煤田火區成因機理及注漿固化滅火技術

薛小軍

【摘要】北方地區是我國主要的煤炭生產基地，但由于北方地區自然地理條件，極易導致煤層自燃，形成煤田火區。自20世紀70年代以來，由于北方煤田采煤工藝的改變以及規模的不斷擴大，導致煤田火區范圍迅速擴大，造成了重大經濟損失。鑒于此，本文主要分析煤田火區成因機理及注漿固化滅火技術。

【關鍵詞】煤田火區；成因；注漿固化

一、煤田火區成因機理

煤田火災不僅會燒毀大量煤炭資源，還會造成土壤沙化、植被死亡、地面塌陷等環境破壞。對井下工作面的影響主要是上覆隱蔽火區產生的火災氣體下泄后引起工作面CO超限或低氧問題。而火災中造成的人員傷亡85%以上都是煙氣引起的中毒、窒息，由于煤礦井下巷道網絡特殊的結構特征，這種傷害將更加明顯。因此，相關學者歷來非常重視煤田火災氣體生成、蔓延規律的研究工作。

二、煤田火災治理方法

（一）水剝離法

此法滅火徹底，適用于火源較淺，面積較小并且火區蔓延較慢的火區。首先對火區進行注水降溫至40℃，并對淺部空洞區進行爆破處理。然后通過機械剝離或定向爆破剝除火區的露頭火源及部分燒變巖。

（二）注水注漿覆蓋法

這種方法適用于燃燒部位較淺，裂隙非常發育的煤田火區。向火區深部注水或灌注黃泥漿（或阻燃膠體、固體充填料等），降低燃煤溫度，隔絕煤層與氧氣接觸，阻止煤炭進一步氧化燃燒，從而熄滅火體。最后利用黃土充填封閉火區地表裂縫、塌陷坑、廢舊采空區等，斷絕火區通風供氧通道。

（三）打鉆注水注漿覆蓋法

當煤火燃燒深度較大時，一般采用此方法滅火。使用該方法滅火首先要剝離火區露頭火源及部分燒變巖，對火區進行斜坡化處理。然后在火區分別布置探火鉆孔、滅火鉆孔和觀測鉆孔。以滅火鉆孔為中心對燃燒煤層進行注水降溫和注水封閉。注水注漿要遵循先高溫區后低溫區，間歇性注水的原則進行，避免爆噴事故。注漿材料一般選用黃土，為保證滅火效果，火區內塌陷區裂隙應基本充填，火區處于完全封閉狀態后方可停止注漿。為確保氧氣隔絕，防治復燃，最后在進行地表覆蓋。

三、煤田火區的注漿固化滅火技術

（一）鉆進成孔

根據本區地層塌陷破碎、空洞裂隙發育的特點，采用風動沖擊回轉鉆進成孔或沖擊跟管鉆進施工工藝.鉆進過程中依據鉆遇地層實際情況及時調整鉆壓、轉速、風量和風壓等參數.鉆壓、轉速、沖洗液量、風壓和風量，根據巖石的物理學性質、鉆頭類型、孔底刻取巖石的面積、孔深、鉆孔結構，并注意了它們之間的協調配合.施工用鉆進孔徑為130，108mm。

（二）漿液灌注

1.封堵孔灌注

固化材料漿體本身就具備著膨脹系數高、凝固時間快的性質，然而，在施工中遇見部分鉆孔出現固化材料一注即滿的情況，原因是地下火情嚴重、采空區溫度高，使固化材料漿體在擴散途中水分蒸發迅速凝固，堵塞灌漿通道，本次采用先注入清水，先行降低孔內溫度、沖洗裂隙和提高巖塊飽水率，使固化材料漿液可以充分擴散，同時采用加大水固比（從原來的1.5∶1.0變成后期的2.3∶1.0），使液體稀釋，增大擴散半徑；添加發泡劑，增大發泡倍數，達到了最佳的結石封堵充填效果。

2.灌注孔灌漿

由于灌漿鉆孔設計孔距較大，制備泥漿所用主材為本地黃土，其粒度粗、含砂量高，漿液合易性、流動性差，容易出現堵管、擴散半徑難以達到設計要求。為此，將運到現場的黃土先經過粉碎過篩后再制備黃泥漿，提高黃泥漿的性能。

治理區（特別2分區）近地表多處明火嚴重，撲滅明火難度很大，現場增加了部分新工藝及輔助材料制備復合泥漿.新配成的生石灰膨潤土漿具有漿液粒度均勻、懸浮好、不易沉淀、擴散性能好等特點，又能在高溫情況下形成多種化合物薄膜阻氧以達到滅火的目的。新配置的黃泥漿液，對地表明火和矸石著火的滅火治理效果更為明顯。

針對不同火區條件。調整泥漿材料配比如下。

漿液配方一：魚鱗溝（明槽）開挖1.002.00m深，在溝內灌漿直接注入復合漿液2或復合漿液1，結合平整覆蓋等輔助工程是應對近地表明火的有效方法。漿液配方二：對于孔內溫度高灌漿過程中溫度高、注入黃泥漿量比較大的孔，在灌漿時在原黃土漿液中加入10%的生石灰和2.5%的火堿，配制成火堿生石灰黃泥漿，在地表明火和矸石著火的滅火中較為有效。漿液配方三：對于孔內溫度高、灌漿過程中溫度高，但黃泥漿注入量較小的鉆孔，在漿液中添加10%的鈉基膨潤土、10%的生石灰、2.5%火堿制成生復合漿液1。漿液配方四：對于孔內溫度高、灌漿過程中溫度高、注黃泥漿很少，一注即滿的鉆孔，放棄原黃土泥漿，灌漿時采用無固相漿液，即用水中加入20%的鈉基膨潤土和2.5%的火堿.鉆孔井口密封，泥漿泵采用250/50型泵，灌漿壓力達到5～8MPa以上，強制性在火區中密閉。

3.灌漿結束標準

灌漿孔灌漿結束時進漿速度為開始進漿速度的1/4時結束單孔灌漿，灌漿孔二次灌漿時灌漿壓力達到。0.3MPa并穩定10min，且進漿速度為開始進漿速度的1/4時結束單孔灌漿，檢查孔灌漿壓力達到0.5MPa并穩定10min，且灌漿量不小于設計灌漿量的80%時結束單孔灌漿。

灌漿施工時根據每個鉆孔實際情況，通過調整漿液材料成分和配比，采用不同工藝和方法，達到預期最佳灌漿效果。

總之，黨中央和自治區政府高度重視的煤田滅火工作，經過第三次火區普查表明，煤火問題依然嚴重，滅火任務仍然十分艱巨。要吸引社會力量和國際合作伙伴參與煤田火災治理，盡快將清潔發展機制引入煤田火災治理工作當中。

參考文獻

[1]蔡燦凡.煤田火災溫度場及應力場演化過程相似模擬實驗研究[D].西安：西安科技大學，2017.