巷道煤柱自燃致災機理及注漿滅火技術實踐

李建華，張亞潮，王凱旋，楊樂樂，楊盼盼，蔡夢姣

(1.陜西彬長大佛寺礦業有限公司，陜西 咸陽 712200；2.西安科技大學 安全科學與工程學院，陜西 西安 710054；3.國家礦山應急救援(西安)研究中心，陜西 西安 710054；4.陜西省煤炭科學研究所，陜西 西安 710001)

0 引言

礦井內因火災嚴重影響煤礦安全，我國90%以上的煤層為自燃或易自燃，煤炭自燃引起的內因火災占礦井火災總數的85%～90%[12]。我國西部礦區每年都會出現由內因火災引起的采區CO異常、煤柱內部出現高溫點等現象[3]。隨著受復雜地質條件影響的復采區、老舊煤巷、煤柱密閉墻等處，松散遺煤多，頂板破壞嚴重且呈不規則分布，漏風通道多源且錯綜復雜，自然發火的問題十分凸顯[45]。而煤自燃產生大量的高溫有毒有害煙流和氣體，危害作業人員的生命安全，且火災易誘發瓦斯、煤塵爆炸等重(特)大次生災害事故[67]，嚴重制約著煤礦的健康發展和生產安全。

巷道煤柱易受擾動，節理裂隙發育，嚴重破壞煤柱的完整度。煤柱被破壞后，其完整度會大大降低，這將會使漏風量在一定時間內迅速增加，也會導致煤柱的自然發火期發生變化[8]。如果巷道煤柱遇到上述情況，造成煤柱的結構不完整，從而導致巷道煤柱和密閉墻漏風量增加。因此，其氧化自燃的可能性進一步增加，當時間達到其自然發火期時，會使巷道煤柱發生自燃。考慮礦井防火及安全，保護巷道煤柱不被破壞，維持其完整性是非常有必要的，一旦煤柱出現破裂漏風情況，應盡快采取維護措施。

為此，結合大佛寺煤礦4號煤層膠帶大巷11#聯巷密閉墻高溫區域的實際情況，剖析巷道煤柱自燃機理、特性和治理難點。以期消除安全隱患，實現安全生產，并為類似條件礦井提供一定的借鑒。

1 巷道煤柱自燃

1.1 巷道煤柱自燃機理

巷道風流在各種外力作用下滲透進入煤柱，使煤體氧化放熱，煤體通過傳導、對流等過程向周圍環境散熱，當煤體放熱速率大于周圍環境散熱速率時，引起巷道煤柱升溫，達到煤的著火點溫度時，導致煤柱自燃[910]。而主要影響因素為巷道煤柱所處的位置、漏風情況、散熱條件等。

1.2 巷道煤柱自燃特性

由于火源的位置在前期不能直接被發現，當技術人員發現在某一區域有自燃跡象時，常常會在可疑的位置以一定規律性的鉆孔，找到溫度高的地方通過注水、注漿等措施把火撲滅，煤柱自燃具有一定復雜性，且具備3方面特征[11]。一是，在有自燃傾向性的含煤巷道中、其工作面進風巷、回風巷以及開切眼是最容易發生煤柱自燃的位置；二是，在巷道斷面突然縮小、突然擴大或巷內安設風窗、風門等控風設施的地點是巷道自燃火災主要發生位置；三是，巷道自然發火地點煤層一般為巷道高冒區、地質構造帶、煤體破碎以及裂隙發育區。

2 煤自燃治理區概況

大佛寺煤礦屬于高瓦斯、易自燃礦井，煤塵具有爆炸性。2018年10月17日，檢查時發現4號煤層膠帶大巷11#聯巷密閉墻外右側巷道幫部溫度高，表面溫度35 ℃。11#聯巷高溫區域平面圖如圖1所示，高溫點經處理，密閉墻內氣體參數已穩定。為強化防滅火效果，對該區域密閉墻周幫進行注漿堵漏，徹底封閉漏風通道。

