綜合防滅火技術在巷道高冒區火災中的應用

孫令超，王 斌

（1.瓦斯災害監控與應急技術國家重點實驗室，重慶 400037；2.中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶 400037；3.內蒙古福城礦業有限公司，內蒙古 鄂托克前旗 016217）

煤層自燃是常見的礦井火災之一，它不僅會燒掉大量的煤炭資源，嚴重破壞正常的生產秩序；還會消耗掉風流中氧氣，產生大量的熱能、有毒有害氣體和粉塵，甚至引發爆炸等其他事故[1]。煤層自燃不同于其他類型的火災，具有陰燃、火源隱蔽、貧氧氧化、易復燃、防控極難等特點，常發生在采空區、巷道高冒區等地方[2]。在礦井巷道掘進過程中，受地質構造應力、煤層瓦斯壓力、地應力等影響煤巖體會拋向巷道，繼而形成高冒區[3-5]。由于高冒區孔洞周圍存在大量孔裂隙，煤體極為破碎，若巷道有大量風流通過，在漏風供氧和蓄熱持續一定時間的情況下，易引發巷道高冒區煤層自燃[6-7]。巷道高冒區煤層自燃產生大量的煙塵、CO等有毒有害氣體會迅速進入其他巷道，嚴重威脅礦井安全生產。然而高冒區煤體高溫點極其隱蔽且易復燃，若采用單一的滅火措施難以有效撲滅火災[8-9]。特別對于高瓦斯礦井，研究適合巷道高冒區自燃火災治理方法意義重大。針對玉舍煤礦1260運輸巷高冒區自燃火災，在分析火災成因基礎上提出采用噴漿堵漏、注水降溫、注漿阻化相結合的綜合滅火技術進行滅火，取得了良好的效果。

1 火區概況

貴州格目底礦業有限公司玉舍煤礦一期設計能力90萬t/a，采用斜井開拓方式，布置有1260運輸石門、1260軌道石門、1260回風石門以作為采區生產巷道。3條石門通過聯絡巷連通，且設有雙向防突風門。其中，1260運輸巷在揭露k9煤層過程中發生煤巖體垮落，形成φ2 m×2.6 m的斜錐形高冒區。揭露點處k9煤層結構較復雜，其上部夾1～3層隱晶高嶺石泥巖夾矸，煤層厚度為2.4 m，傾角為22°，為II類自燃煤層。受地質構造應力影響煤層頂底板巖石極其破碎，該破碎帶總長度約20 m，巖石呈魚鱗狀。該高冒區內部堆砌木料，并按0.7 m的間距架設U型鋼棚進行支護。高冒區形成72 d后，在定期高冒區檢查中發現CO高達56×10-6，2 d內急增至1 800×10-6，并探查到C2H4的出現。該巷道濃煙滾滾，嚴重威脅礦井生產安全。

2 高冒區煤體自燃原因分析

2.1 煤體自燃條件

目前為止，為大部分學者所認可的煤氧復合作用學說認為，煤體自燃必須具備4個條件：①有自燃傾向性的煤以破碎狀態存在；②有氧含量大于12%的空氣通過破碎煤體；③破碎煤體有聚集氧化熱的條件；④上述條件同時具備且持續較長一段時間的，使煤體達到著火點溫度。

2.2 煤體自燃發展過程敘述

煤的自燃發展過程分為準備階段、氧化階段、穩定燃燒階段[10]。不同自燃階段煤體溫度不同，產生CO、C2H4等自燃標志性氣體的生成量也明顯不同。其中，準備階段、氧化階段煤體溫度一般低于60℃，這一時期也稱為自熱潛伏期，該階段煤體氧化過程比較緩慢，產生少量的CO。當溫度超過臨界溫度60～80℃時，煤溫急劇上升，氧化自動加速，煤開始出現干餾，將會產生C2H4、C2H2等。受地質構造應力作用，1260運輸巷揭露k9煤層時形成了高冒區，且煤體極為破碎。由于采用木料無法完全將高冒區充填密實，且未對高冒區前后范圍內巖石破碎帶進行注漿封堵，故空氣通過破碎帶裂隙及高冒區未封閉裂隙滲透進入松散煤體中，形成穩定的持續的供氧條件。在長期不斷聚集氧化熱的情況下，1260運輸巷高冒區煤體發生了自燃。

