新型凝膠防滅火技術在大采高綜采工作面自燃防治中的應用

趙立克，張辛亥，鄭仲明

（1.伊泰煤炭股份有限公司，內蒙古 鄂爾多斯017000；2.西安科技大學，陜西 西安710054；3.西安安備特安防科技有限公司，陜西 西安710054）

煤層自燃對礦井安全生產構成嚴重威脅[1-3]。煤層自燃一般發生在采空區或巷道周圍松散煤體內，火源位置通常比較隱蔽，因而煤層自燃防治十分困難[4-5]。防滅火技術主要有灌漿、注惰氣、泡沫、阻化劑和凝膠等，在礦井火災防治中起到重要作用。但這些技術中，注水、灌漿和注阻化劑技術應用時，由于水和漿液流動性強，容易流失，通常不能有效降低煤體內部溫度，難以徹底的撲滅煤層火災[6-7]；灌注水泡沫及惰氣進行滅火時，由于氣體比熱容較小，并且氣體與煤的熱交換速度相對較小，故其降溫速度較慢，降溫效果相對較差，也難以徹底滅火。凝膠材料具有強固水性，降溫、堵漏、熱穩定性也很好，因而用其進行煤層火災防治的效果較好[8-10]。ABT-Q 型高效復合材料是一種新型復合型凝膠類防滅火材料，由一種原料與水反應合成，應用工藝方便，充填堵漏和降溫滅火性能良好。

1 ABT-Q 型高效復合材料及工藝裝備

1.1 ABT-Q 型高效復合材料

ABT-Q 型高效復合材料的原料為單組分淺黃色液體，由無機穩定劑催化劑與有機高分子原料預聚體構成，該材料遇水即可發生化學反應，發生交聯，形成網狀結構的凝膠材料。水與原料的比例可調節范圍比較大，一般1∶1～25∶1 范圍內，都可生成性能優良的凝膠材料。材料原料配比要求寬泛，可十分方便地進行現場應用。

所生成的高分子材料含有大量親水官能團，可將大量水吸附控制在其分子結構內[11-12]，其固水量一般可達20 倍以上。所生成的凝膠材料表現出一定的彈性，吸水量達15 倍時，受外力變形30%以內時撤除外力可以自行恢復，變形達到100%時不破裂。

ABT-Q 型高效復合材料的原料與水混合后一般在0.5～3 min 內膠凝。成凝膠之前，原料與水混合物溶液的流動性良好，可實現在管道中大流量輸送，也能夠滲透擴展進入煤巖層的裂隙中。發生膠凝反應后失去流動性，可發揮充填堵漏的防滅火效果。該材料對環境無污染，具吸熱降溫、充填堵漏和抗動壓性。該材料對煤巖體附著力強，撲滅高溫煤火不易發生水煤氣爆炸[13]。

1.2 工藝裝備

根據材料合成工藝及原料配比要求，開發出其氣動制備與灌注設備。設備有2 個往復運動的氣動缸，每個氣動缸的2 個連桿與2 個活塞相連，氣缸往復運運推動活塞在各自注液缸內運動，通過單向閥控制實現吸液和排液。ABT-7/3.5D 礦用多功能噴注設備原理圖結構原理如圖1。

圖1 中，左側氣動活塞的直徑為右側氣動活塞直徑（氣動缸內徑）的2.5 倍；對應的注液活塞直徑（注液缸內徑）也為右側的，2 倍。因此，左側每個注液缸的注液流量可達右側1 個缸的6.25 倍。

氣動缸和與之相連的注液缸的直徑之比為2∶1，因此注液壓力可達氣壓的4 倍。如礦井下供氣最大壓力為0.8 MPa，則本裝備注漿壓力可達3.2 MPa。

圖1 ABT-7/3.5D 礦用多功能噴注設備原理圖Fig.1 Schematic diagram of ABT-7/3.5D type multi-function injection and spray equipment

系統可實現2 種原料的配比為：1∶1、13∶19、2∶13、1∶14。此外，還可以通過2 個氣動缸供氣流量進行調節2 種原料配比。

2 ABT-Q 型高效復合材料滅火技術應用

2.1 火區概況

紅慶河煤礦3-1103 綜采工作面位于紅慶河井田3-1 煤1 采區。開采煤層厚度為6～6.5 m，大采高開采。工作面采煤方法為走向長壁后退式采煤法，采用綜合機械化采煤工藝，采用自然垮落法處理采空區頂板。選用MG1000/2540-GWD 型雙滾筒采煤機，一次采全高。回采期間綜采面采用運輸巷進風，輔運巷回風的“U”型通風方式，工作面的實際配風量為2 447.8 m3/min。3-1 煤層煤屬于I 級容易自燃，煤層最短自然發火期為45 d。由于3-1103 綜采工作面大采高開采，采空區巷道側采空區留有厚達2 m以上的浮煤，巷道側采空區自燃危險較大。

3-1103 綜采工作面自2018 年3 月15 日開始正式生產，至2018 年11 月30 日，工作面推進928.3 m時，由于沖擊地壓影響，工作面被迫停產。停產期間采取的防滅火措施包括：①整個工作面架間充填高分子發泡堵漏材料，減少采空區漏風；②工作面風風側埋管至距離切頂線26 m 左右的采空區，每天連續注氮20 h 以上（檢修時間停注），注氮流量1 200 m3/h；③工作面風量由停產前的2 426 m3/min 下降到1 100 m3/min，工作面兩端風壓差下降約71%，從而減少了采空區漏風量，縮小了采空區氧化帶范圍。

