淺談膠體滅火技術在白水礦的應用

姚慧卿

【摘要】針對白水煤礦21515工作面煤自然發火實際情況及火源位置明確、火區范圍小的特點，采用高分子膠體滅火技術對21515工作面進行治理，治理措施得當，21515工作面順利啟封并成功回采撤架。

【關鍵詞】自然發火，高分子膠體，鉆孔，注膠，火區治理

1、概況

白水煤礦位于陜西省渭北石炭二疊紀煤田蒲白礦區中部，行政區劃屬陜西省白水縣管轄。礦井設計年生產能力105萬噸，服務年限34年，核定能力110萬噸/年，實際生產能力75萬噸/年。2014-2015礦井瓦斯等級鑒定結果為瓦斯礦井，煤層為Ⅲ不易自燃煤層。

2、火區狀況分析

白水煤礦21515工作面開切眼與老梁二井存在漏風現象，二一集中進風巷通過聯絡巷與21515工作面聯通，開切眼附近存在大量碎煤，二一集中進風巷通過聯絡巷與老梁二井采空區聯通，開切眼附近具備供氧、蓄熱條件，可以斷定此火災屬于井下煤自燃發火。

1）火區1#閉處于回風側、2#閉處于進風側，此兩道閉內均未查出CO，表明高溫火區產生的CO未擴散和泄漏至該區域，高溫火點在21515采空區深部。

2）火區3#閉處氣流方向不穩定，主要由于高溫火區形成的熱力風壓及火區呼吸現象， 1#、2#和3#閉間通過采空區形成的角聯漏風不穩定所引起的。

3）火區3#閉處的CO濃度仍較高，且有逐步上升的趨勢，同時，可測出C2H4、C2H6等高溫煤體的指標性氣體，表明封閉區內煤體的溫度仍較高，高溫火區仍未得到完全控制，隨時面臨復燃的危險，且高溫火點隨時有可能從該閉墻處發展至21集中進風巷，給礦井的安全生產造成極大威脅。

鑒于當時火區仍未得到完全控制，高溫火點隨時有可能從聯絡巷閉墻發展至21集中進風巷，需盡快對該火區進行有效和徹底的治理。

由于白水礦21515工作面火區的位置較為明確，為確保礦井的安全生產，應采用以降溫為主的火區治理技術，徹底熄滅火區，防止高溫區域自燃或向其它生產區域蔓延。考慮到礦井的實際情況和火區治理的緊迫性，決定采用降溫效果好、現場操作簡單、速度快的高分子膠體滅火技術對火區進行快速有效地治理。

3、高分子膠體滅火技術

3.1 高分子膠體滅火技術的特點

膠體防滅火技術在煤層自燃火災防治的應用實踐證明，具有如下特點：

①火速度快：由于膠體獨特的滅火性能，其滅火速度很快，通常巷道小范圍的火僅需幾天即可撲滅，工作面后方大范圍的火也只需半月左右即可撲滅。

②安全性好：膠體在松散煤體內膠凝固化堵塞漏風通道，故有害氣體消失快；在高溫下，膠體不會產生大量水蒸汽，不存在水煤氣爆炸和水蒸汽傷人危險。

③火區啟封時間短：注膠滅火工程實施完，無需等待即可啟封火區。

④火區復燃性低：高溫區內只要有膠體滲透到的地點都不會復燃。

3.2 高分子膠體滅火裝置的組成

3.2.1注膠滅火鉆孔快速施工機具

向松散煤體內施工鉆孔和下套管一直是煤層火災治理的難點，快速滅火系統建立的關鍵是要向火區內壓注各類滅火材料，因此，向火區內施工鉆孔是火區快速控制技術的核心，施工滅火鉆孔存在的問題和難點體現在：

