高分子膠體滅火劑在易復燃火區的應用

文/許洪亮

針對徐礦集團三河尖煤礦7441工作面火區易復燃的特點，通過分析現場條件以及火區治理難點，施工高位滅火鉆孔灌注高分子膠體滅火劑對火區進行滅火，并輔以其他防滅火措施，實現火區安全啟封，消除啟封后復燃隱患，保證設備按計劃拆除。

一、7441工作面概況

三河尖煤礦7441工作面軌道巷走向長340m，運輸巷走向長240m，煤層傾角10°～20°、厚度2.4～5.4m，采高3.1m。工作面采用綜合機械化放頂煤采煤工藝，選用MG400/930-WD型雙滾筒采煤機，共安裝支架119架，其中ZF7200/17/35型液壓支架113架，ZFG7200/20/32型液壓支架6架。工作面所采的7層煤屬于易自燃煤層，采用U型下行通風方式，即軌道巷進風，運輸巷回風。工作面92～94號支架處揭露一條貫穿工作面走向的火成巖，并伴生一條落差2.1m的正斷層。工作面布置如圖1所示。

2012年9月21日工作面開始生產，受火成巖侵入以及斷層影響，回采期間工作面92號支架向上全巖，70號支架向上頂板破碎，推進速度非常慢，回采75天下部僅推進14m。由于采空區漏風供氧充分，長期暴露的切眼處煤體及采空區遺煤一直處于良好的漏風供氧狀態，導致采空區遺煤均不同程度的氧化，其間雖采取了防滅火措施，但工作面仍然發生自燃，于2012年12月8日封閉。

圖1 7441工作面布置圖

二、7441工作面啟封過程及通風情況

1. 啟封過程

為啟封工作面，在7441工作面后部施工一條消火道，在7441工作面前部施工拆除巷道和聯絡巷，以便向7441采空區打鉆灌注防滅火材料和工作面設備拆除。前期利用高水材料充填7441工作面發火空間，共計施工95個鉆孔，終孔分別布置到13～56號支架尾部、架后5m、架后10m以及老切眼的頂煤中，壓注高水材料充填空間約3988m3，未完全覆蓋采空區。另外向采空區灌注泡沫凝膠7噸、MEA防滅火劑混合溶液47噸。

7441工作面火區分別于2014年10月17日、2015年1月8日、2016年3月10日先后進行3次啟封，正常通風時間最短只有7天，因CO持續升高而重新封閉。3次啟封僅回收1～18#支架及部分刮板輸送機部件。

2. 啟封后維持正常通風時間短的原因分析

（1）高水材料凝固時間較長，壓注的高水材料覆蓋終孔位置范圍不理想，流動性大，大量高水材料自上而下流走，難以覆蓋高位遺煤。

（2）高水材料容易堵孔，造成鉆孔壓注高水材料不均衡，有的鉆孔壓注高水材料量大，有的鉆孔由于壓力過大而只能少量壓注。

（3）因工作面回采平均只有24.5m，而且未放頂，采空區內有大量遺煤，采空區內未冒落或冒落較少，冒落不實，工作面一旦恢復供風，采空區內漏風嚴重，遺煤迅速氧化。

（4）煤具有貧氧氧化放熱的特點，通常情況下，較低的氧濃度與煤反應放出的熱量就可維持高溫煤體溫度不下降。因此，煤層自燃時采用封閉滅火，火區啟封后易于復燃。

三、7441工作面火區治理難點分析

根據7441工作面現場實際情況和火區處理過程，結合煤自燃特點，初步分析該工作面火區治理存在以下難點。

一是工作面推進度少，采空區自燃“三帶”尚未形成，整個采空區的遺煤均處于氧化狀態，尤其是自貫穿以來一直暴露在空氣中切眼周圍的煤體。之前多次啟封，也不同程度地向采空區通入了新鮮風流，遺煤氧化得到進一步加劇，架頂等位置的松散煤體也可能已處于氧化狀態。

二是工作面傾角較大，常規的滅火材料（如水、黃泥漿等）注入到采空區后會沿底板流失，不能滯留在所需位置，難以起到應有的滅火作用，尤其是針對高位火源，效果更差。

三是工作面傾角大、頂板破碎，含有斷層帶，影響支架拆除的進度，也會縮短松散煤體的自然發火期。若不能在火區封閉期間做好治理工作，很可能會在啟封后很短的時間內再次復燃。

四、高分子膠體滅火劑的應用

1. 火區治理思路

由于工作面是在生產期間緊急封閉，工作面未進行刷擴，支架回撤難度大、周期長。因此，采取分階段拆除設備，即第一階段回撤煤機以及剩余前部刮板運輸機部件；第二階段刷擴工作面，回撤支架。針對第一階段設備回撤計劃，以“膠體降溫堵漏和氮氣惰化控氧”防滅火技術為主，在封堵漏風通道進行注氮的基礎上，向采空區灌注高分子膠體滅火劑，充填采空區松散煤體，大幅度降低采空區內的高溫能量，控制采空區的漏風供氧，有效控制采空區復燃。

2. 高分子膠體滅火劑性能

高分子滅火膠體具有的防滅火性能：（1）固水性；（2）吸熱降溫性；（3）滲透和堵漏性；（4）阻化性；（5）充填性能；（6）滅火安全性；（7）成膠時間可控性。

3. 高分子膠體防滅火工藝與設備

高分子膠體可通過專用設備（ZHJ-5/1.8G礦用移動式防滅火注漿裝置），將其按比例（水里的0.8%以上）與水混合后注入火區進行滅火。

4. 防滅火鉆孔設計

根據之前工作面采空區遺煤狀況、發火點以及注高水材料情況分析，本次注高分子膠體滅火劑控制氧化的區域為19～60#支架范圍。在7441拆除巷道向7441采空區施工42個滅火鉆孔，每架一個滅火鉆孔，終孔分別位于19～60#支架尾部、架后3m、架后6m，交替布置。為防止灌注時鉆孔漏液，鉆孔避開第一、第二聯絡巷松動圈。1～10號孔為扇形布置，11～19號以及20～42號鉆孔平行布置。鉆孔施工采用ZDY1200S型鉆機，配套MZG50/38鉆桿，直接利用該鉆桿向采空區注膠體滅火劑。鉆孔布置見表1所示。

表1 滅火鉆孔布置

5. 治理效果

通過42個滅火鉆孔灌注高分子膠體滅火劑1045m3，由高向低灌注，充填采空區松散煤體，實現降溫隔氧。在灌注高分子膠體滅火劑的同時，輔以砌墻堵漏、注液態氮氣等控氧措施。采取上述措施后，通過采集氣樣進行色譜分析，火區內CO濃度由30ppm降為0，無乙烯、乙烷，氣體符合《煤礦安全規程》第279條規定的火區啟封條件。工作面火區啟封后，按計劃安全回撤了煤機、刮板輸送機等設備。

五、結 語

高分子膠體滅火劑具有滲透性強、降溫速度快、阻化效果好的特點，通過合理布置滅火鉆孔，可以對采空區遺煤，特別是高位遺煤進行有效阻化，對于放頂煤工作面采空區煤炭自燃具有良好的滅火效果。