此外，采空區埋設了束管、熱電偶等，對采空區進行監測。截止2019 年7 月初，3-1103 工作面架間、采空區及回風隅角氣體取樣化驗分析數據無異常。

2019 年7 月5 日晚，3-1103 工作面回風隅角和回風流CO 濃度突然增高，數據超限，夜間CO 濃度呈現上升趨勢。7 月6 日，檢測發現3-1103 采空區回風隅角CO 濃度迅速上升到（395～500）×10-6，同時出現少量C2H4，認為3-1103 采空區已發生煤層自燃，立即啟動應急預案，采取緊急防滅火措施。預計發火位置及ABT-Q 型材料充填區平面示意圖如圖2。

圖2 預計發火位置及ABT-Q 型材料充填區平面示意圖Fig.2 Predicted spontaneous fire position and the ABT-Q material filling zone

2.2 防滅火技術措施

根據現場監測結果，距離工作面進風側約25 m、回風隅角、距離回風側約20 m 等位置檢測到CO濃度較高。工作面進風側距離工作面約25 m 處的采空區注氮口外側，由于注氮的引射作用，并且頂板垮落不嚴漏風阻力小，故該處漏風較大，并且該處遺煤較多，自燃危險極大。結合氣體監測結果，預計該處已經發生了煤層自燃。

同時，工作面進風側、回風側采空區遺煤較多，距離工作面進風側約30 m 處的沖刷帶附近遺煤也比較多，是采空區煤層自燃易發區，預計已經出現煤溫升高現象。由于檢測到CO 時，工作面在約11個月時間內推進距離不超過100 m，故整個工作面采空區遺煤都經歷了長時間氧化，預計也都有升溫趨勢。

據此確定通過向工作面灌注ABT-Q 型高效復合材料，結合注氮及泡沫等防治采空區煤層自燃。首先，自鄰近工作面巷道向進風側采空區施工鉆孔，鉆孔終孔位置為距離工作面10、15、20、25 m 范圍，孔高為到達煤層頂板以上0.5 m，距離巷道煤幫1、3、6 m。孔內下φ25 mm 套管，最前端1 m 套管管壁開孔，以便于ABT-Q 型高效復合材料混合液擴散。然后通過工作面向回風隅角、沖刷帶附近等施工鉆孔，終孔位于架后2 m，煤層頂板以上0.5 m，沿工作面布置方向每隔3 m 布置1 排鉆孔。每個鉆孔以同樣的方法下套管，沿套管注ABT-Q 型高效復合材料。最后，在工作面其它部位灌注ABT-Q 型高效復合材料，工作面直接插管到架后頂板，預防采空區高溫向工作面擴散，保障回撤安全。

在采取上述措施的同時，工作面持續注氮，并且在重點部位加注泡沫，抑制煤層氧化，促使工作面CO 濃度快速下降。

2.3 滅火效果

使用新型設備壓注ABT-Q 型高效復合材料非常方便，僅需將吸料管插入料桶，接通水源和氣源即可快速向預定區域壓注新型凝膠材料。本材料對水質無特別要求，礦井水可直接用于灌注該材料的凝膠。原材料遇水后發生固化，無殘留水溶成分，故不會對地下水產生污染。原材料應用過程中不產生揮發成分，也不會對井下大氣構成污染。

累計向采空區灌注ABT-Q 型高效復合材料300 m3，使用原料20 t，有效地降低了煤溫，減少了采空區漏風，使工作面CO 濃度迅速下降。

為了掌握實施綜合防滅火技術的效果，通過煤礦現有的安監系統和人工抽氣采樣對工作面回風隅角CO 氣體進行連續觀測，CO 濃度變化曲線如圖3。

圖3 CO 濃度變化曲線Fig.3 Curve of CO concentration varies with time

從圖3 可以看出，在注膠期間CO 濃度迅速下降，說明漏風供氧減少，或高溫區范圍明顯縮小。灌注ABT-Q 型高效復合材料灌注過程中，CO 濃度鋸齒狀起伏，是材料與高溫煤體接觸過程中產生蒸汽，引起氣流紊亂的結果。可見材料滅火過程中不會產生大量破壞性的水蒸汽，其滅火安全性很好。

通過灌注ABT-Q 型高效復合材料，3-1103 綜采工作面回風隅角等部位CO 濃度迅速下降到安全值，說明該材料滅火降溫快、堵漏性能好，對煤層火災治理效果明顯。

3 結 語

1）ABT-Q 型高效復合材料形成的新型凝膠材料，吸水倍率高，降溫效果好，適用于采空區高溫防治，其滅火速度快、效率高。

2）根據ABT-Q 型高效復合材料合成工藝開發的壓注設備，具有自動進料，自動配比，出口壓力高，移動方便等特點，適應了火災防治的要求。該設備以井下壓縮空氣為動力，具有很好的安全性和便捷性。

3）運用ABT-Q 型高效復合材料快速治理了紅慶河煤礦厚煤層采空區大面積自燃火災，說明該技術降溫速度快、堵漏性能良好，適應了煤礦防滅火的需要，是一種良好的礦井防滅火技術效果。