微子鎮(zhèn)煤礦粉煤灰灌漿防滅火技術研究

劉 凱

(晉能控股煤業(yè)集團 三元微子鎮(zhèn)煤業(yè)，山西 長治 047500)

火災是危害礦井安全生產的主要災害之一，而煤層自燃是礦井火災發(fā)生的主要形式[1-2]。隨著淺部煤層儲量的逐漸減少，部分礦井下組煤的開采已成為主要進程，但下組煤多具有自燃發(fā)火傾向，受采空區(qū)殘煤、采空區(qū)漏風等因素影響，加之當前綜采工作面采高的不斷增大，煤層自燃現象發(fā)生頻率逐漸增大，極大地制約了礦井生產效率，因此在開采具有自燃發(fā)火傾向的煤層時，必須采取有效的防滅火措施，提高礦井安全性[3-4]。本文以微子鎮(zhèn)煤礦開采技術條件為基礎，采用理論分析方法對礦井主要發(fā)火原因進行了分析，綜合性地提出了礦井防滅火技術，為礦井綜采工作面的安全生產提供了技術指導。

1 礦井概況

微子鎮(zhèn)煤礦為低瓦斯礦井，主采煤層包括3號、15號煤層，由于3號煤層大部分區(qū)域已回采完畢，當前主采煤層為15號煤。15號煤厚度平均為3.84 m，埋深在175.7～337.8 m范圍內，煤層結構簡單，全區(qū)范圍內穩(wěn)定可采，該煤層屬于自燃煤層，具有煤塵爆炸性。礦井采用中央并列式通風方式，工作面采用U型通風方式，礦井主斜井與副斜井為進風井，另單獨設有專用回風立井。

2 礦井發(fā)火機理及采空區(qū)三帶劃分

2.1 礦井發(fā)火機理分析

煤炭自燃是礦井火災發(fā)生的主要形式之一，由于煤炭自燃是一個復雜的反應過程，通過煤在低溫條件下與空氣中低含量的氧氣進行氧化作用，從而產生熱量，當熱量積聚達到一定條件后形成火災。根據煤炭自燃形成的原因，致災因素主要由煤層炭化程度、煤巖成分、含硫量、瓦斯含量、吸氧速度等煤體自身特性決定，此外，礦井通風情況、地質構造等因素也為煤層自燃創(chuàng)造了一定條件[5]。

微子鎮(zhèn)礦15號煤為自燃煤層，煤層揮發(fā)分平均值為17.57%，具有自燃危險性。煤層含硫量較高，原煤含硫量1.22%～4.76%，平均為2.55%，對煤自燃有一定促進作用。此外，15號煤煤層性脆、裂隙發(fā)育，參差狀斷口，將加快氧化速度，加之井田內存在采空區(qū)和廢棄巷道等區(qū)域，這類區(qū)域由于長時間不通風，致使有毒有害氣體濃度增大后容易引發(fā)煤層自燃。

綜合上述分析，微子鎮(zhèn)礦15號煤發(fā)火因素主要為兩個：①井下廢棄巷道長時間不通風，致使有毒有害氣體濃度增大后容易引發(fā)煤層自燃；②采空區(qū)內殘留煤體氧化容易引發(fā)自燃。

2.2 采空區(qū)自燃三帶劃分

為確定微子鎮(zhèn)礦綜采工作面采空區(qū)自燃“三帶”分布規(guī)律，以微子鎮(zhèn)礦15101工作面條件為例，采用布點測試采空區(qū)氣體成分方法進行判定。首先在工作面巷道內預埋鋼管，鋼管長度設計為150 m，在布置鋼管范圍內各安設4個測點，測點間距為50 m，監(jiān)測時間為20 d，期間內工作面推進距離為142.5 m。

