貓兒溝露天礦立體火區快速治理技術研究應用

孟旭剛

(晉能集團 忻州有限公司，山西 忻州 034000)

貓兒溝露天礦平盤推進至920平盤A采區時，煤層內發現大量完整小窯采空區巷道，并伴隨有煤炭自燃現象。隨著生產的繼續和時間的推移，小窯采空區內自燃現象越來越嚴重[1]，有大量藍色煙霧和明火從巷道內冒出，小窯采空區內已經形成了大范圍明火區，火區火勢嚴重，亟需治理[2,3]. 貓兒溝露天礦小窯火區具有以下特點：1) 火勢由巷道外側逐漸向縱深發展。巷道外側漏風嚴重，供氧充足，加之具備其它煤氧化自燃條件，致使其率先發生氧化自燃進入高速氧化階段，同時由于煙囪效應的存在，火勢沿巷道向縱深發展。2) 漏風通道復雜，漏風嚴重。原井工小煤窯亂采亂挖存在較多的角聯漏風通道，尤其巷道外側因采區爆破剝離影響，漏風更加嚴重。3) 火源隱蔽，滅火針對性差。貓兒溝露天礦原井工小窯亂采亂挖造成眾多采空區巷道分布不明，浮煤堆積情況不清，很難確定火源點的具體位置。4) 熄滅火區后期維護困難，容易復燃。貓兒溝煤業實際滅火過程中，由于地下火區相互連通，熱量通過裂隙、巷道等渠道相互傳導，熄滅的火區易發生復燃。因此，針對該火區的治理不能采用常規的治理措施，需采用充填阻隔滅火技術將巷道外側進行封堵，隨后對巷道已燃區域采用快速降溫與迅速挖除，才能將此火區徹底治理。

1 貓兒溝露天礦采空區火區治理難點

貓兒溝露天礦小煤窯采用沿煤層底板或煤層中部掘巷的開采方式。開采結束后，大部分巷道未完全垮落，只是巷道頂部煤層部分垮落形成大量遺煤，受巷道漏風影響遺煤大面積自燃形成底部高溫火區，底部高溫火區不斷烘烤上部煤巖形成大面積立體火區。貓兒溝露天礦采空區火區特點和治理難點是火區面積大、熱量高，小流量滅火材料難以達到理想的治理效果；高低位火源相結合的立體火區，傳統的滅火技術難以對高位火源進行有效的滅火降溫；火區漏風嚴重、易復燃，后期管理困難。為了治理貓兒溝露天礦立體火區，必須采用高低位相結合的火區治理技術，以便達到理想的治理效果。

2 采空區立體火區治理技術

基于貓兒溝露天礦火區具體條件和現狀，該礦920平盤A采區火區整體采用分區治理，逐步推進的思路。火區治理技術路線為施工專用滅火鉆孔、注水注漿、三相泡沫滅火、火區填充隔離、火區覆蓋剝離，在治理過程中對火區治理效果進行實時監測，對火區治理強度和治理手段進行動態調整，以達到最好的滅火效果。1) 施工專用滅火鉆孔一方面探查采空區火區溫度分布情況，收集鉆孔溫度、鉆孔深度、采空區深度、范圍等信息，另一方面為滅火提供施工條件。2) 已經燃燒的地表火區和巷道高溫區采用注水、注漿技術進行火區處理，針對高位火源必要時采用三相泡沫技術進行滅火降溫。3) 火區填充隔離主要是盡可能將已經發火區域與內部未燃燒區域填充隔離，防止火勢向采空區內部蔓延。4) 為了防止火區復燃，必要時采用火區覆蓋，火區治理結束后采用機械設備對火區進行剝離，剝離同時對火區進行降溫處理，每次剝離不要超過隔離區域。火區治理施工方案平面布置見圖1.

圖1 火區治理施工方案平面布置圖

3 貓兒溝露天礦立體火區治理技術

3.1 巷道已燃區域快速滅火降溫技術

基于貓兒溝露天礦920平盤A采區火區的現場實際，為滿足滅火降溫需求，綜合采用注水技術、注漿技術、三相泡沫技術對火區進行治理。

1) 注水技術。注水是最直接有效的滅火方式，經濟實惠，火區治理過程中，先采用最直接的注水方式，消除水可以到達區域的明火及高溫，同時可以起到沖開裂隙通道的作用，以擴大注漿與灌注粉煤灰改性填充材料的影響范圍。根據貓兒溝煤業實際情況，采用水車后部加壓水泵輸水灌注的方式，注水參數見表1.

表1 鉆孔注水參數表

2) 注漿技術。貓兒溝煤業920平盤火區存在大量的漏風通道，在火風壓的作用下，火區不斷有空氣供給，導致火區不斷擴大，因此通過灌注黃泥漿或粉煤灰漿液，不僅能夠包裹煤體進行降溫，防止復燃，還能填實裂隙，減少漏風。同時，灌注粉煤灰漿液可以對采空區進行預充填，減少了后期灌注粉煤灰改性填充材料用量，節約了火區治理成本。

注漿原則：a) 注漿實行先外圍后中心方式。b) 注漿前先注水沖洗。c) 間歇性注漿。注漿技術指標：a) 粉煤灰顆粒<2 mm. b) 粉煤灰中嚴禁摻雜石塊、土塊等雜物。注漿注意事項：必須保持合適的泥漿濃度，水灰比控制在2∶1～5∶1，注漿時由現場技術人員指導操作。單個鉆孔注漿參數見表2，單個鉆孔灌注粉煤灰改性材料稀漿液參數見表3.

