李博，趙曉夏

（1.中煤科工集團(tuán)沈陽(yáng)設(shè)計(jì)研究院有限公司，遼寧沈陽(yáng)110015；2.中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶400037）

安全與環(huán)保

哈密一礦安全隱患治理工程防滅火工作實(shí)踐

李博1，趙曉夏2

（1.中煤科工集團(tuán)沈陽(yáng)設(shè)計(jì)研究院有限公司，遼寧沈陽(yáng)110015；2.中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶400037）

隨著露天采礦技術(shù)、設(shè)備的發(fā)展,露天可采深度不斷加大，然而露天煤礦煤層較淺引起的煤層自燃對(duì)許多露天煤礦的正常安全生產(chǎn)已經(jīng)構(gòu)成了很大的安全隱患。主要探討了褐煤露天煤礦中的防滅火方法，并介紹了新型防滅火材料在哈密一礦安全隱患治理工程中的應(yīng)用。

排褐煤露天煤礦；煤層自燃；防滅火方法；防滅火材料

0 引言

隨著我國(guó)大型露天煤礦的不斷發(fā)展，露天煤礦的煤炭自燃已經(jīng)成為礦山重大自然災(zāi)害之一，露天煤礦自燃不但浪費(fèi)煤炭資源，而且還會(huì)釋放出大量的有毒有害氣體，造成環(huán)境污染，給礦山工人的身體造成傷害。因此，防滅火工作是降低煤炭資源損失，減少和消除大氣污染，保證礦山安全生產(chǎn)的重要手段。

1 工程基本情況

哈密一礦安全隱患治理工程（簡(jiǎn)稱“本工程”）涵蓋基建和生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)。設(shè)計(jì)服務(wù)年限為9年，工程境界內(nèi)剝離量10 987萬(wàn)m3，可采煤量2 448萬(wàn)t，平均剝采比4.5 m3/t。最大的年出煤量為4.4 Mt/a，剝離采用單斗-卡車間斷開(kāi)采工藝，采煤采用輪斗挖掘機(jī)-卡車半連續(xù)開(kāi)采工藝。本工程首采一分區(qū)7#煤層厚度10 m左右，煤質(zhì)為褐煤，屬于容易自燃煤層，鄰近礦井開(kāi)采情況表明，自燃危險(xiǎn)性大，最短自然發(fā)火期30 d左右。為了實(shí)現(xiàn)首采一分區(qū)的安全開(kāi)采，根據(jù)一分區(qū)的基本情況和工程設(shè)計(jì)，以“降低成本、技術(shù)有效”為原則，提出了以“噴防火材料+監(jiān)測(cè)監(jiān)控”為主的防滅火技術(shù)路線。

2 防滅火技術(shù)路線

根據(jù)本工程煤層賦存條件和自燃特性，結(jié)合剝離回采回填工程開(kāi)采工藝，形成適合本工程災(zāi)害綜合治理的自燃綜合防治技術(shù)：以礦用新型無(wú)機(jī)防滅火材料噴涂覆蓋隔熱隔氧防火為主，灑水降溫、高溫點(diǎn)處理為輔，預(yù)防為主、防治結(jié)合[1]。

項(xiàng)目總體技術(shù)路線為對(duì)剝離回采工程需回采的煤層進(jìn)行自燃特性實(shí)驗(yàn)研究，并在前期結(jié)合采掘工藝和進(jìn)度計(jì)劃進(jìn)行自燃危險(xiǎn)性分析；在邊幫煤層邊坡形成后，首先進(jìn)行邊坡清理、平整邊幫，然后噴涂礦用新型無(wú)機(jī)防滅火材料，隔絕了煤層的氧化反應(yīng)，防止在氧化過(guò)程中不斷積熱助氧化[2]，同時(shí)預(yù)埋溫度監(jiān)測(cè)裝置進(jìn)行嚴(yán)格的監(jiān)測(cè)監(jiān)控；在剝離回采工程內(nèi)排回填階段，利用排土工程中的黏土、細(xì)砂層對(duì)防滅火噴涂層進(jìn)行墊層保護(hù)。

