孫令超，王 斌

（1.瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗室，重慶 400037；2.中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶 400037；3.內(nèi)蒙古福城礦業(yè)有限公司，內(nèi)蒙古 鄂托克前旗 016217）

煤層自燃是常見的礦井火災(zāi)之一，它不僅會燒掉大量的煤炭資源，嚴(yán)重破壞正常的生產(chǎn)秩序；還會消耗掉風(fēng)流中氧氣，產(chǎn)生大量的熱能、有毒有害氣體和粉塵，甚至引發(fā)爆炸等其他事故[1]。煤層自燃不同于其他類型的火災(zāi)，具有陰燃、火源隱蔽、貧氧氧化、易復(fù)燃、防控極難等特點(diǎn)，常發(fā)生在采空區(qū)、巷道高冒區(qū)等地方[2]。在礦井巷道掘進(jìn)過程中，受地質(zhì)構(gòu)造應(yīng)力、煤層瓦斯壓力、地應(yīng)力等影響煤巖體會拋向巷道，繼而形成高冒區(qū)[3-5]。由于高冒區(qū)孔洞周圍存在大量孔裂隙，煤體極為破碎，若巷道有大量風(fēng)流通過，在漏風(fēng)供氧和蓄熱持續(xù)一定時間的情況下，易引發(fā)巷道高冒區(qū)煤層自燃[6-7]。巷道高冒區(qū)煤層自燃產(chǎn)生大量的煙塵、CO等有毒有害氣體會迅速進(jìn)入其他巷道，嚴(yán)重威脅礦井安全生產(chǎn)。然而高冒區(qū)煤體高溫點(diǎn)極其隱蔽且易復(fù)燃，若采用單一的滅火措施難以有效撲滅火災(zāi)[8-9]。特別對于高瓦斯礦井，研究適合巷道高冒區(qū)自燃火災(zāi)治理方法意義重大。針對玉舍煤礦1260運(yùn)輸巷高冒區(qū)自燃火災(zāi)，在分析火災(zāi)成因基礎(chǔ)上提出采用噴漿堵漏、注水降溫、注漿阻化相結(jié)合的綜合滅火技術(shù)進(jìn)行滅火，取得了良好的效果。

1 火區(qū)概況

貴州格目底礦業(yè)有限公司玉舍煤礦一期設(shè)計能力90萬t/a，采用斜井開拓方式，布置有1260運(yùn)輸石門、1260軌道石門、1260回風(fēng)石門以作為采區(qū)生產(chǎn)巷道。3條石門通過聯(lián)絡(luò)巷連通，且設(shè)有雙向防突風(fēng)門。其中，1260運(yùn)輸巷在揭露k9煤層過程中發(fā)生煤巖體垮落，形成φ2 m×2.6 m的斜錐形高冒區(qū)。揭露點(diǎn)處k9煤層結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，其上部夾1～3層隱晶高嶺石泥巖夾矸，煤層厚度為2.4 m，傾角為22°，為II類自燃煤層。受地質(zhì)構(gòu)造應(yīng)力影響煤層頂?shù)装鍘r石極其破碎，該破碎帶總長度約20 m，巖石呈魚鱗狀。該高冒區(qū)內(nèi)部堆砌木料，并按0.7 m的間距架設(shè)U型鋼棚進(jìn)行支護(hù)。高冒區(qū)形成72 d后，在定期高冒區(qū)檢查中發(fā)現(xiàn)CO高達(dá)56×10-6，2 d內(nèi)急增至1 800×10-6，并探查到C2H4的出現(xiàn)。該巷道濃煙滾滾，嚴(yán)重威脅礦井生產(chǎn)安全。

2 高冒區(qū)煤體自燃原因分析

2.1 煤體自燃條件

目前為止，為大部分學(xué)者所認(rèn)可的煤氧復(fù)合作用學(xué)說認(rèn)為，煤體自燃必須具備4個條件：①有自燃傾向性的煤以破碎狀態(tài)存在；②有氧含量大于12%的空氣通過破碎煤體；③破碎煤體有聚集氧化熱的條件；④上述條件同時具備且持續(xù)較長一段時間的，使煤體達(dá)到著火點(diǎn)溫度。

