易自燃煤層綜放工作面復合膠體防滅火技術的應用

摘 要：針對綜放工作面采空區遺煤、漏風量大，常規防滅火措施難以有效發揮作用的客觀情況，以胡家河煤礦為例，分析了工作面自然發火防治的影響因素，介紹了一種用基料水玻璃、促凝劑碳酸氫銨和黃泥漿經成膠作用形成復合凝膠注入工作面后部，使煤體降溫、充填包裹裂隙、封堵漏風，并起

1 礦井概況

陜西彬長胡家河煤礦位于陜西省咸陽市彬縣、長武縣交界地帶，彬長礦區中北部涇河東側。井田南北寬7.2km，東西長8.5km，面積約54.7km2。礦井設計生產能力5.00Mt/a。主采的4#煤層厚度0.8～26.20m，一般厚度10～15m。煤層自然發火期一般為3～5個月，屬I類易自然發火煤層。礦井布置有一個采煤工作面，采用走向長壁式綜采放頂煤工藝，全部垮落法管理頂板。該工作面傾斜長175m，采高3.5m，放頂煤10m。由于4#煤層厚度大，生產時從上向下分層開采，現回采上分層。

2 自然發火影響因素分析及現狀

影響胡家河礦井綜放工作面自然氧化發火的影響因素主要有：（1）開采煤層容易自燃[1]。根據中國礦業大學為該礦采煤工作面煤樣所做的《煤自燃傾向性的氧化動力學測定報告》，該工作面煤層屬I類易自然發火煤層。（2）煤層厚度大，礦井生產時從上向下分層開采，下分層煤厚達到10m。同時，由于綜采放頂煤回采率較低，造成采空區遺煤較多，為煤體氧化自燃提供了物質基礎和蓄熱條件。（3）采空區漏風。由于該礦為高瓦斯礦井，工作面瓦斯涌出量大，為了治理瓦斯采取了上隅角、高抽巷抽放等措施，使采空區形成負壓區域。同時由于采煤放頂高度大，形成了較大的采空區空間，造成采空區漏風量大。

胡家河礦采煤工作面試生產以來，采取了黃泥灌漿、注三相泡沫、注氮氣、氣霧阻化、上、下隅角封堵、束管監測和火觀檢查等相結合的綜合防滅火措施，但采空區CO濃度短時間持續升高的情況仍時有出現。為了加強防滅火手段，經過分析討論，制定并實施了采空區注復合凝膠防滅火措施，用于治理采空區異常氧化和日常防火。

3 復合膠體防滅火措施

3.1 防滅火原理

將基料硅酸鈉（俗稱水玻璃，分子式Na2SiO3）與促凝劑碳酸氫銨（分子式NH4HCO3）按照一定比例配置成水溶液，會發生凝膠作用，形成凝膠[2]。在黃土為原料的泥漿中，將成膠材料按一定比例添加到泥漿中，使泥漿稠化，形成漿體凝膠，也稱為復合膠體。

凝膠膠體中90%左右是水，可充分發揮水的防滅火作用[3]。成膠前液態的溶液能滲入到煤體的裂隙和微小孔隙中，成膠后就堵塞了這些空隙和裂隙，與煤體一起形成一個凝膠整體，封堵煤的裂隙及采空區的漏風通道，同時膠體能在煤的表面形成一層保護凝膠層，隔絕煤氧結合；其水蒸發形成的水蒸氣，也使其采空區氧氣濃度降低，減少了煤與氧分子的接觸機會。凝膠具有很高的熱穩定性，在高溫下膠體仍有很好的完整性而不破滅。同時，凝膠具有很好的阻化性能，促凝劑和基料本身就是一種很好的阻化劑，能夠阻止煤的自燃，所以起到了一般阻化劑的阻化效果。此外，因復合膠體含有固體介質，即使膠體脫水后仍可較好地包裹煤體，可克服一般水凝膠的缺點，因而具有更好的防滅火性能[4]。

3.2 施工方案

3.2.1 凝膠孔施工

在工作面架間向架后施工注膠鉆孔，通過注膠孔向工作面架后灌注凝膠。①在工作面設計施工注膠鉆孔30個，每隔3個支架布置一個鉆孔（支架寬度為1.75m），在工作面上、下隅角插設注膠鋼管。②鉆孔采用ZDY-650鉆機Φ50mm一次性成孔鉆具施工施工，角度20°～25°，鉆孔伸入采空區內15～18m。施工時安排至少3臺鉆機同時施工，以加快施工進度，減少工作面停采時間。

3.2.2 工程量計算

根據經驗，采煤工作面膠體形成后橫斷面形狀為梯形。按梯形斷面上寬1m，下寬5m，高3m，長度175m，采空區孔隙率0.3，流失損耗量取總量的10%計算，需灌注復合膠體520m3。