3 噴涂實(shí)驗(yàn)

3.1 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

實(shí)驗(yàn)包含2項(xiàng)內(nèi)容，分別為堆煤實(shí)驗(yàn)和煤幫噴涂實(shí)驗(yàn)。堆煤實(shí)驗(yàn)即按要求準(zhǔn)備3個(gè)煤堆，其中一堆為自然堆放，另兩堆為碾壓堆放，分別完成自然堆放煤堆和碾壓堆放噴灑MgCl2水溶液煤堆最短自然發(fā)火期觀測(cè)、碾壓堆放煤堆噴涂防滅火材料后的防火效果考察。煤幫噴涂實(shí)驗(yàn)即按要求準(zhǔn)備一個(gè)實(shí)驗(yàn)煤坑，分區(qū)域噴涂厚度為2 cm、5 cm和10 cm防滅火材料，考察不同涂層厚度與防火效果的關(guān)系，最終確定最經(jīng)濟(jì)可行的噴涂厚度。

3.2 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>

通過(guò)以礦用新型無(wú)機(jī)防滅火材料噴涂覆蓋為主的防火方案的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，優(yōu)化施工工藝，根據(jù)實(shí)驗(yàn)效果，優(yōu)化方案降低成本[3]，并對(duì)以下工作進(jìn)行考察：

1）確定合理的噴涂工藝，保障施工簡(jiǎn)捷，涂層厚度均勻、有效密封覆蓋；

2）評(píng)估干燥高溫多風(fēng)氣候條件下材料防火性能，并根據(jù)需要調(diào)整材料配比，優(yōu)化材料性能；

3）考察不同噴涂厚度防火效果，確定經(jīng)濟(jì)可行的噴涂厚度；

4）觀測(cè)自然堆放和噴灑MgCl2水溶液煤堆最短自然發(fā)火期，考察現(xiàn)場(chǎng)氣候條件下MgCl2的阻化性能，增加防滅火手段；

5）考察剝離回采回填工藝對(duì)自燃防治工藝影響，以及爆破震動(dòng)對(duì)涂層的影響，包括涂層是否出現(xiàn)裂縫、松動(dòng)滑落等現(xiàn)象；

6）現(xiàn)場(chǎng)取樣密封進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室煤自燃特性實(shí)驗(yàn)測(cè)試，為防滅火措施提供依據(jù)。

3.3 堆煤實(shí)驗(yàn)

堆煤實(shí)驗(yàn)共準(zhǔn)備3個(gè)煤堆，主要完成3個(gè)實(shí)驗(yàn)，包括自然堆放觀測(cè)最短自然發(fā)火期、碾壓堆放噴涂防火材料、碾壓堆放噴灑MgCl2水溶液。每個(gè)煤堆中部均埋設(shè)一組溫度傳感器及導(dǎo)氣管，用以監(jiān)測(cè)煤堆內(nèi)部溫度及CO變化情況。2014年5月19日開(kāi)始監(jiān)測(cè)，其中1#為自然堆放煤堆；2#為碾壓堆放噴灑MgCl2水溶液煤堆；3#為碾壓堆放噴涂防火材料煤堆。煤堆內(nèi)部溫度及CO變化趨勢(shì)如圖1和圖2所示。

圖1 煤堆內(nèi)部溫度變化趨勢(shì)圖

圖2 煤堆CO變化趨勢(shì)圖

圖3 煤幫平面圖

3.4 煤幫噴涂實(shí)驗(yàn)

煤幫暴露時(shí)間為2014年5月15日，煤幫平面如圖3所示。5月20日開(kāi)始煤幫噴涂實(shí)驗(yàn)，5月25日結(jié)束，除去22日和23日2 d沙塵天氣影響暫停施工外，共用時(shí)4 d，完成噴涂面積251 m2，用料12.45 t，區(qū)域噴涂實(shí)驗(yàn)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 區(qū)域噴涂實(shí)驗(yàn)參數(shù)