表2 單個鉆孔注漿參數表

表3 單個鉆孔灌注漿液參數表

3) 灌注三相泡沫技術。針對巷道高位火源的治理，注水注漿技術效果甚微且極易出現“拉溝”現象，而三相泡沫技術具有產生量大、覆蓋面廣、可向高處堆積的特點，可對巷道內高位火源進行針對性治理[4,5]. 三相泡沫灌注流程：制漿站中制成泥漿，通過過濾網經過泥漿泵輸送入三相泡沫注漿管路，同時通過發泡劑定量添加泵往黃泥漿中添加3‰～5‰的發泡劑，漿液與發泡劑在管道中經混合器混合均勻后進入發泡器，在發泡器中接入空壓機氣源，氣體與含有發泡劑的黃泥漿體相互作用產生三相泡沫，三相泡沫經分流器與地面鉆孔用滅火介質灌注裝置相連注入滅火鉆孔。灌注三相泡沫原則：a) 灌注前采用注水注漿措施預處理。b) 優先灌注明火高溫鉆孔。c) 鉆孔交叉灌注。灌注三相泡沫主要技術參數見表4.

表4 三相泡沫灌注參數表

3.2 火區充填防復燃技術

1) 材料選擇。基于貓兒溝露天礦920平盤A采區火區的特點，火區充填材料應該具備凝固時間可控，充填工藝簡單的特點。經綜合考慮，決定選用粉煤灰改性填充滅火材料，該材料由粉煤灰、添加劑和水混合制備而成，其基本性能包括：基本物理性能：含有大量水。水的汽化熱為2 264 kJ/kg，比熱是4.184 kJ/kg，具有良好的吸熱降溫作用，使燃燒物體快速降溫，達到滅火目的；流體力學性能：煤灰改性填充滅火材料A、B、D料混合漿液為振凝時變性非牛頓流體，混合后的材料漿體隨著時間的變化其黏度逐漸上升，不同配比條件下其凝結時間不同，輸送材料混合漿體時需要結合材料的配比以及管路輸送時間來綜合確定輸送距離，防止材料在管路中固化；化學性能：煤灰改性填充滅火材料的凝結及固化時間是涉及充填工藝及材料性能的重要參數。材料的凝結情況主要受水固比與添加劑性能的影響。在其他條件不變的情況下，水固比越大，凝結時間越長。當材料固結體置于空氣中時，固結體的物理力學性能會發生較大變化，抗壓強度會明顯降低，置于空氣中的煤灰改性填充滅火材料固結體，游離水的失去與結構的失穩，使固結體表面松散，與空氣的接觸面積逐漸增加，隨著固結體置于空氣中時間的延長，這種風化現象逐漸由表面向固結體中間發展，最終導致固結體完全失穩。

2) 煤灰改性填充滅火材料制備工藝。材料制備系統包括自動上下料裝置、自動上水裝置、自動稱重裝置、自動攪拌裝置、漿液輸出裝置，具有可自動控制漿液濃度的優點。煤灰改性填充滅火材料灌注工藝流程圖見圖2.

圖2 綜合滅火系統制、注漿流程圖

3) 充填阻隔技術現場實施。貓兒溝煤業920平盤火區北部火勢最為嚴重，打鉆探測發現明火巷道及高溫，為控制火勢發展，充填阻隔采取由北部向南部逐漸填充的順序。灌注煤灰改性填充滅火材料漿液原則：a) 注漿實行先外圍后中心方式。b) 由西北往東南方向，由高處向低處依次灌注。c) 間歇性注漿。注漿注意事項：必須保持合適的漿液濃度，漿液濃度由現場專業技術人員指導控制。充填阻隔滅火技術實施的相關參數見表5.

表5 充填阻隔滅火技術實施參數表

3.3 應用效果分析

該礦920平盤A區火區治理過程中，共施工滅火專用鉆孔124個，巷道充填帶寬度40 m，巷道隔離帶充填率達97%，防火隔離帶后方未燃巷道內溫度均在30 ℃以下，CO濃度為0，已燃巷道區段經過治理后巷道內平均溫度由150 ℃降至37 ℃，CO濃度平均由3%降至0.08%，成功地治理了巷道內煤炭自然發火。已燃巷道區段平均溫度變化曲線見圖3，已燃巷道區段平均CO濃度變化曲線見圖4.

圖3 已燃巷道區段平均溫度變化曲線圖

圖4 已燃巷道區段平均CO濃度變化曲線圖

4 結 論

貓兒溝露天礦采空區火區已經發展為立體火區，治理難度增加，采用三相泡沫技術和粉煤灰改性滅火填充材料對火區進行快速滅火降溫和防復燃處理，通過治理火區得到有效控制，對巷道內已燃區域的快速降溫滅火處理，成功將貓兒溝礦920平盤A采區火區徹底熄滅，應用效果良好，取得了顯著的經濟效益與社會效益。實踐證明，針對露天礦小窯采空區立體火區的綜合治理技術確實有效，對其他露天礦小窯采空區火區的治理也具有一定的指導意義與參考價值。

參 考 文 獻

[1] 湯笑飛.安家嶺露天礦小窯火區快速治理技術研究[D].徐州：中國礦業大學，2014.

[2] 鄭克明,王德明,亓冠圣,等. 平朔東露天礦高溫爆破孔降溫技術分析[J]. 煤炭技術,2015,(09):199-202.

[3] 時 遷,鄭克明,董帥軍,等. 露天礦火區成因分析及綜合治理技術[J]. 煤炭技術,2016,(11):188-190.

[4] 史廣義.露天礦采空區空洞火區治理方法研究[D].徐州：中國礦業大學,2017.

[5] 張 瑋,張 微,鄭克明，等.兩相泡沫在露天礦空間立體火區治理中的應用[J].2016,(15):109-110.