司衛(wèi)彬

(1.徐州安云礦業(yè)科技有限公司，江蘇省徐州市，221008；2.中國礦業(yè)大學(xué)通風(fēng)防滅火研究所，江蘇省徐州市，221008)

礦井火災(zāi)是煤礦生產(chǎn)中的主要自然災(zāi)害之一[1]。礦井火災(zāi)不僅造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，而且嚴(yán)重威脅井下作業(yè)人員的生命安全，其常誘發(fā)瓦斯、煤塵爆炸，進(jìn)一步擴(kuò)大其災(zāi)難性[2]。

近年來，我國煤炭資源開采逐步向西北部發(fā)展，而西北地區(qū)煤炭變階程度低、自然發(fā)火期短、煤層厚但埋藏淺，煤自然發(fā)火現(xiàn)象尤為突出[3]。而廣泛采用的綜采放頂煤技術(shù)[4]和瓦斯抽采技術(shù)[5]，大幅提高了生產(chǎn)效率和減少了瓦斯涌出量，但也導(dǎo)致采空區(qū)垮冒空間大、遺煤多、漏風(fēng)加劇、回撤耗時長等，易造成采空區(qū)遺煤自然發(fā)火[6-8]，進(jìn)而導(dǎo)致工作面被迫封閉，甚至造成重特大傷亡事故。封閉工作面[9-10]會導(dǎo)致采煤裝備破壞，煤炭資源浪費(fèi)，為礦井帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失和重大的事故隱患，嚴(yán)重制約我國西北部煤炭資源安全高效開發(fā)[11-12]。因此，筆者以潞新公司5243綜放面末采期自燃火災(zāi)防治為背景，開展了火區(qū)治理及啟封回撤防復(fù)燃的技術(shù)研究，以保障工作面的順利啟封回撤。

1 火區(qū)概況

5243工作面是+580 m水平4號煤層?xùn)|翼第3個綜放面，北鄰5242采空區(qū)。工作面煤層厚12.0 m，傾角平均9 °，采高2.8 m，放煤高度9.2 m，布置走向長度1 045.0 m，傾斜長度為214.0 m。工作面采用“U”型全負(fù)壓上行通風(fēng)；礦井屬于高瓦斯礦井，利用回風(fēng)隅角埋管和回風(fēng)巷高位鉆孔抽放治理瓦斯；4號煤層屬Ⅱ類自燃煤層，最短自然發(fā)火期為41 d，煤塵具有爆炸性。煤層底板以泥巖為主，煤層硬度系數(shù)為2.5。

5243工作面在末采收作鋪網(wǎng)過程中，在回風(fēng)巷抽放管路中發(fā)現(xiàn)高濃度CO氣體(濃度達(dá)0.024 3%)，并檢測出C2H4等煤自燃高溫條件下的指標(biāo)氣體。停抽后，采取灌漿、注液態(tài)CO2等防滅火措施，多處架間CO濃度仍呈持續(xù)上升趨勢，最高達(dá)0.420 0%，C2H4含量不斷增加，濃度最高達(dá)0.002 0%，且有水霧氣出現(xiàn)，工作面被迫封閉。為消除采空區(qū)高溫隱患，在5242、5243工作面保護(hù)煤柱內(nèi)施工了1號防滅火工藝巷，利用該巷向采空區(qū)布置滅火鉆孔，通過滅火鉆孔對回風(fēng)隅角采空區(qū)灌注黃泥漿、銨鹽凝膠后，封閉區(qū)內(nèi)CO濃度有所下降，但內(nèi)部一直存在C2H4等高溫指標(biāo)氣體，亟需采取更為有效的滅火措施，消除隱患，恢復(fù)生產(chǎn)。

2 自然發(fā)火原因分析

(1)綜放采空區(qū)浮煤多。工作面末采鋪網(wǎng)期，頂煤不放落，遺煤增加，形成了兩端頭及架頂、架后采空區(qū)大量的浮煤區(qū)域。

(2)采空區(qū)漏風(fēng)嚴(yán)重。工作面臨近停采線，煤柱破碎，受本采空區(qū)和上部5242采空區(qū)多源漏風(fēng)的影響；工作面抽放管路沿回風(fēng)巷邁步式預(yù)埋在采空區(qū)內(nèi)部，在抽放負(fù)壓作用下，回風(fēng)隅角側(cè)采空區(qū)形成負(fù)壓區(qū)，采空區(qū)漏風(fēng)量加大，氧化帶范圍增大。上述條件為采空區(qū)遺煤氧化提供充足氧氣源。

(3)回采推進(jìn)速度慢。末采鋪網(wǎng)期，推進(jìn)十分緩慢，推進(jìn)速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于該最短自然發(fā)火期內(nèi)的安全推進(jìn)速度，為采空區(qū)遺煤氧化蓄熱提供充足時間，造成采空區(qū)遺煤區(qū)域出現(xiàn)自然發(fā)火。