經(jīng)試驗(yàn)，在沒(méi)有錨網(wǎng)的條件下，材料漿液能夠與邊幫煤層完好的粘結(jié)在一起，最終決定可省去掛網(wǎng)工序，直接噴涂。然后，用高壓水沖洗邊幫浮煤及松動(dòng)的碎煤塊，并對(duì)所有預(yù)噴涂表面灑水，濕潤(rùn)濕透煤粉，增加材料與表面的粘結(jié)性[4]。

按照煤幫噴涂實(shí)驗(yàn)的3種不同噴涂厚度，設(shè)置5組監(jiān)測(cè)點(diǎn)，每組測(cè)點(diǎn)由溫度傳感器和導(dǎo)氣管組成，用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)涂層內(nèi)溫度及CO氣體的變化情況，用以判斷涂層下煤體的氧化升溫情況。測(cè)點(diǎn)具體布置參數(shù)如圖3。表面處理前，圍繞煤坑不同噴涂厚度區(qū)打檢測(cè)孔，孔深2 m，孔徑42 mm，用于放置導(dǎo)氣管及溫度傳感器，并用DN25無(wú)縫鋼管作為保護(hù)套管，孔口夯實(shí)密閉，煤層破碎區(qū)域采用水泥砂漿封孔。通過(guò)溫度傳感器讀數(shù)確認(rèn)煤層內(nèi)部溫度的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)；通過(guò)氣泵抽出導(dǎo)氣管內(nèi)氣體，經(jīng)便攜儀檢測(cè)孔底CO等防滅火指標(biāo)氣體的變化情況。測(cè)點(diǎn)內(nèi)部溫度及CO變化趨勢(shì)如圖4—圖9所示。

圖41 #測(cè)點(diǎn)溫度變化趨勢(shì)圖

圖52 #測(cè)點(diǎn)溫度變化趨勢(shì)圖

圖63 #測(cè)點(diǎn)溫度變化趨勢(shì)圖

圖74 #測(cè)點(diǎn)溫度變化趨勢(shì)圖

圖85 #測(cè)點(diǎn)溫度變化趨勢(shì)圖

圖9 各測(cè)點(diǎn)CO變化趨勢(shì)圖

3.5 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

通過(guò)堆煤和煤幫實(shí)驗(yàn)，考察了在干燥高溫、晝夜溫差較大等氣候條件下礦用新型無(wú)機(jī)防滅火材料的防火性能和MgCl2的阻化性能，獲得了工藝、施工等方面的重要經(jīng)驗(yàn)，得出了經(jīng)濟(jì)可行的噴涂厚度數(shù)據(jù)。

3.5.1 對(duì)材料性能的考察

1）根據(jù)堆煤實(shí)驗(yàn)監(jiān)測(cè)情況分析，噴涂防滅火材料煤堆在涂層包裹封閉下，由于微供氧作用，長(zhǎng)期處于緩慢氧化平衡過(guò)程中，煤堆內(nèi)部溫度和CO濃度基本保持穩(wěn)定，并在長(zhǎng)期時(shí)間內(nèi)保持恒定[5]。煤堆噴涂防滅火材料形成結(jié)殼密封包裹體，可作為大型煤場(chǎng)的防火手段。

2）根據(jù)煤幫實(shí)驗(yàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析，涂層下的溫度長(zhǎng)期保持在恒溫狀態(tài)，隔絕了外界溫度影響，保證了煤體內(nèi)部低溫缺氧環(huán)境，阻礙了煤體氧化進(jìn)程；在微漏風(fēng)作用下，涂層下煤體長(zhǎng)期保持著低溫緩慢氧化，產(chǎn)生了少量CO氣體，并在長(zhǎng)期供氧、耗氧平衡中基本保持穩(wěn)定。上述的這些基本特征在長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)一直處于穩(wěn)定狀態(tài)。

3）在戈壁灘惡劣的氣候條件下，礦用新型無(wú)機(jī)防滅火材料仍表現(xiàn)出良好的隔熱性，較強(qiáng)的粘結(jié)性和密閉性，能夠?qū)γ后w起到良好的密封保護(hù)作用，延緩煤體氧化進(jìn)程。經(jīng)考察，噴涂該材料能夠作為邊幫煤層防火的主要手段。

