粉煤灰膠體隔離控制技術(shù)在花山礦復(fù)雜火區(qū)中的應(yīng)用

楊 平，梁國棟，于貴生，張學(xué)權(quán)，段 滔

（1.煤科集團(tuán)沈陽研究院有限公司，遼寧 撫順113122；2.煤礦安全技術(shù)國家重點實驗室，遼寧 撫順113122；3.攀枝花煤業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司 花山煤礦，四川 攀枝花617066）

火災(zāi)事故是煤礦5 大災(zāi)害之一，也被國務(wù)院《特別規(guī)定》列為15 類重大隱患之一[1]。灌漿是現(xiàn)有吸熱降溫火災(zāi)防治技術(shù)措施之一[2]，但常用的黃土灌漿材料漿液黏度大，且形成的黃泥漿易順?biāo)缮Ⅲw縫隙流走，漿液利用率低，如果僅增加漿液中溶質(zhì)的量，則漿液濃度增大，顆粒物沉降速度過快極易造成注漿管路堵塞[3-4]。

針對難以觀測到的多個地點先后或同時發(fā)生的“溝通型”礦井火災(zāi)、由1 個發(fā)火地點因漏風(fēng)渠道多、漏風(fēng)量大、近距離上覆巷道或采空區(qū)存在垮落現(xiàn)象且程度未知導(dǎo)致的“蔓延連片型”復(fù)雜火區(qū)[5]，以花山礦4238 工作面過斷層防滅火措施不當(dāng)自燃火災(zāi)蔓延成復(fù)雜的四采火區(qū)治理為例，提出分區(qū)隔離控制技術(shù)[6-7]，即以電廠燃燒廢物資源利用化粉煤灰為主要原料形成的降溫、惰化、堵漏效果顯著的粉煤灰復(fù)合膠體為灌漿材料[8-9]，通過施工輔助治理巷道，向4238 工作面回風(fēng)方向相關(guān)聯(lián)主要巷道設(shè)計并施工注漿鉆孔，利用鉆孔壓注粉煤灰復(fù)合膠體堆積充填材料[10]，將4238 工作面火區(qū)與4236 邊上山及火區(qū)外圍巷道隔離分區(qū)域控制，再對各分區(qū)逐一治理，最終取得了階段性滅火效果。

1 火區(qū)概況

花山礦所采煤種主要為焦煤。4238 綜采工作面位于+1 030 m 水平四采區(qū)南翼第四區(qū)段，主采23#煤層，平均傾角39°，屬于自燃煤層。2014 年1 月，回采揭露F1斷層，落差3.1 m，造成18#～26#架間出現(xiàn)傾斜長15 m，高度約16 m，沿走向深度為8 m 的高冒區(qū)。結(jié)合現(xiàn)場情況，花山礦在4238 運輸巷255 m掘上山通道，對斷層附近煤體注漿；對高冒區(qū)用錨索起吊鐵道鋪設(shè)底、木垛接頂方式聯(lián)合控制頂板，6月17 日—6 月26 日，高冒區(qū)先后共充填填固材料20 t，26 日，充填部位開始冒煙，盡管及時用水降溫，但充填體溫度反復(fù)升降，2 d 后，填固材料及木垛開始明火燃燒，進(jìn)而4238 回風(fēng)巷燃燒，于是在4238 運輸巷帶式輸送機(jī)機(jī)頭、+1 138 m 石門往4238 回風(fēng)巷方向等多處地點施工密閉墻，同時調(diào)壓、控風(fēng)，7月3 日，發(fā)現(xiàn)4236 邊上山上口已見明火，+1 218 m車場巷道口已部分垮落，后對+1 218 m 與+1 274 m兩石門及車場等處分別建閉，但依然漏風(fēng)明顯，至7月10 日，完成+1 030 m 水平四采火區(qū)大區(qū)域封閉。

