煤巷高冒區自然發火機理及防治技術

馮會杰

(貴州水城礦業股份有限公司大灣煤礦，貴州 六盤水 553000)

0 引言

高冒區遺煤自燃是煤礦自然發火的重要隱患之一，嚴重威脅著井下的安全生產。據統計國有重點煤礦中有自然發火危險的礦井約占56%[1-2]。隨著開采技術、裝備的發展，綜放開采得到廣泛地應用，其巷道布置往往沿煤層底板布置，受地質變化和地質構造的影響，巷道頂煤形成高冒區[3]。高冒區內呈破碎狀態的煤體，在適宜的漏風風速和蓄熱環境條件下，易導致自然發火。因此，研究高冒區自然發火規律及防治技術，對礦井的安全生產具有重要現實意義。

1 高冒區浮煤賦存狀態

普氏冒落拱理論[4]是指巷道開掘后，在上方會形成一個類似拋物線形狀的自然平衡拱，平衡拱的上方圍巖處于平衡狀態，下方是潛在的破碎區。巷道頂煤受壓破碎、離層，導致冒落，支護后頂棚網上堆積了一定厚度的松散浮煤。特別是地質構造區附近，是巷道冒落形成松散煤體的主要區域。

高冒區根據其孔裂隙分布狀態、松散程度以及冒落程度，可分為3個區域：破碎區、離層區和斷裂下沉區，如圖1所示。高冒區遺煤與巖石之間是多孔介質，其空隙固體骨架是遺煤和冒落的巖石。由于在高冒破碎區內，壓力完全釋放，小粒徑所占比重大，風流易通過該區域裂隙滲透進入松散煤體中，并在冒落煤體表面發生氧化蓄熱自燃。

圖1 巷道高冒區垂向分區示意圖

2 高冒區熱平衡分析

高冒區形成后其內部的浮煤緩慢氧化升溫，由于浮煤溫度升高與周圍巷道存在溫度差，形成了熱對流。促使巷道新鮮風流漏入高冒區內的驅動力為f[5]，計算見式(1)。

(1)

式中：T1—高冒區浮煤溫度；T2—巷道溫度；Δy—垂直高度差。當T1>T2，高冒區與巷道的溫差ΔT=T1-T2。式(1)含義即在垂直方向上的溫差變化率是熱量傳遞的驅動力，導致熱量的對流傳遞。高冒區內某點浮煤氧化產生的熱量傳遞到鄰近高冒浮煤的區域，從而浮煤整體溫度上升；同時由于高冒區內溫度升高導致其內部空氣密度降低，與空氣密度較高的巷道風流發生了熱對流，使巷道內新鮮風流漏入高冒區內，導致了高冒區的漏風。

高冒區溫度變化是其內部浮煤氧化放熱和漏風散熱的雙重作用，且當氧化放熱為促進作用時，浮煤便會發展到自燃階段。

3 高冒區傳質運動分析

高冒區遺煤蓄熱消耗氧氣，使其內部氧氣濃度降低，巷道中的新鮮風流就會因為與高冒區內的空氣存在濃度差而滲流其中。巷道中處于紊流狀態的空氣分子與高冒區內的空氣分子不斷撞擊，使高冒區內的空氣分子獲得向頂部不斷傳遞的能量，即形成擴散通風[6]，稱為擴散傳質。傳質驅動力與傳質勢有關，見式(2)。

(2)

式中：f—傳質驅動力；θ—傳質勢。即在垂直方向上的傳質勢變化率就是傳質驅動力。

高冒區形成后，成為一個獨立封閉體，由于內部遺煤和滲流空氣發生微弱氧化反應，導致高冒區內部氧氣濃度降低，溫度不斷升高，從而出現傳熱與傳質驅動力，促使巷道新鮮空氣不斷地進入高冒區，如此循環，從而導致高冒區遺煤自燃。

高冒區內遺煤自燃是煤氧復合作用的結果?？諝庵械难鯕馀c高冒區遺煤，經歷了物理吸附和化學吸附的過程。其中，煤物理吸氧主要表現為范德華力，是低溫氧化階段的主要吸附形式[7]。物理吸附是放熱過程，在蓄熱條件具備情況下，放熱量積聚，遺煤溫度逐漸升高。當煤溫達到一定溫度時，物理吸附逐漸減弱，化學吸附增強，該過程是煤氧化物理反應向化學反應的過渡，且隨著化學吸附的加深，煤氧化便進入快速化學反應階段，出現高冒區自燃。