根據(jù)以上自然發(fā)火原因，結(jié)合封閉前綜合指標(biāo)氣體數(shù)據(jù)分析認(rèn)為：因采空區(qū)鋪網(wǎng)期遺煤量大、漏風(fēng)嚴(yán)重，末采推進(jìn)緩慢，耗時長，導(dǎo)致工作面兩巷道氧化帶及架后3～5 m采空區(qū)出現(xiàn)浮煤自然發(fā)火。

3 自然發(fā)火綜合治理

3.1 治理思路

根據(jù)對自然發(fā)火原因的分析，制定了啟封前“惰化抑爆、消除潛在高溫”和啟封后“防二次氧化、控制氣體”治理思路，采取鉆孔灌注三相泡沫消除高溫隱患，輔以注氮和注液態(tài)CO2惰化、降溫抑燃，達(dá)到火區(qū)治理和安全啟封的目的，啟封后，通過上、下隅角封堵漏風(fēng)，架間注膠等措施的互相配合，抑制遺煤復(fù)燃，保證順利回撤。

3.2 鉆孔施工

利用5242、5243工作面保護(hù)煤柱內(nèi)施工的1號工藝巷、5244回風(fēng)巷、5243專用回風(fēng)巷向預(yù)測采空區(qū)危險區(qū)域施工防滅火鉆孔，鉆孔終點(diǎn)位置依據(jù)采空區(qū)覆巖三維(采空區(qū)自上而下的彎曲下沉帶、裂隙帶和冒落帶，以及采空區(qū)走向上的松散區(qū)和壓實(shí)區(qū))分布狀態(tài)和上覆巖層“兩帶”的發(fā)育最大高度的預(yù)測值(約距煤層頂板10～15 m)進(jìn)行布置，并根據(jù)施工現(xiàn)場情況進(jìn)行參數(shù)調(diào)整，鉆孔布置如圖1所示。

鉆孔用DN40 mm鋼管全程下套管，前端2 m花眼，并在套管與孔壁間下放8 m長的DN15 mm鋼管作為注入封孔材料套管，而后注入封堵材料，對切頂線以下鉆孔空隙進(jìn)行灌注封孔，封孔后將鉆孔及終孔點(diǎn)的煤體裂隙加壓封堵嚴(yán)實(shí)，對所有布置鉆孔重新采用水泥砂漿或注膠重新封堵。

圖1 滅火鉆孔布置

3.3 采空區(qū)惰化降溫

(1)在5243鉆孔施工區(qū)域破碎煤體錨噴完成后，選取1號工藝巷和專用回風(fēng)巷內(nèi)暫未注漿鉆孔及回風(fēng)巷密閉內(nèi)預(yù)埋注氮管路連續(xù)注氮，注氮量不小于600 m3/h，通過多源注氮惰化采空區(qū)，同時使采空區(qū)內(nèi)部形成相對正壓狀態(tài)，減小了封閉區(qū)域的漏風(fēng)。

(2)通過氣體檢測異常區(qū)域的鉆孔，灌注液態(tài)CO2，對自燃區(qū)域周圍煤巖進(jìn)行降溫惰化，同時降低封閉區(qū)域內(nèi)的氧氣濃度。根據(jù)計(jì)算，共向封閉區(qū)域注液態(tài)CO2約100 t，惰化氣量約60 000 m3。

3.4 三相泡沫滅火

三相泡沫是惰性氣相、固相和液相的混合物，具有惰性氣體的窒息性，黃泥的覆蓋包裹隔絕氧氣功能和水的吸熱降溫功能，具有大流量、大體積、易堆積覆蓋、易流動的特點(diǎn)，適于撲滅綜放大空間火災(zāi)，具有高效的滅火特性。

灌注系統(tǒng)采用“井下添加式發(fā)泡工藝”，即地面制漿完成后通過注漿管路輸送到灌漿區(qū)域，在距鉆孔灌漿點(diǎn)附近，通過定量添加泵將礦用三相泡沫發(fā)泡劑添加到注漿管路中，通過預(yù)混合后經(jīng)過發(fā)泡器裝置，進(jìn)行充分混合發(fā)泡，然后經(jīng)分配器連接多個鉆孔進(jìn)行多點(diǎn)灌注，該工藝能有效降低漿壓，利于增強(qiáng)發(fā)泡效果和加大泡沫產(chǎn)生量。

結(jié)合礦井黃土含砂量高的實(shí)際情況，黃泥漿的水土比選用5∶1，共向采空區(qū)灌注黃泥漿5 000 m3，發(fā)泡劑52 t。

3.5 火區(qū)治理成效

在各項(xiàng)防滅火措施綜合實(shí)施后，對鉆孔內(nèi)氣體進(jìn)行連續(xù)檢測，回風(fēng)巷密閉墻內(nèi)及各鉆孔內(nèi)CO、C2H4、C2H6等火災(zāi)標(biāo)志性氣體呈快速連續(xù)下降趨勢，1個月后，自燃隱患封閉區(qū)域內(nèi)的氣體成分基本趨于穩(wěn)定，鉆孔覆蓋疑似自燃高溫隱患區(qū)已得到有效治理，封閉區(qū)域內(nèi)的氧氣濃度很快降到3.500%以下，CO濃度小于0.001%、無C2H4和C2H2，墻內(nèi)水溫21.3℃左右，低于原始地溫。

