孟旭剛

(晉能集團(tuán) 忻州有限公司，山西 忻州 034000)

貓兒溝露天礦平盤推進(jìn)至920平盤A采區(qū)時，煤層內(nèi)發(fā)現(xiàn)大量完整小窯采空區(qū)巷道，并伴隨有煤炭自燃現(xiàn)象。隨著生產(chǎn)的繼續(xù)和時間的推移，小窯采空區(qū)內(nèi)自燃現(xiàn)象越來越嚴(yán)重[1]，有大量藍(lán)色煙霧和明火從巷道內(nèi)冒出，小窯采空區(qū)內(nèi)已經(jīng)形成了大范圍明火區(qū)，火區(qū)火勢嚴(yán)重，亟需治理[2,3]. 貓兒溝露天礦小窯火區(qū)具有以下特點(diǎn)：1) 火勢由巷道外側(cè)逐漸向縱深發(fā)展。巷道外側(cè)漏風(fēng)嚴(yán)重，供氧充足，加之具備其它煤氧化自燃條件，致使其率先發(fā)生氧化自燃進(jìn)入高速氧化階段，同時由于煙囪效應(yīng)的存在，火勢沿巷道向縱深發(fā)展。2) 漏風(fēng)通道復(fù)雜，漏風(fēng)嚴(yán)重。原井工小煤窯亂采亂挖存在較多的角聯(lián)漏風(fēng)通道，尤其巷道外側(cè)因采區(qū)爆破剝離影響，漏風(fēng)更加嚴(yán)重。3) 火源隱蔽，滅火針對性差。貓兒溝露天礦原井工小窯亂采亂挖造成眾多采空區(qū)巷道分布不明，浮煤堆積情況不清，很難確定火源點(diǎn)的具體位置。4) 熄滅火區(qū)后期維護(hù)困難，容易復(fù)燃。貓兒溝煤業(yè)實(shí)際滅火過程中，由于地下火區(qū)相互連通，熱量通過裂隙、巷道等渠道相互傳導(dǎo)，熄滅的火區(qū)易發(fā)生復(fù)燃。因此，針對該火區(qū)的治理不能采用常規(guī)的治理措施，需采用充填阻隔滅火技術(shù)將巷道外側(cè)進(jìn)行封堵，隨后對巷道已燃區(qū)域采用快速降溫與迅速挖除，才能將此火區(qū)徹底治理。

1 貓兒溝露天礦采空區(qū)火區(qū)治理難點(diǎn)

貓兒溝露天礦小煤窯采用沿煤層底板或煤層中部掘巷的開采方式。開采結(jié)束后，大部分巷道未完全垮落，只是巷道頂部煤層部分垮落形成大量遺煤，受巷道漏風(fēng)影響遺煤大面積自燃形成底部高溫火區(qū)，底部高溫火區(qū)不斷烘烤上部煤巖形成大面積立體火區(qū)。貓兒溝露天礦采空區(qū)火區(qū)特點(diǎn)和治理難點(diǎn)是火區(qū)面積大、熱量高，小流量滅火材料難以達(dá)到理想的治理效果；高低位火源相結(jié)合的立體火區(qū)，傳統(tǒng)的滅火技術(shù)難以對高位火源進(jìn)行有效的滅火降溫；火區(qū)漏風(fēng)嚴(yán)重、易復(fù)燃，后期管理困難。為了治理貓兒溝露天礦立體火區(qū)，必須采用高低位相結(jié)合的火區(qū)治理技術(shù)，以便達(dá)到理想的治理效果。

2 采空區(qū)立體火區(qū)治理技術(shù)

基于貓兒溝露天礦火區(qū)具體條件和現(xiàn)狀，該礦920平盤A采區(qū)火區(qū)整體采用分區(qū)治理，逐步推進(jìn)的思路?；饏^(qū)治理技術(shù)路線為施工專用滅火鉆孔、注水注漿、三相泡沫滅火、火區(qū)填充隔離、火區(qū)覆蓋剝離，在治理過程中對火區(qū)治理效果進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，對火區(qū)治理強(qiáng)度和治理手段進(jìn)行動態(tài)調(diào)整，以達(dá)到最好的滅火效果。1) 施工專用滅火鉆孔一方面探查采空區(qū)火區(qū)溫度分布情況，收集鉆孔溫度、鉆孔深度、采空區(qū)深度、范圍等信息，另一方面為滅火提供施工條件。2) 已經(jīng)燃燒的地表火區(qū)和巷道高溫區(qū)采用注水、注漿技術(shù)進(jìn)行火區(qū)處理，針對高位火源必要時采用三相泡沫技術(shù)進(jìn)行滅火降溫。3) 火區(qū)填充隔離主要是盡可能將已經(jīng)發(fā)火區(qū)域與內(nèi)部未燃燒區(qū)域填充隔離，防止火勢向采空區(qū)內(nèi)部蔓延。4) 為了防止火區(qū)復(fù)燃，必要時采用火區(qū)覆蓋，火區(qū)治理結(jié)束后采用機(jī)械設(shè)備對火區(qū)進(jìn)行剝離，剝離同時對火區(qū)進(jìn)行降溫處理，每次剝離不要超過隔離區(qū)域。火區(qū)治理施工方案平面布置見圖1.

