煤田火區(qū)成因機(jī)理及注漿固化滅火技術(shù)

薛小軍

【摘要】北方地區(qū)是我國(guó)主要的煤炭生產(chǎn)基地，但由于北方地區(qū)自然地理?xiàng)l件，極易導(dǎo)致煤層自燃，形成煤田火區(qū)。自20世紀(jì)70年代以來(lái)，由于北方煤田采煤工藝的改變以及規(guī)模的不斷擴(kuò)大，導(dǎo)致煤田火區(qū)范圍迅速擴(kuò)大，造成了重大經(jīng)濟(jì)損失。鑒于此，本文主要分析煤田火區(qū)成因機(jī)理及注漿固化滅火技術(shù)。

【關(guān)鍵詞】煤田火區(qū)；成因；注漿固化

一、煤田火區(qū)成因機(jī)理

煤田火災(zāi)不僅會(huì)燒毀大量煤炭資源，還會(huì)造成土壤沙化、植被死亡、地面塌陷等環(huán)境破壞。對(duì)井下工作面的影響主要是上覆隱蔽火區(qū)產(chǎn)生的火災(zāi)氣體下泄后引起工作面CO超限或低氧問(wèn)題。而火災(zāi)中造成的人員傷亡85%以上都是煙氣引起的中毒、窒息，由于煤礦井下巷道網(wǎng)絡(luò)特殊的結(jié)構(gòu)特征，這種傷害將更加明顯。因此，相關(guān)學(xué)者歷來(lái)非常重視煤田火災(zāi)氣體生成、蔓延規(guī)律的研究工作。

二、煤田火災(zāi)治理方法

（一）水剝離法

此法滅火徹底，適用于火源較淺，面積較小并且火區(qū)蔓延較慢的火區(qū)。首先對(duì)火區(qū)進(jìn)行注水降溫至40℃，并對(duì)淺部空洞區(qū)進(jìn)行爆破處理。然后通過(guò)機(jī)械剝離或定向爆破剝除火區(qū)的露頭火源及部分燒變巖。

（二）注水注漿覆蓋法

這種方法適用于燃燒部位較淺，裂隙非常發(fā)育的煤田火區(qū)。向火區(qū)深部注水或灌注黃泥漿（或阻燃膠體、固體充填料等），降低燃煤溫度，隔絕煤層與氧氣接觸，阻止煤炭進(jìn)一步氧化燃燒，從而熄滅火體。最后利用黃土充填封閉火區(qū)地表裂縫、塌陷坑、廢舊采空區(qū)等，斷絕火區(qū)通風(fēng)供氧通道。

（三）打鉆注水注漿覆蓋法

當(dāng)煤火燃燒深度較大時(shí)，一般采用此方法滅火。使用該方法滅火首先要?jiǎng)冸x火區(qū)露頭火源及部分燒變巖，對(duì)火區(qū)進(jìn)行斜坡化處理。然后在火區(qū)分別布置探火鉆孔、滅火鉆孔和觀測(cè)鉆孔。以滅火鉆孔為中心對(duì)燃燒煤層進(jìn)行注水降溫和注水封閉。注水注漿要遵循先高溫區(qū)后低溫區(qū)，間歇性注水的原則進(jìn)行，避免爆噴事故。注漿材料一般選用黃土，為保證滅火效果，火區(qū)內(nèi)塌陷區(qū)裂隙應(yīng)基本充填，火區(qū)處于完全封閉狀態(tài)后方可停止注漿。為確保氧氣隔絕，防治復(fù)燃，最后在進(jìn)行地表覆蓋。

三、煤田火區(qū)的注漿固化滅火技術(shù)

（一）鉆進(jìn)成孔

根據(jù)本區(qū)地層塌陷破碎、空洞裂隙發(fā)育的特點(diǎn)，采用風(fēng)動(dòng)沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)成孔或沖擊跟管鉆進(jìn)施工工藝.鉆進(jìn)過(guò)程中依據(jù)鉆遇地層實(shí)際情況及時(shí)調(diào)整鉆壓、轉(zhuǎn)速、風(fēng)量和風(fēng)壓等參數(shù).鉆壓、轉(zhuǎn)速、沖洗液量、風(fēng)壓和風(fēng)量，根據(jù)巖石的物理學(xué)性質(zhì)、鉆頭類(lèi)型、孔底刻取巖石的面積、孔深、鉆孔結(jié)構(gòu)，并注意了它們之間的協(xié)調(diào)配合.施工用鉆進(jìn)孔徑為130，108mm。