4 啟封后防二次氧化

工作面啟封后，需要鋪網(wǎng)推進(jìn)10 m至停采線后才能開始回撤，為防止在此期間采空區(qū)發(fā)生復(fù)燃，采取了封堵漏風(fēng)、多源注氮惰化與注三相泡沫覆蓋相結(jié)合的防二次氧化措施。

4.1 封堵漏風(fēng)

(1)上、下端頭封堵。為減少采空區(qū)漏風(fēng)，降低采空區(qū)氧氣含量，在上、下隅角切頂線位置每隔2.4 m構(gòu)建1道擋風(fēng)墻，并在擋風(fēng)墻外掛擋風(fēng)簾。

(2)注膠堵漏。工作面啟封后，在進(jìn)、回風(fēng)巷超前支護(hù)段10 m位置的頂板和回風(fēng)巷上幫側(cè)施工注膠鉆孔，通過注膠鉆孔注膠封堵裂隙，減少采空區(qū)漏風(fēng)。

4.2 多源注氮惰化

在鋪網(wǎng)推進(jìn)期間，注氮管路采用“U”型布置，沿工作面傾向在支架后尾梁敷設(shè)1趟注氮管，注氮管上開Φ15 mm花眼，注氮管路與回風(fēng)巷和進(jìn)風(fēng)巷的注氮管路進(jìn)行連通，隨工作面推進(jìn)注氮管路進(jìn)入采空區(qū)5 m后，開始對采空區(qū)不間斷注氮。

在工作面回撤期間，通過鋪網(wǎng)推進(jìn)期間布置的“U”型注氮管路和防滅火鉆孔，向采空區(qū)不間斷灌注氮?dú)猓貏e是在回撤支架的過程中，為防止掩護(hù)支架后部垮落浮煤因回撤速度慢導(dǎo)致的氧化，隨著支架的回撤，利用掩護(hù)支架后部約10 m位置對應(yīng)的1號工藝巷鉆孔跟進(jìn)式注氮，注氮量不低于600 m3/h。

4.3 灌注三相泡沫防復(fù)燃

(1)高位灌漿鉆孔灌注。工作面啟封后，在回風(fēng)巷煤層頂板施工高位灌漿孔，孔間距5 m，鉆孔施工深度以見矸為準(zhǔn)，下設(shè)套管長度大于6 m，待高位灌漿鉆孔進(jìn)入采空區(qū)3 m后，開始灌注三相泡沫對采空區(qū)浮煤覆蓋包裹和對上隅角附近頂板裂隙進(jìn)行封堵，消除潛在遺煤氧化威脅。

(2)滅火鉆孔補(bǔ)充灌注。支架回撤過程中，因支架的移動，采空區(qū)將會再次漏風(fēng)供氧，可能導(dǎo)致采空區(qū)浮煤氧化復(fù)燃，為保證支架的順利回撤，利用1號工藝巷防滅火鉆孔，對上隅角20 m范圍及支架后出現(xiàn)的氧化異常區(qū)域和采空區(qū)垮落浮煤進(jìn)行跟蹤式灌注三相泡沫，實(shí)現(xiàn)對采空區(qū)遺煤的動態(tài)阻化覆蓋，消除潛在的局部遺煤氧化及復(fù)燃。

(3)架間鉆孔灌注。回撤過程中，為避免鉆孔無法覆蓋部分高溫區(qū)域，工作面回撤設(shè)備時，在上、下端頭的3架支架間各施工1個鉆孔，工作面中間段每隔5架支架施工1個鉆孔，向采空區(qū)灌注三相泡沫，保證回撤的順利進(jìn)行。

5 結(jié)論

(1)滅火鉆孔內(nèi)大量三相泡沫的灌注，包裹覆蓋了采空區(qū)的高位松散煤體，有效地控制了火勢的發(fā)展，起到了快速降溫阻化的作用；泡沫破滅后，黃泥覆蓋在松散煤體上，減弱了煤與氧氣的接觸，減少了煤氧復(fù)合，同時也封堵了煤體裂隙，減少了采空區(qū)漏風(fēng)。

(2)封閉采空區(qū)大量多源注氮?dú)猓嵘朔忾]區(qū)內(nèi)部的壓力，形成相對正壓狀態(tài)，在惰化采空區(qū)的同時減少了采空區(qū)漏風(fēng)。

(3)大量注入液態(tài)CO2，起到了快速降溫、惰化、抑爆的作用，也延緩了遺煤的自燃，為火區(qū)啟封創(chuàng)造條件。

(4)啟封后采取封堵漏風(fēng)、注氮惰化和注三相泡沫覆蓋相結(jié)合的防復(fù)燃措施，有效防止了啟封后遺煤二次氧化，確保了工作面回撤工作的順利進(jìn)行。