3.2.3 工藝流程

在黃泥灌漿站將加入水玻璃的黃泥漿通過灌漿管道輸送到工作面，通過注膠機將促凝劑碳酸氫氨注入混合器與含有水玻璃的泥漿混合生成復合凝膠，經注膠孔灌注到工作面支架后部的采空區，如圖1所示。

①沿工作面支架前部鋪設一趟Φ108mm鋼管與井下灌漿管路連接，并每隔30m設置一個支管，加設閘閥；將注膠孔每5個為一組用Φ51mm高壓膠管與Φ108mm六通管并聯，注膠孔前加設截止閥。將六通管與灌漿管留設的支管連接，形成6組注膠單元。在每一組注膠孔前灌漿主管路上各安設一件Φ159mm混合器，并安設閥門用于黃泥漿液流量控制。在第一組、第四組前安設一臺ZM-5/1.8G型煤礦用注膠機，用Φ51mm高壓膠管將注膠機與混合器連接，如圖2所示。②注膠前，分別調節好水玻璃和碳酸氫氨溶液流量，碳酸氫銨和水玻璃流量分別由凝膠機和標有刻度的水玻璃配液器控制。生成凝膠所需碳酸氫銨和水玻璃質量百分比分別初定為2%和8%，并根據現場實際情況進行調節。用于灌注的泥漿水土比為4：1。③注膠時，在地面黃泥灌漿站將水玻璃從鐵桶導入帶有刻度尺和控制閥門的容器內，通過閥門將水玻璃加入黃泥漿池中，并根據需要調節水玻璃流量，使水玻璃溶液濃度符合要求。在井下注膠地點，用注膠機將碳酸氫銨溶液注入混合器，在混合器中與加入水玻璃的黃泥漿混合并發生反應，生成凝膠。通過調整碳酸氫銨的流量對成膠時間進行控制，一般保持在40s-60s為宜。④當注膠孔憋壓無法注入或凝膠從架后流出時，停止該孔灌注，直至所有鉆孔全部注完。通過插管對工作面上、下隅角加強灌注，使上下隅角封堵嚴密。所有注膠孔注完后，用清水對注膠管路進行沖洗，防止凝膠堆積在管內造成管路堵塞。

3.2.4 注意事項

①用于生產復合凝膠的黃泥漿水土比應控制在4：1以內，每次注漿時應取樣觀察漿液的濃度，確保水土比符合要求。并不斷對泥漿進行攪拌，使黃泥漿流速均勻，防止沉淀。②生成凝膠的關鍵是集料水玻璃和促凝劑碳酸氫銨的濃度和比例[5]，應使用凝膠機和水玻璃配液器分別控制控制好水玻璃和碳酸氫銨的流量，并保證流量連續穩定。③注入碳酸氫銨后，打開混合器上的觀察口閥門采取混合漿液樣本，觀察膠體凝固時間，時間應控制在40s-60s。若超出范圍，可調節注膠機轉速，以改變碳酸氫銨的輸送量，調整碳酸氫銨與水玻璃的比例，使成膠時間符合要求[6]。

4 結束語

在采空區遺煤無法避免的情況下，減少采空區漏風是阻滯采空區煤體氧化的關鍵和主要措施。通過在工作面支架后部灌注復合凝膠，使工作面架后煤體得到降溫、充填、包裹和阻化，同時形成一道連續的橫貫整個工作面的防火封堵隔離帶，有效的減少了采空區漏風。胡家河礦將灌注復合凝膠作為常規防滅火措施，每月至少灌注一次，取得了良好的防滅火效果。

參考文獻

[1]謝軍，薛生，王裕倉，等.矸石凝膠隔離帶防滅火新技術的應用[J].煤礦安全，2013，44（2）：128-130.

[2]韓家富，于寶海，張仁貴.水玻璃凝膠滅火材料在渦北煤礦的應用[J].能源技術與管理，2009（1）：51-52.

[3]郭玉印，楊秀華.凝膠防滅火技術在綜放工作面撤面防火中的應用[J].山東煤炭科技，2010（4）：203-205.

[4]王德明.礦井火災學[M].徐州：中國礦業大學出版社，2008.

[5]呂瑜.水玻璃凝膠技術在礦井防滅火中的應用[J].礦業安全與環保，2004，31（2）：42.

[6]徐精彩，張辛亥，文虎，等.煤層自燃膠體防滅火技術理論與技術[M].北京：煤炭工業出版社，2003.

作者簡介：王鋒（1985-），男，陜西長武人，助理工程師，工學學士，2008年畢業于中國礦業大學，西安科技大學工程碩士在讀，現任陜西彬長礦業集團公司通風管理部業務主管，主要從事礦井“一通三防”管理工作。