圖1 火區(qū)治理施工方案平面布置圖

3 貓兒溝露天礦立體火區(qū)治理技術(shù)

3.1 巷道已燃區(qū)域快速滅火降溫技術(shù)

基于貓兒溝露天礦920平盤A采區(qū)火區(qū)的現(xiàn)場實(shí)際，為滿足滅火降溫需求，綜合采用注水技術(shù)、注漿技術(shù)、三相泡沫技術(shù)對火區(qū)進(jìn)行治理。

1) 注水技術(shù)。注水是最直接有效的滅火方式，經(jīng)濟(jì)實(shí)惠，火區(qū)治理過程中，先采用最直接的注水方式，消除水可以到達(dá)區(qū)域的明火及高溫，同時可以起到?jīng)_開裂隙通道的作用，以擴(kuò)大注漿與灌注粉煤灰改性填充材料的影響范圍。根據(jù)貓兒溝煤業(yè)實(shí)際情況，采用水車后部加壓水泵輸水灌注的方式，注水參數(shù)見表1.

表1 鉆孔注水參數(shù)表

2) 注漿技術(shù)。貓兒溝煤業(yè)920平盤火區(qū)存在大量的漏風(fēng)通道，在火風(fēng)壓的作用下，火區(qū)不斷有空氣供給，導(dǎo)致火區(qū)不斷擴(kuò)大，因此通過灌注黃泥漿或粉煤灰漿液，不僅能夠包裹煤體進(jìn)行降溫，防止復(fù)燃，還能填實(shí)裂隙，減少漏風(fēng)。同時，灌注粉煤灰漿液可以對采空區(qū)進(jìn)行預(yù)充填，減少了后期灌注粉煤灰改性填充材料用量，節(jié)約了火區(qū)治理成本。

注漿原則：a) 注漿實(shí)行先外圍后中心方式。b) 注漿前先注水沖洗。c) 間歇性注漿。注漿技術(shù)指標(biāo)：a) 粉煤灰顆粒<2 mm. b) 粉煤灰中嚴(yán)禁摻雜石塊、土塊等雜物。注漿注意事項(xiàng)：必須保持合適的泥漿濃度，水灰比控制在2∶1～5∶1，注漿時由現(xiàn)場技術(shù)人員指導(dǎo)操作。單個鉆孔注漿參數(shù)見表2，單個鉆孔灌注粉煤灰改性材料稀漿液參數(shù)見表3.

表2 單個鉆孔注漿參數(shù)表

表3 單個鉆孔灌注漿液參數(shù)表

3) 灌注三相泡沫技術(shù)。針對巷道高位火源的治理，注水注漿技術(shù)效果甚微且極易出現(xiàn)“拉溝”現(xiàn)象，而三相泡沫技術(shù)具有產(chǎn)生量大、覆蓋面廣、可向高處堆積的特點(diǎn)，可對巷道內(nèi)高位火源進(jìn)行針對性治理[4,5]. 三相泡沫灌注流程：制漿站中制成泥漿，通過過濾網(wǎng)經(jīng)過泥漿泵輸送入三相泡沫注漿管路，同時通過發(fā)泡劑定量添加泵往黃泥漿中添加3‰～5‰的發(fā)泡劑，漿液與發(fā)泡劑在管道中經(jīng)混合器混合均勻后進(jìn)入發(fā)泡器，在發(fā)泡器中接入空壓機(jī)氣源，氣體與含有發(fā)泡劑的黃泥漿體相互作用產(chǎn)生三相泡沫，三相泡沫經(jīng)分流器與地面鉆孔用滅火介質(zhì)灌注裝置相連注入滅火鉆孔。灌注三相泡沫原則：a) 灌注前采用注水注漿措施預(yù)處理。b) 優(yōu)先灌注明火高溫鉆孔。c) 鉆孔交叉灌注。灌注三相泡沫主要技術(shù)參數(shù)見表4.

表4 三相泡沫灌注參數(shù)表

3.2 火區(qū)充填防復(fù)燃技術(shù)

