，成本較低；

（9）封堵施工速度快、方便，發泡速度適中，凝固時間可控。

3.4 采空區堵漏技術應用

在10202 工作面回風巷內做鉆場，鉆場斷面大小為2×2，每鉆場打三個鉆孔，孔深為20m，孔徑為90mm，鉆場間隔為25～35m，應用高強度復合硅酸鹽發泡材料快速堵漏，有效地隔絕采空區的漏風，縮短氧化帶。鉆孔布置如圖4 所示。

4 封堵效果分析

采空區遺煤產生自然發火的條件之一是供氧，蓄熱程度由風速決定。一般認為，能夠抑制煤的自熱的氧氣濃度下限為8%。氧氣濃度大于18%為散熱帶，小于8%為窒息帶，在8%～18%為自燃氧化帶[4]，此處研究遺煤高度為0.2m 時自燃氧化帶的分布。在實測期間10202 綜放工作面的供風量為1300m3/min 故該模擬選取風量仍為1300m3/min。圖5 顯示了遺煤高度為0.2 平面，封堵前后氧氣濃度在8%～18%間的自燃氧化帶分布情況。

由圖5 可知封堵使自然氧化帶向工作面靠攏，且相同風量下，封堵（b）比未封堵（a）時氧化帶的寬度減小。該數值模擬結果與實際結果基本一致。

5 結論

高強復合發泡防滅火材料注入到封閉區域后在一定壓力的作用下，可密實封閉區域，堵塞漏風供氧通道。其充填效率高，抗壓能力強，操作簡單，對于采空區堵漏防滅火十分有效。

應用應用充填材料對封閉采空區的堵漏處理，應用恰當，技術合理，防火效果好，對于其他礦井采空區封堵漏風工作有一定的參考價值。

［1］梁運濤,羅海珠.中國煤礦火災防治技術現狀與趨勢[J].煤炭學報,2008,33（2）:126-130.

［2］王省身,張國樞.中國煤礦火災防治技術的現狀與發展[J].火災科學,1994,3(2):1-6.

［3］雷磊.無機發泡膠凝材料防治采空區遺煤自然研究[D].焦作:河南理工大學,2011.

［4］徐精彩,文虎,張辛亥,等.綜放面采空區遺煤自燃危險區域判定方法的研究[J].中國科學技術大學學報,2002,32（6）:672-677.