大采深易自燃綜放面隅角充填袋防滅火應(yīng)用

鄭友志 丁 帥 陳 舸

（徐州意創(chuàng)化工科技有限公司，江蘇 徐州 221005）

采空區(qū)自然發(fā)火的形成有三大重要因素，即采空區(qū)內(nèi)的漏風(fēng)供氧條件、煤氧反應(yīng)蓄熱條件和采空區(qū)遺煤。雖然采空區(qū)遺煤不是人為可以輕易控制的因素，但是如果采取有效的技術(shù)措施控制前兩個因素，采空區(qū)遺煤發(fā)生自燃的危險性就會大幅度降低。

根據(jù)錢鳴高院士礦山壓力“O 形圈”理論以及譚允禎教授關(guān)于綜采放頂煤工作面采空區(qū)自燃區(qū)劃分的文獻[1]可以看出，控制采空區(qū)自燃三帶分布的區(qū)域范圍是防治采空區(qū)自然發(fā)火的主要措施。掌握了采空區(qū)的三帶分布范圍，就可以有效地提高工作面采空區(qū)防滅火措施的準確性，為安全生產(chǎn)提供可靠的理論依據(jù)[2-4]。

1 工程概況

天安集團星村煤礦3310 工作面標高-1130～-1185 m，煤層厚度8.4 m，位于三采區(qū)中部。由于礦井采深大、地壓大、井下溫度高，自然發(fā)火期大幅縮短，極易自燃。

礦井在工作面進回風(fēng)隅角采用Π 型鋼梁加單體支護的超前支護方式，兩隅角的單體支護拆裝頻繁，兩順槽來壓不穩(wěn)定，經(jīng)常形成空頂、垮塌不及時的情況，漏風(fēng)嚴重。因此，快速有效地封堵進回風(fēng)端頭的漏風(fēng)就是最為關(guān)鍵的防滅火措施。

目前能夠選擇的處理措施一共有以下三種：

（1）工作面進回風(fēng)隅角掛設(shè)擋風(fēng)簾。掛設(shè)擋風(fēng)簾，會給工作面兩端頭附近的機械設(shè)備運轉(zhuǎn)、挪動及工作人員進出、運料都造成一定程度的影響，并且在這種工作狀態(tài)下?lián)躏L(fēng)簾的擋風(fēng)環(huán)境很容易被破壞繼而影響擋風(fēng)效果，漏風(fēng)量大；掛設(shè)風(fēng)簾隨意性較強，無法持續(xù)可靠接頂、接底和靠幫，易造成遮擋不嚴、人為開合甚至掉落，造成工作面漏風(fēng)量忽高忽低，極不穩(wěn)定。因此這項措施實施起來可靠性較差，效果不理想。

（2）木板墻或掛網(wǎng)噴涂高分子材料。聚氨酯類高分子反應(yīng)型材料反應(yīng)熱造成的次生危害很多，施工人員容易吸入有毒有害氣體，刺激眼睛、皮膚和呼吸道；另外，聚氨酯類高分子反應(yīng)型材料燃燒產(chǎn)生的有毒有害氣體會對施工人員的安全造成極大的威脅，且國家已制定了有關(guān)反應(yīng)型高分子材料使用限制的規(guī)定，嚴格限制。

（3）煤袋墻配合擋風(fēng)簾構(gòu)筑擋風(fēng)屏障。擋風(fēng)簾的掛設(shè)是個動態(tài)的非實體擋風(fēng)屏障，為了實現(xiàn)實體性進回風(fēng)隅角擋風(fēng)屏障，很多礦井選擇在進回風(fēng)隅角位置就地取材，用防靜電編織袋直接裝碎煤（或煤矸）進行壘墻，擋風(fēng)墻的兩側(cè)頂部和底部必須和相鄰的支架尾梁、巷幫、頂板以及經(jīng)過處理的底板緊密結(jié)合，主要的優(yōu)勢就是就地取材，沒有運輸壓力。