（二）漿液灌注

1.封堵孔灌注

固化材料漿體本身就具備著膨脹系數(shù)高、凝固時(shí)間快的性質(zhì)，然而，在施工中遇見(jiàn)部分鉆孔出現(xiàn)固化材料一注即滿(mǎn)的情況，原因是地下火情嚴(yán)重、采空區(qū)溫度高，使固化材料漿體在擴(kuò)散途中水分蒸發(fā)迅速凝固，堵塞灌漿通道，本次采用先注入清水，先行降低孔內(nèi)溫度、沖洗裂隙和提高巖塊飽水率，使固化材料漿液可以充分?jǐn)U散，同時(shí)采用加大水固比（從原來(lái)的1.5∶1.0變成后期的2.3∶1.0），使液體稀釋?zhuān)龃髷U(kuò)散半徑；添加發(fā)泡劑，增大發(fā)泡倍數(shù)，達(dá)到了最佳的結(jié)石封堵充填效果。

2.灌注孔灌漿

由于灌漿鉆孔設(shè)計(jì)孔距較大，制備泥漿所用主材為本地黃土，其粒度粗、含砂量高，漿液合易性、流動(dòng)性差，容易出現(xiàn)堵管、擴(kuò)散半徑難以達(dá)到設(shè)計(jì)要求。為此，將運(yùn)到現(xiàn)場(chǎng)的黃土先經(jīng)過(guò)粉碎過(guò)篩后再制備黃泥漿，提高黃泥漿的性能。

治理區(qū)（特別2分區(qū)）近地表多處明火嚴(yán)重，撲滅明火難度很大，現(xiàn)場(chǎng)增加了部分新工藝及輔助材料制備復(fù)合泥漿.新配成的生石灰膨潤(rùn)土漿具有漿液粒度均勻、懸浮好、不易沉淀、擴(kuò)散性能好等特點(diǎn)，又能在高溫情況下形成多種化合物薄膜阻氧以達(dá)到滅火的目的。新配置的黃泥漿液，對(duì)地表明火和矸石著火的滅火治理效果更為明顯。

針對(duì)不同火區(qū)條件。調(diào)整泥漿材料配比如下。

漿液配方一：魚(yú)鱗溝（明槽）開(kāi)挖1.002.00m深，在溝內(nèi)灌漿直接注入復(fù)合漿液2或復(fù)合漿液1，結(jié)合平整覆蓋等輔助工程是應(yīng)對(duì)近地表明火的有效方法。漿液配方二：對(duì)于孔內(nèi)溫度高灌漿過(guò)程中溫度高、注入黃泥漿量比較大的孔，在灌漿時(shí)在原黃土漿液中加入10%的生石灰和2.5%的火堿，配制成火堿生石灰黃泥漿，在地表明火和矸石著火的滅火中較為有效。漿液配方三：對(duì)于孔內(nèi)溫度高、灌漿過(guò)程中溫度高，但黃泥漿注入量較小的鉆孔，在漿液中添加10%的鈉基膨潤(rùn)土、10%的生石灰、2.5%火堿制成生復(fù)合漿液1。漿液配方四：對(duì)于孔內(nèi)溫度高、灌漿過(guò)程中溫度高、注黃泥漿很少，一注即滿(mǎn)的鉆孔，放棄原黃土泥漿，灌漿時(shí)采用無(wú)固相漿液，即用水中加入20%的鈉基膨潤(rùn)土和2.5%的火堿.鉆孔井口密封，泥漿泵采用250/50型泵，灌漿壓力達(dá)到5～8MPa以上，強(qiáng)制性在火區(qū)中密閉。

3.灌漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)

灌漿孔灌漿結(jié)束時(shí)進(jìn)漿速度為開(kāi)始進(jìn)漿速度的1/4時(shí)結(jié)束單孔灌漿，灌漿孔二次灌漿時(shí)灌漿壓力達(dá)到。0.3MPa并穩(wěn)定10min，且進(jìn)漿速度為開(kāi)始進(jìn)漿速度的1/4時(shí)結(jié)束單孔灌漿，檢查孔灌漿壓力達(dá)到0.5MPa并穩(wěn)定10min，且灌漿量不小于設(shè)計(jì)灌漿量的80%時(shí)結(jié)束單孔灌漿。

灌漿施工時(shí)根據(jù)每個(gè)鉆孔實(shí)際情況，通過(guò)調(diào)整漿液材料成分和配比，采用不同工藝和方法，達(dá)到預(yù)期最佳灌漿效果。

總之，黨中央和自治區(qū)政府高度重視的煤田滅火工作，經(jīng)過(guò)第三次火區(qū)普查表明，煤火問(wèn)題依然嚴(yán)重，滅火任務(wù)仍然十分艱巨。要吸引社會(huì)力量和國(guó)際合作伙伴參與煤田火災(zāi)治理，盡快將清潔發(fā)展機(jī)制引入煤田火災(zāi)治理工作當(dāng)中。

參考文獻(xiàn)

[1]蔡燦凡.煤田火災(zāi)溫度場(chǎng)及應(yīng)力場(chǎng)演化過(guò)程相似模擬實(shí)驗(yàn)研究[D].西安：西安科技大學(xué)，2017.