1) 材料選擇。基于貓兒溝露天礦920平盤A采區(qū)火區(qū)的特點(diǎn)，火區(qū)充填材料應(yīng)該具備凝固時間可控，充填工藝簡單的特點(diǎn)。經(jīng)綜合考慮，決定選用粉煤灰改性填充滅火材料，該材料由粉煤灰、添加劑和水混合制備而成，其基本性能包括：基本物理性能：含有大量水。水的汽化熱為2 264 kJ/kg，比熱是4.184 kJ/kg，具有良好的吸熱降溫作用，使燃燒物體快速降溫，達(dá)到滅火目的；流體力學(xué)性能：煤灰改性填充滅火材料A、B、D料混合漿液為振凝時變性非牛頓流體，混合后的材料漿體隨著時間的變化其黏度逐漸上升，不同配比條件下其凝結(jié)時間不同，輸送材料混合漿體時需要結(jié)合材料的配比以及管路輸送時間來綜合確定輸送距離，防止材料在管路中固化；化學(xué)性能：煤灰改性填充滅火材料的凝結(jié)及固化時間是涉及充填工藝及材料性能的重要參數(shù)。材料的凝結(jié)情況主要受水固比與添加劑性能的影響。在其他條件不變的情況下，水固比越大，凝結(jié)時間越長。當(dāng)材料固結(jié)體置于空氣中時，固結(jié)體的物理力學(xué)性能會發(fā)生較大變化，抗壓強(qiáng)度會明顯降低，置于空氣中的煤灰改性填充滅火材料固結(jié)體，游離水的失去與結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)，使固結(jié)體表面松散，與空氣的接觸面積逐漸增加，隨著固結(jié)體置于空氣中時間的延長，這種風(fēng)化現(xiàn)象逐漸由表面向固結(jié)體中間發(fā)展，最終導(dǎo)致固結(jié)體完全失穩(wěn)。

2) 煤灰改性填充滅火材料制備工藝。材料制備系統(tǒng)包括自動上下料裝置、自動上水裝置、自動稱重裝置、自動攪拌裝置、漿液輸出裝置，具有可自動控制漿液濃度的優(yōu)點(diǎn)。煤灰改性填充滅火材料灌注工藝流程圖見圖2.

圖2 綜合滅火系統(tǒng)制、注漿流程圖

3) 充填阻隔技術(shù)現(xiàn)場實(shí)施。貓兒溝煤業(yè)920平盤火區(qū)北部火勢最為嚴(yán)重，打鉆探測發(fā)現(xiàn)明火巷道及高溫，為控制火勢發(fā)展，充填阻隔采取由北部向南部逐漸填充的順序。灌注煤灰改性填充滅火材料漿液原則：a) 注漿實(shí)行先外圍后中心方式。b) 由西北往東南方向，由高處向低處依次灌注。c) 間歇性注漿。注漿注意事項(xiàng)：必須保持合適的漿液濃度，漿液濃度由現(xiàn)場專業(yè)技術(shù)人員指導(dǎo)控制。充填阻隔滅火技術(shù)實(shí)施的相關(guān)參數(shù)見表5.

表5 充填阻隔滅火技術(shù)實(shí)施參數(shù)表

3.3 應(yīng)用效果分析

該礦920平盤A區(qū)火區(qū)治理過程中，共施工滅火專用鉆孔124個，巷道充填帶寬度40 m，巷道隔離帶充填率達(dá)97%，防火隔離帶后方未燃巷道內(nèi)溫度均在30 ℃以下，CO濃度為0，已燃巷道區(qū)段經(jīng)過治理后巷道內(nèi)平均溫度由150 ℃降至37 ℃，CO濃度平均由3%降至0.08%，成功地治理了巷道內(nèi)煤炭自然發(fā)火。已燃巷道區(qū)段平均溫度變化曲線見圖3，已燃巷道區(qū)段平均CO濃度變化曲線見圖4.

圖3 已燃巷道區(qū)段平均溫度變化曲線圖

圖4 已燃巷道區(qū)段平均CO濃度變化曲線圖

4 結(jié) 論

貓兒溝露天礦采空區(qū)火區(qū)已經(jīng)發(fā)展為立體火區(qū)，治理難度增加，采用三相泡沫技術(shù)和粉煤灰改性滅火填充材料對火區(qū)進(jìn)行快速滅火降溫和防復(fù)燃處理，通過治理火區(qū)得到有效控制，對巷道內(nèi)已燃區(qū)域的快速降溫滅火處理，成功將貓兒溝礦920平盤A采區(qū)火區(qū)徹底熄滅，應(yīng)用效果良好，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益與社會效益。實(shí)踐證明，針對露天礦小窯采空區(qū)立體火區(qū)的綜合治理技術(shù)確實(shí)有效，對其他露天礦小窯采空區(qū)火區(qū)的治理也具有一定的指導(dǎo)意義與參考價值。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 湯笑飛.安家?guī)X露天礦小窯火區(qū)快速治理技術(shù)研究[D].徐州：中國礦業(yè)大學(xué)，2014.

[2] 鄭克明,王德明,亓冠圣,等. 平朔東露天礦高溫爆破孔降溫技術(shù)分析[J]. 煤炭技術(shù),2015,(09):199-202.

[3] 時 遷,鄭克明,董帥軍,等. 露天礦火區(qū)成因分析及綜合治理技術(shù)[J]. 煤炭技術(shù),2016,(11):188-190.

[4] 史廣義.露天礦采空區(qū)空洞火區(qū)治理方法研究[D].徐州：中國礦業(yè)大學(xué),2017.

[5] 張 瑋,張 微,鄭克明，等.兩相泡沫在露天礦空間立體火區(qū)治理中的應(yīng)用[J].2016,(15):109-110.