2.2 煤體自燃發(fā)展過程敘述

煤的自燃發(fā)展過程分為準(zhǔn)備階段、氧化階段、穩(wěn)定燃燒階段[10]。不同自燃階段煤體溫度不同，產(chǎn)生CO、C2H4等自燃標(biāo)志性氣體的生成量也明顯不同。其中，準(zhǔn)備階段、氧化階段煤體溫度一般低于60℃，這一時期也稱為自熱潛伏期，該階段煤體氧化過程比較緩慢，產(chǎn)生少量的CO。當(dāng)溫度超過臨界溫度60～80℃時，煤溫急劇上升，氧化自動加速，煤開始出現(xiàn)干餾，將會產(chǎn)生C2H4、C2H2等。受地質(zhì)構(gòu)造應(yīng)力作用，1260運(yùn)輸巷揭露k9煤層時形成了高冒區(qū)，且煤體極為破碎。由于采用木料無法完全將高冒區(qū)充填密實(shí)，且未對高冒區(qū)前后范圍內(nèi)巖石破碎帶進(jìn)行注漿封堵，故空氣通過破碎帶裂隙及高冒區(qū)未封閉裂隙滲透進(jìn)入松散煤體中，形成穩(wěn)定的持續(xù)的供氧條件。在長期不斷聚集氧化熱的情況下，1260運(yùn)輸巷高冒區(qū)煤體發(fā)生了自燃。

3 綜合滅火技術(shù)方案

目前，國內(nèi)外常規(guī)防滅火技術(shù)采用破壞煤層燃燒條件的原理來撲滅火災(zāi)，即降低煤的氧化自燃特性、減少漏風(fēng)、隔絕供氧、冷卻煤體、減少熱量積聚以及縮短煤炭接觸氧氣的時間。其中，高冒區(qū)滅火技術(shù)主要有控制漏風(fēng)、吸熱降溫、火區(qū)惰化、煤體阻化[1，11-13]。控制漏風(fēng)技術(shù)主要通過減少或杜絕向高冒區(qū)煤體連續(xù)供氧實(shí)現(xiàn)滅火，主要方法有泡沫噴抹、水泥噴漿、高分子材料噴涂。一般情況下，對于已經(jīng)發(fā)生自燃的火區(qū)，僅靠該技術(shù)是無法實(shí)現(xiàn)火區(qū)滅火。吸熱降溫主要通過降低火區(qū)煤體溫度實(shí)現(xiàn)滅火，主要方法有注水、注漿等?；饏^(qū)惰化主要通過向火區(qū)輸入高濃度惰化氣體以破壞連續(xù)供氧條件而實(shí)現(xiàn)滅火，主要方法有注入氮?dú)狻⒍趸嫉榷栊詺怏w、注入三相泡沫等。煤體阻化主要通過噴灑阻化劑以降低煤體的氧化活性來實(shí)現(xiàn)防滅火，主要方法有噴灑CaCl2、MgCl2等鹽類等。

3.1 防滅火技術(shù)措施與方案

依據(jù)1260運(yùn)輸巷高冒區(qū)煤體自燃災(zāi)害特點(diǎn)及成因，擬定選用噴漿堵漏、注水降溫、注漿阻化相結(jié)合的綜合滅火技術(shù)方案。綜合滅火技術(shù)措施實(shí)施步驟為：首先，向1260運(yùn)輸巷高冒區(qū)注入大量冷水，防止災(zāi)害擴(kuò)大化；其次，對1260運(yùn)輸巷破碎帶進(jìn)行噴漿處理，噴漿長度至少超過破碎帶不低于5 m；最后，施工鉆孔探查火區(qū)范圍，通過鉆孔注水降低煤體溫度、注漿覆蓋破碎煤體，以撲滅高冒區(qū)自然發(fā)火。