3 綜合滅火技術方案

目前，國內外常規防滅火技術采用破壞煤層燃燒條件的原理來撲滅火災，即降低煤的氧化自燃特性、減少漏風、隔絕供氧、冷卻煤體、減少熱量積聚以及縮短煤炭接觸氧氣的時間。其中，高冒區滅火技術主要有控制漏風、吸熱降溫、火區惰化、煤體阻化[1，11-13]?？刂坡╋L技術主要通過減少或杜絕向高冒區煤體連續供氧實現滅火，主要方法有泡沫噴抹、水泥噴漿、高分子材料噴涂。一般情況下，對于已經發生自燃的火區，僅靠該技術是無法實現火區滅火。吸熱降溫主要通過降低火區煤體溫度實現滅火，主要方法有注水、注漿等。火區惰化主要通過向火區輸入高濃度惰化氣體以破壞連續供氧條件而實現滅火，主要方法有注入氮氣、二氧化碳等惰性氣體、注入三相泡沫等。煤體阻化主要通過噴灑阻化劑以降低煤體的氧化活性來實現防滅火，主要方法有噴灑CaCl2、MgCl2等鹽類等。

3.1 防滅火技術措施與方案

依據1260運輸巷高冒區煤體自燃災害特點及成因，擬定選用噴漿堵漏、注水降溫、注漿阻化相結合的綜合滅火技術方案。綜合滅火技術措施實施步驟為：首先，向1260運輸巷高冒區注入大量冷水，防止災害擴大化；其次，對1260運輸巷破碎帶進行噴漿處理，噴漿長度至少超過破碎帶不低于5 m；最后，施工鉆孔探查火區范圍，通過鉆孔注水降低煤體溫度、注漿覆蓋破碎煤體，以撲滅高冒區自然發火。

1）高冒區孔洞內注水。高冒區煤體自燃產生的CO、碳氫化合物等可燃可爆氣體與CH4混合，會降低其爆炸濃度下限；在供氧充足且存在著火點的情況下易引發爆炸，嚴重威脅礦井生產安全。為此擬定將3根φ38 mm的鐵管送入高冒區頂部，并通過該管向高冒區內部注水，總水量為0.9 m3/min。通過注入冷水，將充填的木料濕潤，防止引發木料火災。同時，利用水受熱蒸發產生水蒸氣的特性，可排除孔洞內的氧氣并阻止大量新鮮空氣通過木料縫隙進入高冒區，同時在煤體表面形成水膜，阻止氧氣與煤體直接接觸，破壞高冒區可燃氣體爆炸條件，防止災害擴大化。

2）噴漿堵漏。噴漿堵漏，是以壓縮空氣為動力，用噴射機將細骨料混凝土以噴射方法覆蓋到破碎帶上，從而凝結硬化后形成混凝土結構。該技術既能減少空氣通過破碎帶滲透入高溫煤體，又形成牢固的支護，并改善圍巖應力狀態，提高圍巖強度，避免產生大量裂隙。為此擬定對巷道高冒區附近30 m范圍及高冒區孔洞內噴射混凝土，噴漿厚度不低于50 m，從而阻止空氣通過巖石破碎帶裂隙滲透至高溫煤體。

3）探明火區范圍。對于發生在巷道高冒區的自然發火，根據CO等指標氣體出現位置、濃度及附近煤炭破碎情況，很容易判定火源點的位置。1260運輸巷揭露k9煤層處附近存在巖體破碎帶，且附近30 m范圍內無其他煤層，高冒區內易自燃煤體破碎，故初步判斷該高冒區已發生煤層自燃。但是，火區的范圍無法確定，需要施工鉆孔進行探查。因此，在聯絡巷中設置2臺ZY750D鉆機，向高冒區附近煤體施工鉆孔，對火區的范圍進行準確的判定。鉆孔施工的技術要求：T1、T2列探查鉆孔位于1260東聯絡巷中，其開孔點位置分別距巷道交叉點13、11 m；T1、T2列探查鉆孔位于1260西聯絡巷中，其開孔點位置分別距巷道交叉點11、9 m；相鄰鉆孔間距為0.4 m，鉆孔直徑75 mm，孔深以穿過煤層頂板為止；鉆孔施工參數見表1。鉆孔施工過程中，觀察返水溫度情況；若返水溫度高于進水溫度，則說明該鉆孔位于高溫煤體中。最終探明火區的范圍為1260運輸巷道西側9 m、東側11 m。同時，探查鉆孔兼用于注水、注漿，鉆孔施工布置如圖1。