圖1 11#聯巷高溫區域平面Fig.1 Plan of high temperature area of 11# connecting roadway

2.1 發火原因分析

煤柱漏風情況一般分為持續漏風、微漏風、間斷漏風[12]。經實際勘探，分析出漏風導致煤自燃具體的原因主要包括3方面。一是，膠帶及1#總回11#聯巷段受采掘活動及后期擴巷等影響，在煤柱深部裂隙發育，存在范圍較深的漏風帶。拆除風門前，處于持續漏風階段。二是，拆除11#聯巷風門后，膠帶側及總回側閉墻壓差減小，漏風帶范圍縮小，處于微漏風階段。三是，1#總回、2#總回北段閉墻封閉后，需打開抽放進行卸壓，導致煤柱處于間斷漏風階段，形成“呼吸”效應。淺部的裂隙受漏風的影響，形成散熱帶，深部的裂隙形成氧化升溫帶，最終造成該段煤柱出現高溫點。

2.2 煤柱內自燃“三帶”范圍確定

根據11#聯巷膠帶巷密閉墻右幫煤柱注水鉆孔施工情況，可分析出當鉆孔深度達到9～13.5 m，進入高溫帶；在巷道頂部7 m，進入高溫帶。可判斷在幫部區域9～13.5 m，頂部區域7 m，即進入氧化升溫帶，氧化升溫帶不超過30 m；散熱帶在幫部區域范圍大于頂部區域，說明幫部區域漏風條件大于頂部區域。

3 注漿防控技術

3.1 注漿防滅火機理

注漿防滅火技術機理是將不燃性注漿原材料與水按一定比例混合制成懸浮液，利用靜壓或動壓，由地面鉆孔輸送至防滅火區域。漿體材料覆蓋包裹遺煤，阻止氧氣與遺煤的接觸，進而阻止遺煤進一步低溫氧化或撲滅已經發生燃燒的煤體。漿水在滲透時，由于增加了煤體的外在水分，減緩了煤體自熱氧化過程的進一步發展，從而冷卻并降低已經進入自熱狀態煤炭的溫度[13]。最后，越來越多的漿體材料進入采空區，組成較大范圍的“泥漿墻體”，可有效地阻止采空區漏風，有害氣體的運移作用也被減弱。

3.2 鉆孔布置

在11#聯巷7處密閉墻煤柱側中使用650鉆機向煤柱內施工注漿孔56個，灌注各類注漿孔60個，具體注漿孔位置如圖2所示。由煤柱中部向兩側施工，開孔水平間距2 m，終孔間距5 m，鉆孔采用高低位長短雙排鉆孔布置，三花眼布置方式，短孔終孔與巷幫水平間距6 m，長孔30 m。

圖2 11#聯巷密閉墻注漿孔位置Fig.2 Location of grouting hole in the closed wall of 11# connecting roadway

3.3 注漿材料確定

通過查閱資料，對胡家河煤礦2#木盤川進風立井井筒壁間壁后注漿。采用水泥、封孔料、水玻璃作為擬注漿材料，通過不同比例制作樣品進行對比，試驗結果見表1，對比效果如圖3所示。

圖3 擬注漿材料30 d后效果對比Fig.3 Comparison of the effect of grouting materials after 30 days

表1 擬注漿材料對比試驗結果

最終決定，注漿材料比例確定為：前3～4桶，水泥∶封孔料∶水=1∶3∶3；最后一桶，水泥∶水玻璃∶水=1∶1∶2。

3.4 注漿工藝

水泥注漿工藝包括打孔、封孔、注漿3道工序。施工完成后的鉆孔還需用水沖洗，施工并組裝孔內注漿管和孔口注漿管、截止閥，使用馬麗散封孔口，開始連接注漿系統。先使用水泥-水玻璃雙液漿注淺部孔，注漿至終壓穩定10 min后停泵，注下一個注漿孔，淺部孔注完后，開始注深部孔。

