千米深井膠體防滅火技術應用研究

馮良兵，李煥東，郭佃鋒，姜士彥

（山東省天安礦業集團有限公司，山東 曲阜 273155）

煤炭自然發火機率隨著開采深度的增加逐年升高，前期主要采取注水、灌漿、噴灑阻化劑、注惰氣等技術[1]抑制煤層自燃，近年來水玻璃膠體作為新興的防滅火技術材料，以其良好的防滅火效果,運輸方便、無污染、成本低等優勢得到了廣泛的應用,取得了良好的效果[2]。膠體可以較好地包裹破碎的煤體、封堵裂隙效果較好、性能穩定、耐高溫、對局部火源效果明顯[3-4]。

1 工作面概況及自然發火區域分析

1.1 工作面概括

星村煤礦3307 外工作面位于三采區中部西側，走向長為260m（平距），傾向長度為141.7m（平距），平均煤厚8.25m。2017 年2 月6 日該工作面開始回采，2017 年6 月回采結束。工作面采用軌道順槽進風、運輸順槽回風的全風壓“U”型上行通風方式，正常風量900m3/min 左右。煤層鑒定為Ⅱ類自燃煤層，試驗最短自然發火期為28 天。

1.2 工作面煤自燃分析

2017 年 3 月 10 日，3307 外工作面回風流 CO 濃度逐漸上升到20ppm。通過對采空區及兩順頂板破碎煤體束管檢測氣體分析，結合工作面推采情況及現場實際，認定為兩順頂板松散破碎的煤體，進入采空區后與采空區漏風供氧發生反應，釋放熱能。熱能反過來促進煤氧結合，最終反應會迅速加劇，產生CO 氣體，產生火災[5-6]。

采空區遺煤自燃性主要受煤自燃過程的氧化放熱性、采空區遺煤堆積厚度和塊度、采空區遺煤自燃氧化帶范圍、工作面推進度以及采空區圍巖原始溫度等影響。分析認為3307 外工作面采空區自然發火的原因為采空區兩順頂板不放頂煤，此區域內漏風供氧充分，遺煤進入氧化帶,以及工作面初采，推采速度慢，采空區遺煤在氧化帶時間長。

2 膠體防滅火技術研究

2.1 膠體材料防滅火機理

膠體材料是指促凝劑與水玻璃按一定比例與水混合后形成的膠狀體。膠體防滅火機理在于降低溫度，隔絕氧氣，使發火點放熱反應終止，有效抑制了煤體的自燃，達到防滅火的目的[7]。

3307 外工作面現場注膠時，將100kg 水玻璃和40kg 小蘇打分別放入兩料桶內，再分別加入400kg和460kg 水（即水玻璃配比20%，小蘇打配比8%），利用雙液泵注入破碎煤體。

2.2 膠體防滅火技術方案

采空區漏風主要集中在進風順槽及回風順槽靠采空區處，對兩順靠采空區側頂板及擋墻的封堵尤為重要[8]。同時，工作面架后放頂煤后，架后垮落的煤矸呈破碎狀態，形成良好的漏風通道，溫度上升后，極易發生煤自燃情況。根據3307 外工作面的實際情況，通防工區采取了對兩順頂板超前打眼注膠，兩順擋墻周邊漏風區域噴涂堵漏風處理，其他異常區域局部打眼注膠的防滅火技術方案。

2.2.1 架間局部區域打眼注膠

切眼安裝支架前，通防工區對切眼頂板施工防火鉆孔，并注膠處理；支架安裝完畢后，利用支架側護板打開的位置施工防火鉆孔，并注膠處理；工作面回采過程中，檢測局部支架地點氣體異常時，由通防工區利用風動扳手或直接利用一次性鉆桿在氣體異常區域附近施工鉆孔，注膠處理。為保證注膠效果，盡量根據支架特點及頂板厚度在支架的架前、架間、架后分別施工鉆孔，架間鉆孔與水平夾角45°左右，深度3～5m，架前鉆孔與水平方向夾角80°左右，深度3～5m，架后鉆孔與水平方向夾角30°左右，深度以見巖石為準。鉆孔施工完畢后，將一次性鉆桿使用棉紗纏繞，棉紗距離鉆桿末端1m 左右，然后砸入鉆孔內，封堵好鉆孔，開始對鉆孔注膠。