進回風(fēng)隅角在使用煤袋墻構(gòu)建擋風(fēng)墻方便快捷的同時，也存在著很多的弊端。碎煤本身成本也很高，而且易燃特性沒有改變，頻繁使用碎煤構(gòu)建擋風(fēng)墻，留下大量的遺煤，后期存在自然發(fā)火隱患；同時，工人勞動強度很高而且施工過程中存在較大的安全隱患。

經(jīng)過廣泛調(diào)研和科研攻關(guān)，確定了向預(yù)制充填袋內(nèi)充填無機泡沫形成泡沫固體的方法來實現(xiàn)隅角快速擋風(fēng)墻的新工藝。

根據(jù)隅角空間尺寸預(yù)制的充填袋按要求吊掛在隅角空洞位置，然后將無機泡沫充填材料按照一定的比例配置成漿液，通過氣動泵輸送至充填袋，在一定時間內(nèi)完全凝固承壓，形成了安全有效的擋風(fēng)墻，減少往采空區(qū)漏風(fēng)，如圖1。

圖1 工作面進回風(fēng)端頭封堵措施及三帶分布圖

由于工作面推進速度快、來壓速度快，現(xiàn)場要求快速完成掛裝、充填以及拆卸單體的全過程，這就要求無機泡沫充填材料迅速凝固并能完全承壓。因此，為達到技術(shù)要求，礦方與徐州意創(chuàng)化工科技有限公司開展聯(lián)合研究，在原充填LFM 輕型充填材料2 h 承壓的基礎(chǔ)上，結(jié)合現(xiàn)場情況，大幅度縮短材料凝固和承壓時間，研發(fā)了新型快速凝固泡沫充填材料。

2 進回風(fēng)端頭快速凝固型充填材料技術(shù)特點

充填袋擋風(fēng)墻是采用向預(yù)制充填袋內(nèi)充填無機泡沫漿液形成泡沫固體的方法來實現(xiàn)隅角快速擋風(fēng)墻的新工藝。有些煤礦的聯(lián)絡(luò)巷道有采用柔膜袋充填材料的先例，因為需要嚴密封堵漏風(fēng)，巷幫和頂板掛設(shè)工藝非常復(fù)雜，充填材料普遍采用自制的高水材料或者水泥采取上下分層不同強度的處理方式[5-6]；有的煤礦采取A、B 料再添加聚丙烯纖維和發(fā)泡劑的工藝措施[7]，施工工藝復(fù)雜，同時存在著頂板來壓后側(cè)幫和頂板漏風(fēng)的可能，因此推廣受限，只能應(yīng)急情況下使用。

LFM 輕型充填材料是徐州意創(chuàng)化工科技有限公司研制的無機泡沫充填材料，單料配水即可使用，反應(yīng)溫度不超過60°，材料本身不燃燒也不助燃，流動性好，與頂板和側(cè)幫煤壁的粘附性強，具有柔性承壓的特性。充填袋和內(nèi)部的充填材料在進回風(fēng)端頭來壓正常的情況下能可靠地根據(jù)巷道和頂板的變形嚴絲合縫地接幫接頂，完全終凝時間不超過1 h，在施工完成后即可進行單體的回撤，快速便捷。

LFM 輕型充填材料是無機泡沫型充填材料，符合《煤礦井下用聚合物制品阻燃抗靜電性通用試驗方法和判定規(guī)則》（MT113-1995）標準中規(guī)定的技術(shù)要求；LFM 輕型充填材料通過了國家認可的第三方檢測機構(gòu)的國家環(huán)保檢測認定和產(chǎn)煙毒性試驗[8]。

3 現(xiàn)場應(yīng)用

3.1 預(yù)制充填袋結(jié)構(gòu)和制作材料的選擇

充填袋應(yīng)選用阻燃抗靜電的材料制成，嚴格執(zhí)行煤礦安全國家標準，表面電阻≤3×108，有焰燃燒時間≤3 s。充填袋受力結(jié)構(gòu)由布面、加強筋、拉筋構(gòu)成，充填袋內(nèi)部必須要有橫向加強帶和縱向加強筋來支撐吊掛時不變形并維持一定的強度。