微子鎮(zhèn)礦綜采工作面采空區(qū)依據空氣中氧氣濃度確定“三帶”劃分，圖1、圖2為兩巷道在工作面推進期間空氣中氧氣濃度變化情況圖。可以看出，當進風巷監(jiān)測點進入采空區(qū)約35 m時，氧氣濃度首次出現低于18%的現象，監(jiān)測點在采空區(qū)內35～104 m范圍內，氧氣濃度在8%～18%范圍內震蕩，當監(jiān)測點進入采空區(qū)超過104 m，氧氣濃度降至8%以下；當回風巷監(jiān)測點進入采空區(qū)7 m時，氧氣濃度下降到18%以下，監(jiān)測點在采空區(qū)內7～53 m范圍內，氧氣濃度在8%～18%范圍內震蕩，當監(jiān)測點進入采空區(qū)超過53 m，氧氣濃度降至8%以下。根據該監(jiān)測結果，將氧氣濃度值8%、18%作為采空區(qū)自燃“三帶”劃分臨界點，“三帶”范圍劃分結果如表1所示，綜采工作面進風巷氧化升溫帶寬度為69 m，回風巷氧化升溫帶寬度為46 m。

圖1 進風巷測點氧氣濃度變化圖

圖2 回風巷氧氣濃度變化圖

表1 微子鎮(zhèn)礦綜采工作面“三帶”劃分范圍

3 防滅火技術研究

結合微子鎮(zhèn)礦開采煤層特性及采空區(qū)三帶劃分依據，15號煤層采用以灌漿防滅火為主，配合阻化劑防火系統(tǒng)，保證礦井的安全生產。

3.1 灌漿防滅火技術

1) 技術原理。灌漿防滅火技術是自燃煤層防滅火的主要技術之一，在諸多礦井中取得了良好的效果。15號煤采用粉煤灰灌漿防滅火工藝，由粉煤灰、水、工業(yè)鹽、懸浮劑以及膠凝劑按照一定比例混合形成漿液，其能夠吸收煤層內熱量，充填煤巖體內節(jié)理裂隙，避免煤炭體與空氣的直接接觸。漿液中的懸浮劑能夠防止顆粒物沉淀，使?jié){液內物質含量均勻。膠凝劑主要為水溶性分子，能夠有效鎖住水分子，形成流動性較差的粘彈性膠體。

2) 灌漿配比分析。15號煤灌漿采用粉煤灰漿液，根據粉煤灰化學成分測試，結果如表2所示。從表中可以看出，粉煤灰中SiO2、Al2O3為主要成分，并且Fe2O3、MgO成分含量較低，能夠保證漿液穩(wěn)定維持膠體狀態(tài)。

表2 粉煤灰成分分析 %

由于15號煤采用機械制備方式灌漿，通過主井工業(yè)場地設地面集中灌漿系統(tǒng)來為井下各灌漿點注漿，因此必須保證漿液流動性較好不容易堵管，同時需保證漿液具有一定的濃稠度，保證灌漿效果。為確定合理的水灰比，對不同比例下漿液狀態(tài)進行了對比，在確保溫度相同的條件下，分別制備了水灰比分別為8∶1、7∶1、6∶1、5∶1、4∶1的漿液，并在地面進行了凝固時間對比試驗。當水灰比大于4∶1時，漿液凝固時間在20～30 min內，最快為24 min；當水灰比為4∶1時，漿液凝固時間明顯縮短，凝固時間最快為12 min。因此，根據漿液凝固時間，考慮灌漿效果，將漿液水灰比定為5∶1。

3) 灌漿防滅火工藝。微子鎮(zhèn)礦通過主井工業(yè)場地設地面集中灌漿系統(tǒng)來為井下各灌漿點注漿，注漿防滅火設備選用KDZS-1型，制漿量≥60 m3/h。灌漿工藝如圖3所示。

圖3 埋管灌漿示意

15號煤采用埋管灌漿法對采空區(qū)進行注漿。首先在回采前，沿回風巷道在采空區(qū)預先鋪好灌漿管，工作面每回采7 d進行一次全面灌漿，工作面推進速度按照7 m/d計算，因此單次灌漿管鋪設長度為45 m。灌漿工作與回采工作緊密配合，工作面正常推進時，灌漿時間為6 h，當下隅角流出漿液則立即停止注漿。當工作面初采距開切眼距離小于30 m或工作面停采撤架前30 m時，增大灌漿力度，灌漿時間為10 h，防止自燃火災事故的發(fā)生和擴大。