檢測架間氣體局部區域較為嚴重時，通防工區采取了長短鉆桿相結合的方式對異常區域多打眼，多注膠，以保證氣體異常區域頂煤全部被膠體包裹，頂板向下滴落膠體為標準。

2.2.2 兩順頂板及擋墻的膠體封堵處理

1）兩順擋墻封堵。隨工作面正常推進，在工作面兩順每隔10～15m 各施工一道擋墻，由綜采工區負責掛設柔膜袋，通防工區負責向袋內充填LFM充填料。充填袋采用風筒布材料制作，墻體不漏風。充填擋墻施工完畢后，通防工區負責對擋墻與巷道接觸部分噴涂膠體，減少墻體周邊漏風。

2）兩順頂板注膠封堵處理。在兩順靠工作面采空區處以外施工鉆孔，鉆孔超前施工，以超前煤壁向外10m 為準。采用三花眼的形式布置鉆孔，鉆孔沿順槽方向朝向采空區，與水平方向夾角80°左右，深度不小于3m 或見巖石。

3）對架后垮落煤體，利用一次性鉆桿向煤體內插管注膠，人員站在端頭架安全支護范圍以內，然后對垮落煤體噴涂處理，保證垮落煤體里外全部被處理一遍。

4）為增加進風順槽采空區。

2.3 注膠施工工藝

2.3.1 雙液泵注膠工藝

提前配備好水玻璃溶液和小蘇打溶液，水玻璃按照水料質量比為4:1 的比例配置，小蘇打按照水料質量比為23:2 的比例配置，兩桶溶液配置完畢后將雙液泵壓風連接好，保證泵能正常運行，泵有兩個出液口，將兩路膠管分別與出液口連接，膠管延接至注膠位置后，利用混合器將兩路出液膠管混合為一根10m左右的膠管，將混合后的膠管與注膠鉆桿連接，開啟氣動泵對鉆孔注膠。雙液泵注膠工藝如圖1 所示：

圖1 雙液泵注膠工藝示意圖

2.3.2 注漿站注膠工藝

使用雙液泵注膠時最大注膠量為4m3/h，當井下現場使用氣動泵不能滿足現場注膠需要時，及氣動泵的注膠流量不能滿足大面積注膠封堵時，通防工區采取了井上注漿站與井下氣動泵相互配合的方式，將井下注膠流量控制在20～30m3/h。

1）井上注漿站。在注漿站攪拌池內添加水玻璃和水，將水玻璃濃度控制在15%左右，即在攪拌池內添加1 噸水玻璃，5 噸水，溶液配制完畢后，按照25 分鐘供給1 攪拌池水玻璃溶液，即水玻璃的供給量為15 m3/h 左右。

2）井下部分。工作面需要注膠位置安設一多出口混合器，井下氣動泵向多出口混合器處供給小蘇打溶液，井上注漿站通過注漿管路向多出口混合器處供給水玻璃溶液，兩種溶液在多出口混合器處混合。注漿站供給的水玻璃溶液到達多出口混合器后，開啟井下雙液泵注入小蘇打溶液，根據膠體成膠的小蘇打配制比例及井上下溶液的供給流量，即每20m3 漿注32 袋左右（25kg/ 袋）。利用多出口混合器將混合后的膠體注入鉆孔內，正常情況下混合器向外分發8 只Ф13mm 的膠管，可以向8 個不同的頂板鉆孔注膠體，增加了單位之間的注膠量和注膠面積。

3 結 論

根據星村礦3307 外工作面在生產過程中利用膠體對工作面進行防滅火處理，并制定了井上下配合大流量注膠的施工工藝，保證了3307 外工作面安全順利回采。本文的研究成果對其他具有相似條件的礦井的防滅火工作具有較好的借鑒和指導意義。