4）夏季的戈壁灘晝夜溫差較大，熱脹冷縮作用明顯，涂層出現(xiàn)一些裂縫在所難免。經(jīng)實(shí)驗(yàn)考察，較小裂縫對(duì)涂層防火的整體性基本不存在影響[6]。

5）經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，煤壁不必掛錨網(wǎng)，可直接向煤壁噴涂防火材料，煤壁與材料能夠緊密的粘結(jié)成整體。受實(shí)驗(yàn)坑尺寸影響，長(zhǎng)期放炮震動(dòng)作用下涂層是否開(kāi)裂和大面積滑落，有待在后續(xù)工程中進(jìn)一步考察。

3.5.2 對(duì)MgCl2阻化性能的考察

經(jīng)噴灑MgCl2水溶液實(shí)驗(yàn)，煤堆表層有晶體析出，保濕固水現(xiàn)象不明顯，雨后表層濕潤(rùn)可維持一段時(shí)間；其阻化性能沒(méi)有直接數(shù)據(jù)和表觀現(xiàn)象體現(xiàn)。建議在后續(xù)工程中噴灑MgCl2水溶液后，定時(shí)灑水保濕。

3.5.3 對(duì)最短自然發(fā)火期的考察

實(shí)驗(yàn)期間，現(xiàn)場(chǎng)取了2份煤樣送實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)，鑒定結(jié)果為：自燃傾向性分別為Ⅰ類容易自燃煤層和Ⅱ類自燃煤層；最短自然發(fā)火期分別為35 d和49 d。

4 礦用新型無(wú)機(jī)防滅火材料噴涂施工

4.1 防火機(jī)理

1）材料本身不燃，使被保護(hù)煤體不直接與空氣接觸，延遲物體著火和減少燃燒的速度，它還具有較低的導(dǎo)熱系數(shù)，可以延遲火焰溫度向被保護(hù)煤體的傳遞[7]。

2）固結(jié)后的材料在高溫下受熱分解出不燃惰性氣體，沖淡被保護(hù)物體受熱分解出的可燃性氣體，使之不易燃燒或燃燒速度減慢。

3）該材料受熱膨脹發(fā)泡，形成碳質(zhì)泡沫隔熱層封閉被保護(hù)的物體，延遲熱量與基材的傳遞，阻止物體著火燃燒或因溫度升高而造成的強(qiáng)度下降。

4.2 噴涂厚度

依據(jù)前期噴涂實(shí)驗(yàn)結(jié)果，兼顧可行性和經(jīng)濟(jì)性的原則，本工程設(shè)計(jì)噴涂厚度30 mm，也可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況調(diào)整。對(duì)于破碎區(qū)域、高溫易燃區(qū)域等可適當(dāng)增加噴涂厚度，保證包裹覆蓋的密實(shí)性。由于施工現(xiàn)場(chǎng)氣候干燥，風(fēng)力及晝夜溫差較大，熱脹冷縮容易造成涂層開(kāi)裂，本工程將開(kāi)裂寬度30 mm定為影響防火效果的指標(biāo)。小裂隙對(duì)防火的整體性影響較小，可不必處理，但超過(guò)30 mm的大裂隙必須補(bǔ)噴，確保防火效果在可控范圍內(nèi)。

4.3 煤層防火施工

4.3.1 煤面平整

1）施工準(zhǔn)備。隨著工作幫的推進(jìn)，邊幫煤層切面應(yīng)及時(shí)處理成設(shè)計(jì)坡面，以便盡早開(kāi)展防滅火施工。

2）邊坡清理平整。在邊幫邊坡成型后，首先進(jìn)行邊坡清理、平整。邊坡清理工作自上而下，將松動(dòng)的浮石、浮煤、矸石逐一清理干凈，最后利用水力沖刷的方式?jīng)_洗邊坡。邊坡清理工作應(yīng)特別注意浮煤的清理，減小自然發(fā)火隱患。