除灌漿外，為提高防滅火效果，15號煤工作面回采過程中同時采用阻化劑防火系統(tǒng)防治火災。阻化劑防滅火技術是指利用阻化原理將具有阻化性能的藥劑送入擬處理區(qū)，從而達到防滅火的目的。阻化劑選擇的好壞，不僅影響阻化效果和經濟效益，而且對井下安全也有重要的影響。阻化劑必須滿足阻化率高、阻化壽命長、安全性好、費用低、設施腐蝕性小、供應充足、運輸方便等特點。氯化鈣(CaCl2)是常用的阻化劑，其成本較低，腐蝕性弱，供應穩(wěn)定、成本低，阻化劑濃度控制在18%.防火系統(tǒng)采用移動式噴灑壓注系統(tǒng)，在工作面回風巷內靠近工作面安裝阻化劑藥箱，嚴格按照濃度要求添加清水，配成溶液攪拌均勻后，用高壓泵將阻化液沿巷道高壓膠管壓至工作面，原理如圖4所示。高壓膠管直徑為32 mm，鋪設在刮板輸送機電纜槽下方，與D25 mm的膠管和噴槍相連。1臺泵配1支噴槍，由專人手持噴槍，從支架間隙向采空區(qū)噴灑，每間隔5組支架噴1次，每次噴灑至少6 min，流量不小于70 L/min。噴灑阻化劑周期為3 d一次。

圖4 移動式噴灑系統(tǒng)工藝圖

3.2 實施效果

為驗證防滅火技術措施實施效果，往往通過監(jiān)測采空區(qū)指標性氣體含量確定。根據《煤自然發(fā)火標志氣體指標檢驗報告》，將CO、C2H4和C2H2作為煤層自燃發(fā)火指標氣體。當煤層已經開始發(fā)生氧化作用時，將產生CO氣體，并且濃度逐漸升高；當煤層進入加速氧化階段時，將產生C2H4氣體，并且周圍煤體溫度將達到80～90.0 ℃或以上；當煤層進入劇烈氧化反應階段(即發(fā)生自燃)，將產生C2H2氣體，并且煤層局部溫度可達到233.0 ℃。

微子鎮(zhèn)礦綜合防滅火技術實施后，從2020年3月初開始到11月底，累計注黃泥漿4 411.44 m3，累計噴灑阻化劑626.4 m3，完成15101工作面采空區(qū)防滅火工作。為驗證該方案防治效果，在工作面回風巷內布置4個監(jiān)測點，根據測點處溫度與回風流中CO、C2H4和C2H2等氣體濃度，確定采空區(qū)是否存在自燃情況。監(jiān)測點間距為45 m，每個測點監(jiān)測時間為70 d，期間根據采空區(qū)溫度及標志性氣體指標變化情況確定自燃發(fā)火情況。15101工作面回采期間，未采取防滅火措施前，回風流中CO濃度在6.8×10-6～2.4×10-5范圍內，采空區(qū)周邊巷道溫度最高達到43 ℃。采取防滅火措施后，回風流中CO濃度穩(wěn)定在3.7×10-7～1.3×10-6范圍內，采空區(qū)周邊巷道溫度在25～26 ℃范圍內，回風流中未監(jiān)測到C2H4和C2H2等氣體存在，表明該方案取得了較好的防滅火效果。

綜上所述，本文以微子鎮(zhèn)礦15號煤地質條件為基礎，采用理論分析方法，對自燃煤層礦井綜合防滅火技術進行了研究，主要結論有：15號煤發(fā)火因素主要為兩點：①井下廢棄巷道長時間不通風，致使有毒有害氣體濃度增大后容易引發(fā)煤層自燃；②采空區(qū)遺煤過多容易引發(fā)自燃。采用布點測試采空區(qū)氣體成分方法對采空區(qū)“自燃”三帶進行了劃分，綜采工作面進風巷氧化升溫帶寬度為69 m，回風巷氧化升溫帶寬度為46 m。提出采用粉煤灰灌漿防滅火技術對煤層自燃進行治理，對該技術工藝進行了設計。根據防滅火方案實施前后標志性氣體指標情況，該防滅火技術取得了較好的實踐效果。