3.5 注漿實施

累計注漿22.96 t，其中水泥13.3 t，封孔料9.76 t，水玻璃1 371.5 L，水36.4 t，注漿加固情況見表2。

表2 11#聯巷注漿加固情況

根據注漿情況可以看出，前期巷道處于持續漏風階段、“呼吸型”的閉墻煤柱在煤柱深部裂隙發育，存在范圍較深的漏風帶，注漿量較大。實際操作過程中，煤柱深部受裂隙的影響，圍巖應力普遍小于泵的終壓，即使泵壓力驟增，也會很快劈裂圍巖裂隙，向深部煤柱進行灌注。注漿期間當泵壓力達到3 MPa仍可以進行注漿，煤柱中部的注漿孔極端情況下泵壓力能達到8～9 MPa。前期巷道處于微漏風甚至均壓狀態的閉墻煤柱裂隙不發育，注漿量較小。在實際操作過程中，極容易造成憋泵。處于微漏風甚至均壓狀態的煤柱，注漿期間一般出現2種現象。從周幫錨桿出漿或很短時間內造成憋泵；周幫出漿的注漿孔注漿量略大于迅速憋泵的鉆孔，說明煤柱漏風普遍存在于支護錨桿附近。

4 注漿治理效果

通過對密閉墻注漿后，對閉墻內外氣體進行連續觀測，繪制閉墻內氣體參數曲線圖，如圖4～7所示。可以看出，注漿后，閉墻外不再出現瓦斯逸出現象，閉墻前瓦斯積聚現象未發生。閉墻內甲烷、氮氣、二氧化碳等窒息性氣體濃度快速增加，氧氣濃度下降，甚至消失。閉墻內瓦斯濃度，1#輔運>膠帶巷>1#總回≈2#總回；氧氣濃度，1#總回≈2#總回>膠帶巷≈1#輔運。說明煤柱逸散的瓦斯對封閉區域內影響較弱，對1#輔運、膠帶巷影響較大，采空區氣體更容易向1#輔運、膠帶巷逸散。封閉區域內氣體穩定后，閉墻內正壓存在，1#輔運>膠帶巷>1#總回>2#總回，但差值不大，與閉墻外大巷氣壓成正比關系。閉墻內氣體壓力逐漸上升，迅速變為正壓，并持續上升。閉墻內外壓差受外界大氣壓影響有增有減，但4道閉墻的壓差變化、漲跌幅度基本相同；閉墻內氣體濃度變化不受外界大氣壓的影響。說明注漿后，閉墻內封閉區基本處于穩定的內環境，不受外界環境影響。

圖4 11#聯巷1#輔運密閉墻內氣體參數曲線Fig.4 Parameter curve of gas in the closed wall of 11# connecting roadway 1# auxiliary transportation

圖5 11#聯巷膠帶巷密閉墻內氣體參數曲線Fig.5 Curve diagram of gas parameters in the closed wall of 11# connecting roadway belt roadway

圖6 11#聯巷1#總回(南)密閉墻內氣體參數曲線Fig.6 Curve of gas parameters in the total return (south) closed wall of 11# connecting roadway 1#

圖7 11#聯巷2#總回(南)密閉墻內氣體參數曲線Fig.7 Curve of gas parameters in the total return (south) closed wall of 11# connecting roadway 2#

5 結論

(1)分析了巷道煤柱自燃機理與特性，并結合現場實際勘探結果，得出4號煤層11#聯巷高溫區域產生的原因為：膠帶及1#總回11#聯巷段受采掘活動及后期擴巷等影響，在煤柱深部裂隙發育，存在范圍較深的漏風帶，膠帶側及總回側閉墻壓差減小，漏風帶范圍縮小，淺部的裂隙受漏風的影響，形成散熱帶，深部的裂隙形成氧化升溫帶，最終造成該段煤柱出現高溫點。

(2)利用預注漿技術對大佛寺煤礦4號煤層11#聯巷高溫區域進行治理，自2018年12月12日至2019年1月2日，在11#聯巷7處密閉墻煤柱側施工注漿孔56個，灌注各類注漿孔60個，注漿22.96 t，其中水泥13.3 t，封孔料9.76 t，水玻璃1 371.5 L，水36.4 t。

(3)經注漿后，4號煤層11#聯巷內密閉墻右幫煤柱高溫區域已得到有效圍堵，密閉墻內漿液堆積效果較好，高溫區域漿液已形成有效堆積。根據氣體監測情況分析，原高溫區域已處于窒息狀態，并且溫度監測表明，4號煤層11#聯巷密閉墻內煤柱溫度已降至正常值并保持穩定，自燃氧化已停止。