火區(qū)大區(qū)域封閉后至2018 年5 月前，花山礦又調(diào)整火區(qū)回風(fēng)系統(tǒng)，通過鎖風(fēng)、縮封巷道逐步解放出+1 030 m 水平四采主石門、+1 030 m 水平四采上煤組片區(qū)巷道、4158 及4068 工作面，最終實現(xiàn)中煤組軌道上山解放，期間也對與火區(qū)回風(fēng)關(guān)聯(lián)主要巷道進(jìn)行無機(jī)材料充填、由+1 030 m 水平石門向4238運輸巷施工注漿鉆孔，向火區(qū)灌注液態(tài)CO2，主要發(fā)火地點、各主要密閉構(gòu)筑位置、充填區(qū)域及液態(tài)CO2灌注位置，火區(qū)前期治理情況立體示意圖如圖1。圖1 中陰影為4236 穿層石門塌陷點、4238 回風(fēng)巷外段巷道、4236 運輸巷外段、4238 回風(fēng)巷至4236 運輸巷小上山、4236 穿層石門無機(jī)材料充填區(qū)域；三角區(qū)域及之間部分區(qū)域為火區(qū)；紅或藍(lán)實心小方塊為不同位置構(gòu)筑的密閉。

圖1 火區(qū)前期治理情況立體示意圖Fig.1 Three-dimensional schematic diagram of early stage treatment of fire area

但通過上述治理手段，只是對火勢起到一定控制作用，并沒有真正徹底消除火區(qū)隱患，從密閉采樣化驗結(jié)果來看，+1 380 m 南回風(fēng)上山上口處巷道內(nèi)CO 最大濃度為2.3×10-3，最高空氣溫度45 ℃。分析火情未熄滅并進(jìn)一步蔓延、發(fā)展原因為：①火區(qū)上部為采空區(qū)，且煤巖體裂隙多，漏風(fēng)情況復(fù)雜；②注入火區(qū)的CO2被漏風(fēng)帶走，未真正停留在火區(qū)；③隨著時間推移，構(gòu)筑的多處密閉質(zhì)量變差，閉墻存在漏洞或裂隙，已失去原有的承壓能力，同時雖已對明顯的漏風(fēng)通道灌注無機(jī)材料充填，但充填部位已逐漸風(fēng)化，且遇水浸泡極易被流水沖走，強(qiáng)度大大降低，失去其充填巷道封堵火區(qū)漏風(fēng)通道作用。

高分子膠體防滅火材料有較好的保水性與阻化作用，當(dāng)膠體材料附著于煤體表面時，除能隔絕周圍環(huán)境中的氧氣，抑制煤氧結(jié)合外，其自身含有的水分也有一定的降溫作用，同時膠體流動性差，易固結(jié)、堆積在煤層縫隙或巷道內(nèi)，避免了注其他單一成分漿液或水容易泄漏流失現(xiàn)象，且流經(jīng)、包裹高溫煤體時，也不會產(chǎn)生水煤氣。粉煤灰復(fù)合膠體是以粉煤灰、水為主料，通過額外添加膠凝劑成分形成的防滅火材料，膠凝劑用量少，且電廠粉煤灰價格低廉，節(jié)約防滅火工程成本，尤其適合充填巷道隔離治火等注漿量需求大的大面積復(fù)雜火區(qū)治理。

2 粉煤灰復(fù)合膠體特性及制漿工藝

2.1 粉煤灰復(fù)合膠體特性

結(jié)合花山礦實際情況及特點，決定采用粉煤灰復(fù)合膠體作為注漿材料治理花山礦復(fù)雜火區(qū)。粉煤灰復(fù)合膠體具有以下優(yōu)勢：

1）降低防滅火工程成本。粉煤灰脫水性優(yōu)于黃土，黏性較黃土差，故形成的黃泥漿比粉煤灰漿更易流動，因此粉煤灰漿膠凝劑使用量小于黃泥漿中膠凝劑添加量，仍能達(dá)到同等充填堆積效果，而且對于附近有電廠的煤礦來說，粉煤灰作為電廠排放廢物，價格更低廉，且再資源化利用也有利于環(huán)境保護(hù)。