4 高冒區遺煤自燃的關鍵防治技術

高冒區遺煤自燃是一個傳熱與傳質復合作用的過程，主要發生在破碎區和離層區交界處。目前預防高冒區遺煤自燃的技術措施有注水、灌漿、注凝膠、注氮氣、三相泡沫等[8]。注水和灌漿易沿破碎裂隙流失，注氮氣易隨風逸散，都不能有效地滯留在高溫煤自燃區域；而注凝膠易發生管路堵塞，且污染井下作業環境。而新研制的一種水溶性復合膠體充填材料，其具有可控的快速成膠性、良好的阻燃性，且有一定的強度、韌性和充填性，與三相泡沫防滅火技術[9]相結合，能有效防控高冒區遺煤自燃隱患。

4.1 水溶性復合膠體充填材料

水溶性復合膠體充填材料與水結合，根據不同添加比例可實現可控的固化膨脹，成型后呈乳白色彈性膠體，達到封堵裂隙、防漏風等效果，具有降溫、充填、隔絕空氣等功能，在自燃火災及漏風嚴重的礦井普遍使用，對保證礦井安全生產起著重要的作用。凝結時間及強度與水比例(水的質量與膠體劑質量之和的比例)關系見表1。

表1 水溶性復合膠體充填材料凝結時間

4.2 現場應用

高冒區概況：貴州大灣煤礦X10901-3工作面開采9#煤層為煤與瓦斯突出煤層，屬于Ⅱ類自燃煤層，煤塵具有爆炸危險性。工作面與地表垂深在340～390 m之間，開采煤層平均厚度6.3 m，煤層平均傾角為5°。工作面內生斷層裂隙發育，均為正斷層，且斷層落差大，對工作面回采影響較大。工作面在回采過程中，受斷層影響，進風巷超前應力段直接頂破碎，形成局部高冒區，冒頂區內有大量破碎遺煤。現場通過噴漿堵漏后，取樣分析監測高冒區內CO氣體含量有增大趨勢，并采取局部插管注氮的防滅火措施，但效果并不理想。

治理過程：在噴漿堵漏、注氮惰化等措施未達到明顯效果的情況下，為消除高冒區自燃隱患，現場采取向高冒區打鉆灌注三相泡沫消除立體遺煤高溫隱患，并壓注水溶性復合膠體充填堵漏滅火的措施。①三相泡沫立體降溫滅火—利用井下移動式注漿系統，接入三相泡沫發生裝置，并引入氮氣，即可形成豐富的三相泡沫?，F場通過錨桿鉆機對高冒區施工鉆孔并下套管(φ25 mm)，鉆孔成型后開始灌注三相泡沫，利用其高位堆積性、降溫等特性消除立體高溫隱患。當有大量的泡沫溢出時，停止灌注。具體工藝如圖2所示；②水溶性復合膠體充填滅火—待高冒區通過鉆孔采取灌注三相泡沫消高溫措施后，將充填材料和水按1∶5比例混合，使用氣動注漿泵，在水壓的驅動下，混合液料直接通過鉆孔壓注至高冒區進行封堵充填防滅火。灌注點根據成膠時間確定，為實現快速封堵應盡量接近使用點。灌注工藝如圖3所示。

圖2 灌注三相泡沫工藝圖

圖3 灌注水溶性復合膠體充填材料工藝圖

治理效果：現場自9月15日開始，通過1周的時間，對高冒區打鉆灌注三相泡沫、水溶性復合膠體充填材料。通過高冒區監測鉆孔取氣樣分析CO等指標氣體，CO濃度隨時間變化趨勢如圖4所示。

圖4 治理過程中CO濃度的變化

從圖4可以看出，治理前期CO濃度緩慢升高，最大可達1 000×10-6，說明高冒區遺煤氧化溫度較高，煤活化速率及CO產生速率增大。通過采取灌注三相泡沫消高溫，壓注水溶性復合膠體充填材料后，CO濃度呈快速下降趨勢，并最終消失，說明高冒區內的遺煤自燃隱患已經得到了有效地消除，工作面也恢復了安全生產。

5 結語

從高冒區浮煤分布狀態及傳熱、傳質方面分析了其內遺煤自燃的影響因素，結合大灣礦X10901-3工作面進風巷道高冒區的實際情況，在噴漿堵漏及注氮惰化效果不明顯的情況下，采取了鉆孔灌注三相泡沫、水溶性復合膠體充填材料的綜合措施，快速有效地抑制了高冒區的遺煤自燃。實踐表明，三相泡沫技術與水溶性復合膠體充填技術相結合，對高冒區立體遺煤自燃高溫消除是一種行之有效的技術方法。