3.2 充填袋隅角施工安全技術(shù)措施

進回風(fēng)隅角吊掛充填袋時，必須注意觀察頂、幫完好情況，作業(yè)人員不準進入無支護的空頂區(qū)作業(yè)；進回風(fēng)隅角吊掛充填袋時，必須確保CH4＜1%、CO2＜1.5%、CO＜0.002 4%。

3.3 吊掛前準備工作

充填袋吊掛前相應(yīng)位置要刷幫、清底，巷道中四周掏槽深度應(yīng)在10 cm 以上，底板深度不應(yīng)小于20 cm，要求見實幫實底。當(dāng)周圍巷幫較軟時，四周掏槽應(yīng)不小于20 cm。根據(jù)巷道寬度內(nèi)側(cè)點柱間距為1000 mm，設(shè)置100 mm×100 mm 的點柱4 根。底部要生根埋進巷道底板5～10 cm，上端用鐵絲楔子固定牢固。外側(cè)點柱可用單體支柱，間距800 mm。

3.4 充填袋吊掛

先將充填袋展開后由上往下固定，頂部要留出200～300 mm 防止注漿時往下脫落，更好地讓材料接頂。內(nèi)側(cè)頂部先用扎絲每200 mm 一個固定點固定到頂板錨索上并固定牢固，側(cè)邊要插到掏槽內(nèi)進行固定，底部也插到掏槽內(nèi)，如圖2。

圖2 進回風(fēng)端頭充填袋結(jié)構(gòu)及掛設(shè)示意圖

3.5 現(xiàn)場充填工藝

充填式擋風(fēng)墻是采用向充填袋內(nèi)充填無機泡沫漿液凝固的方法來實現(xiàn)的，將無機泡沫充填材料按照一定的比例配置成漿液，然后通過氣動泵輸送到充填袋，一小時后無機泡沫漿液凝固形成實體并可完全承壓，起到堵漏風(fēng)的作用。

LFM 輕型充填材料為單一與水混合無機泡沫材料，水灰配比1:0.8～1（圖3）[8]。使用最新研制的快速凝固性充填材料，從準備工作到充填袋成墻結(jié)束只需要兩個小時即可完成，充填材料終凝時間不超過1 h，2 h 后外側(cè)單體可撤除，有效提高了密閉墻的施工速度，提高了施工安全性。

圖3 LFM 輕型充填材料的充填工藝

4 應(yīng)用成本核算

以天安集團星村煤礦3310 工作面使用的充填袋在進回風(fēng)隅角充填LFM 輕型充填材料為例，充填袋尺寸可根據(jù)現(xiàn)場單體支護和垮落的實際情況定制尺寸；充填體積為8～10 m3，僅需4 個工人一個班次即可注漿完成，1 h 充填體實現(xiàn)完全承壓，2 h后外側(cè)單體可撤除，有效提高了實體擋風(fēng)墻的施工安全性和效率。

5 結(jié)論

對于實施大采深、易自燃礦井采煤工作面進回風(fēng)端頭封堵漏風(fēng)的措施，充填袋與快速凝固型LFM 輕型無機泡沫充填材料相結(jié)合的新工藝，可代替部分隅角施工煤袋墻進行堵漏漏風(fēng)，可有效地提高隅角實體墻的施工效率，大幅度提高現(xiàn)場施工的安全性。成型后的擋風(fēng)墻同時具備封堵漏風(fēng)和柔性承壓能力，頂板來壓時能大大減少隅角的漏風(fēng)量，有效控制和縮小采空區(qū)的自燃區(qū)域。同時，各種規(guī)格形狀的充填袋與無機泡沫充填材料相結(jié)合的模式在各種復(fù)雜異形區(qū)域封堵漏風(fēng)等方面也有良好的應(yīng)用前景。