1）高冒區(qū)孔洞內(nèi)注水。高冒區(qū)煤體自燃產(chǎn)生的CO、碳?xì)浠衔锏瓤扇伎杀瑲怏w與CH4混合，會降低其爆炸濃度下限；在供氧充足且存在著火點(diǎn)的情況下易引發(fā)爆炸，嚴(yán)重威脅礦井生產(chǎn)安全。為此擬定將3根φ38 mm的鐵管送入高冒區(qū)頂部，并通過該管向高冒區(qū)內(nèi)部注水，總水量為0.9 m3/min。通過注入冷水，將充填的木料濕潤，防止引發(fā)木料火災(zāi)。同時，利用水受熱蒸發(fā)產(chǎn)生水蒸氣的特性，可排除孔洞內(nèi)的氧氣并阻止大量新鮮空氣通過木料縫隙進(jìn)入高冒區(qū)，同時在煤體表面形成水膜，阻止氧氣與煤體直接接觸，破壞高冒區(qū)可燃?xì)怏w爆炸條件，防止災(zāi)害擴(kuò)大化。

2）噴漿堵漏。噴漿堵漏，是以壓縮空氣為動力，用噴射機(jī)將細(xì)骨料混凝土以噴射方法覆蓋到破碎帶上，從而凝結(jié)硬化后形成混凝土結(jié)構(gòu)。該技術(shù)既能減少空氣通過破碎帶滲透入高溫煤體，又形成牢固的支護(hù)，并改善圍巖應(yīng)力狀態(tài)，提高圍巖強(qiáng)度，避免產(chǎn)生大量裂隙。為此擬定對巷道高冒區(qū)附近30 m范圍及高冒區(qū)孔洞內(nèi)噴射混凝土，噴漿厚度不低于50 m，從而阻止空氣通過巖石破碎帶裂隙滲透至高溫煤體。

3）探明火區(qū)范圍。對于發(fā)生在巷道高冒區(qū)的自然發(fā)火，根據(jù)CO等指標(biāo)氣體出現(xiàn)位置、濃度及附近煤炭破碎情況，很容易判定火源點(diǎn)的位置。1260運(yùn)輸巷揭露k9煤層處附近存在巖體破碎帶，且附近30 m范圍內(nèi)無其他煤層，高冒區(qū)內(nèi)易自燃煤體破碎，故初步判斷該高冒區(qū)已發(fā)生煤層自燃。但是，火區(qū)的范圍無法確定，需要施工鉆孔進(jìn)行探查。因此，在聯(lián)絡(luò)巷中設(shè)置2臺ZY750D鉆機(jī)，向高冒區(qū)附近煤體施工鉆孔，對火區(qū)的范圍進(jìn)行準(zhǔn)確的判定。鉆孔施工的技術(shù)要求：T1、T2列探查鉆孔位于1260東聯(lián)絡(luò)巷中，其開孔點(diǎn)位置分別距巷道交叉點(diǎn)13、11 m；T1、T2列探查鉆孔位于1260西聯(lián)絡(luò)巷中，其開孔點(diǎn)位置分別距巷道交叉點(diǎn)11、9 m；相鄰鉆孔間距為0.4 m，鉆孔直徑75 mm，孔深以穿過煤層頂板為止；鉆孔施工參數(shù)見表1。鉆孔施工過程中，觀察返水溫度情況；若返水溫度高于進(jìn)水溫度，則說明該鉆孔位于高溫煤體中。最終探明火區(qū)的范圍為1260運(yùn)輸巷道西側(cè)9 m、東側(cè)11 m。同時，探查鉆孔兼用于注水、注漿，鉆孔施工布置如圖1。

表1 探查火區(qū)鉆孔施工參數(shù)

圖1 注漿鉆孔布置示意圖

4）注水注漿方案。不同的液體在煤巖體孔隙中滲透速度及范圍是不同的；一般情況下，相對于其他非可溶性漿液、純賓漢流體、黏度隨時間變化的牛頓流體、黏度隨時間變化的賓漢流體來說，水的滲透速率要快，滲透范圍要廣[14-16]。因此，通過向高溫煤體內(nèi)注入大量冷水，利用水在煤層孔裂隙的快速滲透擴(kuò)散作用，降低煤體溫度，控制火災(zāi)蔓延。注漿降溫主要通過向高溫煤體內(nèi)壓入大量漿液，充填煤體孔裂隙，堵塞漏風(fēng)供氧通道，水分和稠化劑滲入煤層內(nèi)，在煤體表面形成一層阻氧膜，從而實(shí)現(xiàn)滅火。該方法具有工藝簡單、成本低廉、材料來源廣泛等優(yōu)點(diǎn)。注水與注漿方法的結(jié)合，可迅速降低煤體溫度并及時控制火災(zāi)發(fā)展，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)滅火。在聯(lián)絡(luò)巷中設(shè)置2臺ZY750D鉆機(jī)，向高冒區(qū)附近煤體施工注漿鉆孔，鉆孔施工的技術(shù)要求：鉆孔開孔點(diǎn)位于聯(lián)絡(luò)巷中，開孔水平間距為1 m，鉛錘方向間距為0.5 m，分為5排施工，鉆孔直徑75 mm，孔深以穿過煤層頂板為止。根據(jù)礦井實(shí)際情況，選用BFZ-10/1.2（2.4）型礦用注漿封孔泵進(jìn)行注漿、注水。注漿選用水泥砂漿灌注工藝，該工藝直接將水泥按水土比例1∶2.5在攪拌桶混合，然后通過注漿泵將漿液壓入煤體中。注漿鉆孔施工參數(shù)見表2。