2）成膠時間可控。可根據(jù)不同礦井發(fā)火情況及現(xiàn)場選用的工藝控制粉煤灰膠體成膠時間。

3）安全可靠。膠體具有一定鎖水能力，當(dāng)粉煤灰膠體流經(jīng)高溫煤體時，不會生成水煤氣等爆炸性氣體，只會使復(fù)合膠體中水分汽化，是吸熱反應(yīng)，對高溫煤體有一定吸熱降溫作用。

4）有效期長。正常情況下（溫度小于28 ℃、濕度大于90%），粉煤灰膠體可存于煤層中1 年有效，有利于抑制煤層復(fù)燃。

5）耐高溫。即使溫度高于1 000 ℃，膠體材料也不易熔化分解。

6）阻化作用。粉煤灰、膠凝劑皆為阻化劑，形成的粉煤灰復(fù)合膠體擁有一般阻化劑特性。

7）堵漏作用。粉煤灰膠體流入煤巖體裂隙并逐漸失水固結(jié)，起到一定堵漏作用，且其中粉煤灰成分使膠體材料擁有一定承壓能力。

2.2 制漿工藝

本次粉煤灰復(fù)合膠體選用地面注漿系統(tǒng)，即預(yù)先儲存于灰罐中的粉煤灰通過螺旋輸送機(jī)送入制慮一體機(jī)中，利用制慮一體機(jī)自帶的小方形添加口加入膠凝劑，膠凝劑及粉煤灰與水按比例混合充分?jǐn)嚢瑁纬傻姆勖夯覐?fù)合膠體流入過濾網(wǎng)，將未充分溶解團(tuán)狀物及不溶解固體篩掉，達(dá)標(biāo)膠體落入緩漿池，再通過渣漿泵將膠體通過注漿管路灌入火區(qū)或巷道。膠體到達(dá)目標(biāo)位置后逐漸膠凝堆積，覆蓋高溫煤體或明火，封堵漏風(fēng)通道，將煤體隔絕氧氣，吸熱降溫，進(jìn)而達(dá)到窒息火區(qū)作用，粉煤灰膠體灌注工藝流程如圖2。

圖2 粉煤灰膠體灌注工藝流程圖Fig.2 Fly ash colloid perfusion process flow chart

3 隔離控制技術(shù)實施及階段性效果檢驗

前期已對4238 回風(fēng)巷上部巷道充填無機(jī)材料；4238 回風(fēng)巷過火巷道周邊圍巖均存在大量的裂隙；4236 運輸巷外段煤柱有沉陷現(xiàn)象，因此無法從回風(fēng)側(cè)著手治理，若從火區(qū)進(jìn)風(fēng)側(cè)治理，啟開4238 運輸巷密閉，則新鮮風(fēng)流進(jìn)入火區(qū)，不利于滅火，為不破壞火區(qū)現(xiàn)有平衡狀態(tài)，決定對4238 火區(qū)單獨隔離控制滅火，即施工火區(qū)治理輔助巷道（24#層措施巷），利用在24#措施巷內(nèi)設(shè)計并施工的注漿鉆孔，向4238 回風(fēng)巷、4246 回風(fēng)巷、4236 運輸巷注粉煤灰膠體，充填3 條巷道，將4238 工作面及采空區(qū)與4238回風(fēng)巷上部巷道隔離，以便更有針對性地對各分區(qū)火情逐一治理。