1）施工鉆孔過程中常常出現煤渣“卡鉆”現象，且原有鉆頭和鉆桿不宜于用來灌漿注膠，廢孔率高。

2）向采空區施工鉆孔后，抽出鉆桿下套管的過程中往往會造成“塌孔”現象，向鉆孔里下套管的成功率很小。

3）施工鉆孔和下套管的時間長，工序復雜，影響了滅火的進度，常用的鉆機體積大，受巷道體積和其它因素影響，不利于運輸和安放。

針對上述三個問題，采用一次性成孔快速滅火打鉆機具施工注膠滅火鉆孔。該機具在煤體和松散煤體內的最大鉆進距離不小于50m，主要由巖石電鉆、加水器、連接變頭、鉆桿、鉆頭、導軌、支承座等部分組成（圖1）。鉆桿和套管采用一體化設計，鉆桿本身就是套管，鉆頭有效斷面大于內徑32mm的套管，鉆孔施工完成后，可直接進行連管注漿滅火，無需抽出鉆桿后，再下套管，減少了施工工序，且避免了塌孔。

1-巖石電鉆；2-加水器；3-連接變頭；4-鉆桿；5-導軌；6-支承座；7-鉆頭

圖1 KHY-50/38鉆具結構及組成圖

3.2.2 高分子膠體的性能特點

高分子膠體主要由水和MCJ12滅火劑構成，MCJ12高分子膠體滅火劑能使水發生膠凝，形成彈性膠體，脫水率<5%。滅火劑用量<0.8%，成本約260元/m3。

主要用途和性能特點：

①實現水的液固轉化，使水在指定地點停留；

②克服注水流失量大、水的利用率和效率低等問題；

③解決凝膠成膠原料運輸量大、種類多、現場配比難、受壓易開裂等問題；

3.2.3 高分子膠體滅火設備的結構及工作原理

高分子膠體壓注機是一種專門將粉狀基料按比例分散開撒入水中，并攪拌使之均勻，最終配制成膠體的設備。ZHJ-5/1.8G礦用移動式防滅火注漿裝置主要由防爆電機、減速機、螺桿泵、促凝劑及滅火劑定量送料總成、無級調速機、齒輪泵、傳動裝置、流量計、壓力表及管路等組成

3.2.4 注膠工藝流程

注膠工藝流，利用“ZHJ-5/1.8G煤礦用注漿機”，將滅火劑按0.8%以上的比例與水混合后，注入防滅火區域。根據現場情況，滅火劑添加量可由設備自身調節，必要時最大可添加至4%。

4、鉆孔施工

自12月31日至1月9日，完成鉆孔13個，其中12個鉆孔打到設計位置，一個鉆孔報廢，完成鉆孔長度300m。鉆孔開孔位置跨度32.8m，終孔位置跨度42.3m。

2010年3月7日，為保證啟封工作順利，從二一集中進風巷向21515工作面進風側（終孔位置在支架后方20米左右）施工鉆孔兩個，分別為10.8m和13.2m。

5、21515工作面火區治理效果分析

自2009年1月1日至31日，共灌注高分子滅火劑12噸，成膠量約1000m3。通過采取膠體防滅火技術灌注高分子膠體滅火劑封堵漏風通道、包裹高溫煤體對火區進行了快速治理。治理工作完成后，對火區進行了連續觀測，采空區指標氣體濃度一直比較穩定，2010年1月1日至1月31日火區觀察孔CO氣體濃度變化曲線見下圖，截至2010年4月15日，采空區內指標氣體濃度為：O2：4.5%；CO：0；T：23℃。從任何與采空區相連的閉墻均未發現異常情況。

2010年4月15日對工作面啟封進行了論證，確定啟封條件已經成熟，同時確定了啟封時間。在所有啟封準備工作完成后于2010年4月24日21515工作面成功啟封，之后順利恢復生產。2010年10月下旬，21515工作面回采順利結束，工作面撤架工作順利完成。

6.結論

1）針對密閉區域小范圍、火源確定的低瓦斯煤井火災，高分子膠體滅火技術是快速有效的。

2）高分子膠體滅火劑1～2%的添加比例和其他滅火材料比較，大大節省了運力，適合礦井實際情況。

3）一次成孔鉆具便于運輸及操作，大大縮短了打鉆時間，提高了火區治理工作效率。

參考文獻：

[1] 徐精彩，張辛亥，文虎，鄧軍等.煤層自燃膠體防滅火理論與技術[M]. 煤炭工業出版社，2003

[2] 劉小杰.礦井火災發生原因與防治技術[J].煤炭技術，2009