表2 注漿鉆孔施工參數(shù)

5）氣體濃度監(jiān)測方案。巷道高冒區(qū)空間狹小、其高溫點(diǎn)具有隱蔽性，故采用人工插管取樣檢測方法監(jiān)測氣體濃度變化。為了進(jìn)行跟蹤高冒區(qū)火災(zāi)發(fā)展情況，在高冒區(qū)內(nèi)部設(shè)置了監(jiān)測點(diǎn)1個，用以監(jiān)測CO、CH4、C2H4、O2濃度變化情況；其中，監(jiān)測點(diǎn)距離高冒區(qū)頂部約1 m。取樣人員每隔30 min使用取樣泵先將探管內(nèi)的殘存氣體排凈，然后抽取新鮮氣樣，用氣體檢定管直接現(xiàn)場測定氣體濃度。

3.2 滅火措施效果

自采取噴漿堵漏、注水降溫、注漿阻化相結(jié)合的綜合滅火技術(shù)開始，采用人工插管取樣方式取氣樣來檢測 CO、CH4、C2H4、O2濃度，滅火期間高冒區(qū) O2、CH4、C2H4、CO氣體濃度滅火變化曲線如圖2、圖3。由圖2、圖3可知，向1260運(yùn)輸巷高冒區(qū)孔洞內(nèi)注入的水受熱后產(chǎn)生了水蒸氣，可排除孔洞內(nèi)積聚的氣體，并阻止新鮮空氣進(jìn)入孔洞，從而快速降低該區(qū)域氧氣及甲烷濃度，破壞高冒區(qū)可燃?xì)怏w爆炸條件，防止災(zāi)害擴(kuò)大化；在向高溫煤體注水降溫過程中，會擠壓煤層孔裂隙中的甲烷，導(dǎo)致高冒區(qū)甲烷濃度會小幅度增長；在采用噴漿、注漿措施后，漿液會填充煤體孔裂隙并覆蓋煤體，逐漸阻止空氣向火區(qū)滲透，同時也阻止氧氣與煤體直接接觸，破壞火區(qū)煤體燃燒條件，使得高冒區(qū)內(nèi)CO、C2H4濃度快速降低到8×10-6以下并呈現(xiàn)平穩(wěn)態(tài)勢。

圖2 滅火期間高冒區(qū)氧氣及甲烷濃度變化

圖3 滅火期間高冒區(qū)自燃標(biāo)志性氣體濃度變化

4 結(jié)語

據(jù)1260運(yùn)輸巷高冒區(qū)現(xiàn)場實(shí)際條件，提出了噴漿堵漏、注水降溫、注漿阻化相結(jié)合的綜合滅火的現(xiàn)場試驗方案，布置了采氣系統(tǒng)監(jiān)測高冒區(qū)內(nèi)CO、CH4、C2H4、O2濃度變化情況。結(jié)果表明：巷道圍巖破碎帶噴漿處理后有效阻止了新鮮空氣向高冒區(qū)高溫煤體的滲透，高冒區(qū)孔洞內(nèi)注水能有效排除孔洞內(nèi)積聚氣體并抑制空氣滲入高溫煤體，火區(qū)內(nèi)注水能快速降低火區(qū)煤體溫度，火區(qū)注漿能有效覆蓋高溫煤體，使得高冒區(qū)中CO等自燃標(biāo)志性氣體快速降低到8×10-6以下并維持穩(wěn)定。