表1 探查火區鉆孔施工參數

圖1 注漿鉆孔布置示意圖

4）注水注漿方案。不同的液體在煤巖體孔隙中滲透速度及范圍是不同的；一般情況下，相對于其他非可溶性漿液、純賓漢流體、黏度隨時間變化的牛頓流體、黏度隨時間變化的賓漢流體來說，水的滲透速率要快，滲透范圍要廣[14-16]。因此，通過向高溫煤體內注入大量冷水，利用水在煤層孔裂隙的快速滲透擴散作用，降低煤體溫度，控制火災蔓延。注漿降溫主要通過向高溫煤體內壓入大量漿液，充填煤體孔裂隙，堵塞漏風供氧通道，水分和稠化劑滲入煤層內，在煤體表面形成一層阻氧膜，從而實現滅火。該方法具有工藝簡單、成本低廉、材料來源廣泛等優點。注水與注漿方法的結合，可迅速降低煤體溫度并及時控制火災發展，進而實現滅火。在聯絡巷中設置2臺ZY750D鉆機，向高冒區附近煤體施工注漿鉆孔，鉆孔施工的技術要求：鉆孔開孔點位于聯絡巷中，開孔水平間距為1 m，鉛錘方向間距為0.5 m，分為5排施工，鉆孔直徑75 mm，孔深以穿過煤層頂板為止。根據礦井實際情況，選用BFZ-10/1.2（2.4）型礦用注漿封孔泵進行注漿、注水。注漿選用水泥砂漿灌注工藝，該工藝直接將水泥按水土比例1∶2.5在攪拌桶混合，然后通過注漿泵將漿液壓入煤體中。注漿鉆孔施工參數見表2。

表2 注漿鉆孔施工參數

5）氣體濃度監測方案。巷道高冒區空間狹小、其高溫點具有隱蔽性，故采用人工插管取樣檢測方法監測氣體濃度變化。為了進行跟蹤高冒區火災發展情況，在高冒區內部設置了監測點1個，用以監測CO、CH4、C2H4、O2濃度變化情況；其中，監測點距離高冒區頂部約1 m。取樣人員每隔30 min使用取樣泵先將探管內的殘存氣體排凈，然后抽取新鮮氣樣，用氣體檢定管直接現場測定氣體濃度。

3.2 滅火措施效果

自采取噴漿堵漏、注水降溫、注漿阻化相結合的綜合滅火技術開始，采用人工插管取樣方式取氣樣來檢測 CO、CH4、C2H4、O2濃度，滅火期間高冒區 O2、CH4、C2H4、CO氣體濃度滅火變化曲線如圖2、圖3。由圖2、圖3可知，向1260運輸巷高冒區孔洞內注入的水受熱后產生了水蒸氣，可排除孔洞內積聚的氣體，并阻止新鮮空氣進入孔洞，從而快速降低該區域氧氣及甲烷濃度，破壞高冒區可燃氣體爆炸條件，防止災害擴大化；在向高溫煤體注水降溫過程中，會擠壓煤層孔裂隙中的甲烷，導致高冒區甲烷濃度會小幅度增長；在采用噴漿、注漿措施后，漿液會填充煤體孔裂隙并覆蓋煤體，逐漸阻止空氣向火區滲透，同時也阻止氧氣與煤體直接接觸，破壞火區煤體燃燒條件，使得高冒區內CO、C2H4濃度快速降低到8×10-6以下并呈現平穩態勢。

圖2 滅火期間高冒區氧氣及甲烷濃度變化

圖3 滅火期間高冒區自燃標志性氣體濃度變化

4 結語

據1260運輸巷高冒區現場實際條件，提出了噴漿堵漏、注水降溫、注漿阻化相結合的綜合滅火的現場試驗方案，布置了采氣系統監測高冒區內CO、CH4、C2H4、O2濃度變化情況。結果表明：巷道圍巖破碎帶噴漿處理后有效阻止了新鮮空氣向高冒區高溫煤體的滲透，高冒區孔洞內注水能有效排除孔洞內積聚氣體并抑制空氣滲入高溫煤體，火區內注水能快速降低火區煤體溫度，火區注漿能有效覆蓋高溫煤體，使得高冒區中CO等自燃標志性氣體快速降低到8×10-6以下并維持穩定。