3）臺(tái)階平面平整。煤臺(tái)階平面成型后，對(duì)其進(jìn)行平整處理，除去表面煤塊、煤矸等塊狀物，并灑水將表層的浮煤灰浸透壓實(shí)。在必要的情況下，較深的空洞首先進(jìn)行補(bǔ)平，對(duì)局部裂隙較為發(fā)育區(qū)域采用挖填夯實(shí)的方式處理。

4.3.2 隔氧降溫施工

1）非工作幫隔氧降溫施工。非工作幫煤層邊坡平整完畢后，噴涂防滅火材料。施工中，向煤層頂、底板延伸噴涂0.5 m，必要的情況下適當(dāng)加寬，巖層破碎區(qū)域根據(jù)實(shí)際情況增大涂層控制范圍。噴涂結(jié)束后，對(duì)涂層進(jìn)行檢測(cè)，考察涂層的平整性和密閉性，對(duì)厚度沒(méi)有達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、有裂隙或損傷的部位及時(shí)修補(bǔ)。對(duì)于邊幫煤層較為破碎的局部區(qū)域，可根據(jù)需要，采用噴涂防滅火材料配合掛網(wǎng)噴漿的方式進(jìn)行處理[7]。

非工作幫到界后即開(kāi)始內(nèi)排，為保護(hù)防火材料覆蓋層實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間防火效果，含煤臺(tái)階內(nèi)排回填首先使用上覆巖層剝離的細(xì)砂石作為墊層，墊層厚度根據(jù)臺(tái)階、邊幫情況確定。墊層與上覆巖層接頭處做成斜坡，角度小于自然安息角。細(xì)砂石墊層上部采用剝離回采工程內(nèi)排土石統(tǒng)一回填，在內(nèi)排回填之前，間斷性對(duì)墊層灑水，或利用塑料布?jí)簩?shí)覆蓋，避免春、夏季大風(fēng)的影響。

2）端幫隔氧降溫施工。隨著工作幫的推進(jìn)，在工作幫后方邊幫隨即噴涂防滅火材料。施工時(shí)，至少向煤層頂、底板延伸噴涂0.5 m。對(duì)于局部破碎區(qū)域必要時(shí)可采用噴涂防滅火材料結(jié)合掛網(wǎng)噴漿的方式，施工工藝與非工作幫隔氧降溫施工相同。防滅火措施實(shí)施完成后，施工區(qū)域覆蓋細(xì)砂層，細(xì)砂層覆蓋厚度根據(jù)臺(tái)階、邊幫情況確定。

3）臺(tái)階平面隔氧降溫施工。臺(tái)階平面處理好后，隨即開(kāi)展噴涂防滅火材料施工，對(duì)煤體進(jìn)行包裹覆蓋處理。噴涂好的區(qū)域盡量較少人員、車輛等的經(jīng)過(guò)，以防涂層遭到重壓破壞開(kāi)裂，失去整體密封性，如果必須經(jīng)過(guò)的話，需在指定的線路上覆蓋足夠的沙土層，以減輕涂層破壞程度。

4.3.3 自燃監(jiān)測(cè)

根據(jù)暴露煤體自燃特點(diǎn)，現(xiàn)場(chǎng)自燃監(jiān)測(cè)確定采用溫度監(jiān)測(cè)為主、CO監(jiān)測(cè)為輔的方式判斷自燃趨向。結(jié)合本工程實(shí)際情況，自燃監(jiān)測(cè)采用非接觸式巡回監(jiān)測(cè)和檢測(cè)孔監(jiān)測(cè)。

1）非接觸式巡檢。對(duì)邊幫煤層、松散煤堆或煤體等，利用手持式紅外熱像儀監(jiān)測(cè)煤體暴露區(qū)域及覆蓋防滅火材料區(qū)域的溫度。非接觸式紅外熱像儀能夠?qū)γ罕?、邊幫、煤堆的表面快速發(fā)現(xiàn)高溫異常位置和區(qū)域。