3.1 火區(qū)治理輔助巷道

火區(qū)治理輔助巷道是為注漿鉆孔施工及注漿工程順利進(jìn)行創(chuàng)造條件，24#層措施巷沿24#煤層頂板布置，設(shè)計施工總長度為237 m，由4 部分組成：①1138 石門與措施巷聯(lián)絡(luò)巷長度40 m，施工方位角為171°，按3‰坡度掘送；②聯(lián)絡(luò)下山設(shè)計長度33 m，方位角120°，坡度25°；③23#～24#穿層石門設(shè)計長度25 m，方位角120°，按3‰坡度掘送至24#層；④剩余139 m 沿3‰坡度掘送到位，24#層措施巷及鄰近主要巷道層位關(guān)系如圖3。

圖3 24#層措施巷及臨近主要巷道層位關(guān)系Fig.3 The relationship between 24# layer measure lane and the adjacent main roadway

3.2 隔離注漿鉆孔施工及階段性治理效果

24#層施工巷內(nèi)施工的注漿鉆孔包括火區(qū)監(jiān)測孔，因每日2 班連續(xù)注漿，鉆孔隨注隨堵，為保證巷道充填隔離效果，采用邊施工鉆孔邊注漿模式，共分6 個階段完成：

1）第1 階段。為實現(xiàn)火區(qū)狀況實時監(jiān)測，分別向4238 回風(fēng)巷、4246 回風(fēng)巷、相關(guān)聯(lián)絡(luò)巷、4238 工作面上口及4238 支架后方10、20 m 位置施工火區(qū)監(jiān)測孔，共14 個，目前仍有有效監(jiān)測孔5 個。

2）第2 階段。向4238 回風(fēng)巷、4246 回風(fēng)巷及相關(guān)聯(lián)絡(luò)巷施工注粉煤灰膠體鉆孔，共27 個。

3）第3 階段。隨著注漿工作不斷進(jìn)行，已有注漿孔隨注隨堵，為強(qiáng)化3#聯(lián)絡(luò)巷附近4238 回風(fēng)巷道注漿充填效果，圍繞3#聯(lián)絡(luò)巷繼續(xù)向4238 回風(fēng)巷施工注粉煤灰膠體鉆孔15 個。

4）第4 階段。通過對24#層措施巷內(nèi)淋水溫度及火區(qū)監(jiān)測孔化驗結(jié)果分析，發(fā)現(xiàn)底彎道附近主要淋水點最高淋水溫度為64 ℃，3#聯(lián)絡(luò)巷外側(cè)尤其是4238 回風(fēng)巷仍存在明顯火情，且4238 工作面及采空區(qū)氧氣濃度仍高為10%左右，3#聯(lián)絡(luò)巷附近注漿孔（兼做監(jiān)測孔）監(jiān)測CO 濃度為2×10-3左右，說明未達(dá)巷道充填隔離效果，又向4238 回風(fēng)巷設(shè)計并施工8 個注漿孔，考慮到火勢蔓延至4236 邊上山附近，同期向4236 邊上山施工注漿鉆孔3 個。

5）第5 階段。隨著對已有鉆孔連續(xù)注漿充填巷道，4238 工作面及采空區(qū)氧氣濃度降為5%左右、監(jiān)測孔內(nèi)出氣溫度為26 ℃左右，3#聯(lián)絡(luò)巷往工作面方向措施巷內(nèi)淋水地點明顯減少，3#聯(lián)絡(luò)巷附近注漿孔（兼做監(jiān)測孔）監(jiān)測CO 為2×10-4左右，說明4238回風(fēng)巷與4246 回風(fēng)巷內(nèi)注漿充填段已有個別部位堆積的漿液高度快要接頂，但3#聯(lián)絡(luò)巷外側(cè)火情仍未消除，于是為探明火點或高溫點存在位置，向4238 與4236 工作面間隔離煤柱施工2 個探火鉆孔，分別距離24#層措施巷底彎道5、32 m，發(fā)現(xiàn)過火跡象。

6）第6 階段。為探明實際火情范圍、處理高溫區(qū)域、進(jìn)一步強(qiáng)化巷道充填隔離效果，又向4236 運輸巷、4238 回風(fēng)巷及相關(guān)聯(lián)絡(luò)巷每隔一定距離陸續(xù)施工探火孔兼做注漿孔，未注漿的可監(jiān)測孔，已下套管探火孔共26 個，均可做注漿孔。

目前已施工的鉆孔累計95 個，24#層措施巷鉆孔位置如圖4。

4238 回風(fēng)巷、4236 運輸巷、4246 回風(fēng)巷及相關(guān)聯(lián)絡(luò)巷共預(yù)計注粉煤灰膠體量為20 000 m3，實際注漿量為23 813 m3，從注漿量角度，已實現(xiàn)3 條巷道充填堆積，火區(qū)粉煤灰復(fù)合膠體壓注數(shù)據(jù)統(tǒng)計表見表1。

近2 個月火區(qū)連續(xù)有效的監(jiān)測孔調(diào)負(fù)壓取氣化驗結(jié)果顯示，+1 380 m 南回風(fēng)上山上口密閉內(nèi)CO濃度為0，閉內(nèi)空氣溫度27 ℃；3#聯(lián)絡(luò)巷外側(cè)火區(qū)監(jiān)測孔CO 降至2×10-4以下；24#層措施巷底彎道附近淋水溫度最高46 ℃；2#聯(lián)絡(luò)巷附近監(jiān)測孔CO 濃度為0；4238 工作面及采空區(qū)內(nèi)監(jiān)測孔化驗結(jié)果顯示CO 為0，氧氣濃度維持在4%以下，監(jiān)測孔內(nèi)出氣溫度為24 ℃左右，說明經(jīng)過近1 年粉煤灰復(fù)合膠體連續(xù)灌注，3#聯(lián)絡(luò)巷附近往工作面方向4238 回風(fēng)巷、4236 運輸巷、4246 回風(fēng)巷及相關(guān)聯(lián)絡(luò)巷達(dá)到了充填隔離目的，即原來整個復(fù)雜火情區(qū)域被分割成4238 工作面及采空區(qū)安全區(qū)與3#聯(lián)絡(luò)巷外側(cè)4236邊上山附近高溫區(qū)，兩者已互無影響，4238 采空區(qū)滿足啟封條件，現(xiàn)階段正在對4236 邊上山注漿治理3#聯(lián)絡(luò)巷外側(cè)高溫區(qū)，后期會輔助注氮措施：一是對高溫地帶注氮惰化，二是對4238 采空區(qū)注氮，鞏固火區(qū)治理效果；同時對3#聯(lián)絡(luò)巷外側(cè)監(jiān)測孔與采空區(qū)監(jiān)測孔進(jìn)行聯(lián)合監(jiān)測，對比分析氧氣、氮氣變化情況，進(jìn)一步驗證注漿充填隔離效果。

圖4 24#層措施巷鉆孔位置Fig.4 The borehole position in 24# layer measure lane

表1 火區(qū)粉煤灰復(fù)合膠體壓注數(shù)據(jù)統(tǒng)計表Table 1 Statistical table of composite colloid injection data of fly ash in fire area

4 結(jié) 語

粉煤灰復(fù)合膠體防滅火材料集堵漏、降溫、固水、惰化、抑爆、滅火成本相對較低等優(yōu)勢于一身，其形成的隔離控制技術(shù)已廣泛應(yīng)用于煤礦井下火災(zāi)防治工程中，對于發(fā)火區(qū)域周邊采空區(qū)密集，裂隙發(fā)育，漏風(fēng)環(huán)境復(fù)雜引起的蔓延型大范圍復(fù)雜火災(zāi)尤其適用，利用該技術(shù)將大面積火區(qū)進(jìn)行分區(qū)針對性控制治理，提高了礦井火災(zāi)防治效率，一定程度上也降低了煤礦滅火成本。