2）檢測(cè)孔監(jiān)測(cè)。在煤層邊幫傾向中心、走向上每50 m設(shè)置1個(gè)檢測(cè)孔，用以監(jiān)測(cè)煤層溫度情況，煤層破碎區(qū)域可根據(jù)實(shí)際情況減小檢測(cè)孔間距。檢測(cè)孔監(jiān)測(cè)主要用于實(shí)體煤的內(nèi)部監(jiān)測(cè)，能夠及時(shí)測(cè)定煤體內(nèi)部溫度及自燃標(biāo)志性氣體的變化趨勢(shì)，進(jìn)而可判斷出煤體內(nèi)部的升溫氧化進(jìn)程及自燃趨勢(shì)。檢測(cè)孔示意如圖10所示。

3）監(jiān)測(cè)制度。自燃監(jiān)測(cè)于每天高溫時(shí)段14∶00—17∶00之間進(jìn)行，對(duì)上述所有區(qū)域全方位監(jiān)測(cè)。當(dāng)氣溫低于25℃時(shí)，每2 d進(jìn)行1次巡檢，空氣溫度高于25℃時(shí)，每天進(jìn)行1次巡檢。每次監(jiān)測(cè)完成后填寫監(jiān)測(cè)記錄表，若發(fā)現(xiàn)局部區(qū)域溫度異常升高時(shí)，立即上報(bào)。查明溫度異常升高原因，若存在自燃趨勢(shì)，馬上采取措施。

圖10 檢測(cè)孔示意圖

5 結(jié)語(yǔ)

本工程所采用礦用新型無(wú)機(jī)防滅火材料中含有能抑制煙霧及阻斷自由基鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的物質(zhì)，與常規(guī)防滅火材料相比，大大提高防滅火效能和滅火速度，施工前制定了嚴(yán)格的安全施工技術(shù)措施，噴涂施工質(zhì)量良好，防滅火效果顯著，很好的保證了本工程的生產(chǎn)安全，截止目前累計(jì)完成噴涂面積12 676 m2。在實(shí)際應(yīng)用中還有以下幾點(diǎn)需要優(yōu)化調(diào)整：

1）增強(qiáng)材料粘結(jié)強(qiáng)度。邊幫煤層靠近施工場(chǎng)地，或靠近運(yùn)輸?shù)缆?，較好的粘結(jié)強(qiáng)度有利于增強(qiáng)涂層的完整性和固結(jié)性。

2）改善材料對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性。本地區(qū)冬季寒冷、夏季干燥炎熱、晝夜溫差大，需提高材料的抗寒性、凝固性、熱脹冷縮性，以適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)的氣候條件。

3）提高抗氧化、抗風(fēng)化能力。施工區(qū)域氣候干燥、多風(fēng)，提高材料抗氧化、抗風(fēng)化能力有利于保證涂層隔氧降溫的效果。

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【責(zé)任編輯：解連江】

Safety risk control project fire prevention work practice in Hami No.1 Mine

LI Bo1,ZHAO Xiaoxia2
(1.China Coal Technology and Engineering Group Shenyang Design&Research Institute,Shenyang 110015,China; 2.China Coal Technology and Engineering Group Chongqing Design&Research Institute,Chongqing 400037,China)

With the development of open-pit mining technology and equipment,the exploitable depth increases in open-pit mine. However,the coal seam spontaneous combustion caused by shallow coal seam forms great safety hazard in many open-pit coal mines.This article mainly discusses the methods of fire prevention in lignite open-pit coal mine,and introduces the application of new type fire prevention materials in Hami No.1 Mine safety risk control project.

lignite open-pit coal mine;coal seam spontaneous combustion;fire prevention method;fire prevention material

TD75

B

1671－9816（2017）01－0071－06

10.13235/j.cnki.ltcm.2017.01.020

李博，趙曉夏.哈密一礦安全隱患治理工程防滅火工作實(shí)踐［J］.露天采礦技術(shù)，2017，32（1）：71-75.

2016-07-20

李博（1982—），男，黑龍江伊春人，注冊(cè)一級(jí)建造師，注冊(cè)咨詢工程師，注冊(cè)監(jiān)理工程師。畢業(yè)于中國(guó)礦業(yè)大學(xué)土木工程專業(yè)，現(xiàn)就職于中煤科工集團(tuán)沈陽(yáng)設(shè)計(jì)研究院有限公司，主要從煤礦安全管理工作。