立交結構巷道煤自燃成因及防治技術

岳寧芳，白銘波，高軍偉，王 釗，蔡國斌，金 彥

(1.西安科技大學 安全科學與工程學院，陜西 西安 710054；2.陜西陜北礦業韓家灣煤炭有限公司，陜西 榆林 719000)

0 引言

為滿足煤礦井下臨近水平巷道擁有獨立的通風系統和運輸系統，解決兩條巷道平交時風流不能混合的問題，立交結構在各大礦井應用廣泛[1-2]。然而，對于設計在煤層中的立交工程結構，上下巷道存在風壓差，巷道垂直距離較近，在巷道施工過程中，巷道間的煤體周圍產生一定裂隙，形成漏風通道，在礦山壓力緩慢持續的作用下，漏風通道進一步發育和擴展，附近煤體具備氧化蓄熱的條件，極易在巷道頂板產生幾平方的起火點，給礦井防滅火工作帶來很大障礙[3-5]。

煤礦安全生產的過程中，一旦發生巷道火災，危害極大。為有效防控巷道火災，國內學者對礦井防滅火材料、工藝、設備等做了大量研究。例如，文虎等[6，8]模擬了水平巷道火災三維瞬態溫度場和逆流層隨火源強度的關系，反映出巷道火災對礦井通風的影響，極大威脅井下作業人員的生命安全。史文波[7]通過研究灌漿的材料、方法及工藝參數等，針對不同發火情況，提出了黃泥灌漿的實際應用方法；文虎等[8]提出了多功能灌漿注膠防滅火系統，將黃泥灌漿和膠體防滅火技術有機地給合在一起，提高了系統利用率。劉英學等[9]首次運用燃燒學和熱力學的理論觀點，從3個方面探討了黃泥灌漿方法防止采空區遺煤自燃的作用機理，并通過應用實踐研究肯定了該技術的防治效果。郭曉剛[10]對現有制漿設備進行分析和比較，介紹了一種工藝簡單、安全可靠、制漿能力大、易于控制灌漿量和水土比的新型黃泥制漿設備的制漿工藝；馬衍頌等[11]介紹了一種可以精確實現黃泥灌漿時水土比與制漿量的給料系統，將螺旋給料機、帶式輸送機、渦輪流量計、電動調節閥通過電氣控制系統有機地組合起來，可實現水土比的精確供給；徐祿均等[12]對原有的黃泥灌漿控制系統以及水土比調節算法進行優化，從而更好地實現水土比調節。現在，煤自燃火災防控技術越來越成熟，邢偉等[13]對采空區進行黃泥注漿，有效遏制了采空區內溫度升高勢頭，消除了火災隱患；郭興明等[14]采用注惰氣、注膠防滅火技術撲滅鮑店煤礦煤層巷道火災。此外，王亞超等[15]采用粉煤灰膠體灌漿成功撲滅了新疆焦煤集團艾維爾溝煤礦2130平硐煤自燃火災。

為此，針對某礦相近平交巷道(立交結構)出現煤自燃隱患問題，采用黃泥復合膠體和凝膠防滅火技術，成功消除巷道煤自燃風險，對于煤礦巷道自然發火防治具有指導意義。

1 工程概況

某礦采用立井開拓方式，煤層厚度超過15 m的區域采用分層放頂煤采煤方法，即會在一個煤層中設計上下多條巷道。在井下輔運大巷的風巷出現一處煤自燃異常區域，具體位于礦井輔運大巷和已經封閉的A工作面風巷交叉點，形成立交結構。兩條巷道均設計在煤層中，兩巷設計間距最小為3.8 m，由于頂板問題進行了挑頂，導致該區域巷道間距最小為1.5 m左右，風巷密閉內的CO濃度超過100×10-6，注漿反水溫度異常。根據巷道標高分析，風巷巷道口頂板標高為+701.07 m，異常區域點巷道頂板標高為+701.3 m，皮帶大巷處巷道頂板標高為+696.1 m，回風大巷回風巷道密閉處頂板標高為+696.4 m。具體層位關系如圖1所示。

圖1 巷道布置及異常區域示意

2 巷道交叉點煤自燃異常區域分析

2.1 煤自燃原因分析

煤自燃條件：煤自燃是煤氧化蓄熱升溫的結果，在礦井生產過程中，導致煤自燃需具備4個條件[16-17]。①具有自燃傾向性的煤呈破碎狀態存在；②煤體所在環境存在漏風供氧；③良好的蓄熱環境；④以上3個條件共同作用時間大于煤自然發火期。

煤自燃異常的原因：根據煤自燃的充分條件分析，導致該立交結構的風巷出現煤自燃異常的原因主要包括以下4點。①巷道上下層間距只有1.5 m左右，礦井壓力較大，巷道松動圈范圍大，立交結構的兩巷存在裂隙相互溝通，這為浮煤自燃提供了良好的漏風供氧通道；②風巷所處煤層的煤自然發火期在35 d左右，自燃傾向性高；③1.5 m厚的浮煤以及輔運大巷的噴漿處理為煤自燃提供了良好的蓄熱環境；④風巷位置長時間漏風為自燃隱患的發生提供了充足的時間。

2.2 立交結構區域煤自燃特點

立交結構區域的煤自燃屬于巷道火災的一種，該區域煤自燃特點包括以下3點。

巷道火災具有隱蔽性：風巷有獨立的通風系統，巷道空間有持續穩定通風，即使巷道四周存在火點，在煤自然發火初期，自然發火產生的氣體順著風流方向不斷稀釋，難以在巷道環境中檢測到煤自燃的氣體產物，導致異常點發現不及時，極易迅速發展為巷道火災。

巷道火災發展迅速：煤自燃過程中，隨煤溫升高，巷道火災高溫點逐步向有氧測移動，一方面，由立交位置深部向淺部縱向發展；另一方面，一旦出現高溫點，高溫順著風流方向發展，高溫區域不斷擴大，當火勢發展到一定程度，火點甚至會逆風發展。

巷道火災具有難控性：井下巷道長，傳統的定點監測難以實現全巷道覆蓋。此外，因巷道火災的隱蔽性，導致巷道火災有足夠的時間發展，待自燃征兆顯現，巷道周圍煤體火點范圍和溫度均難以控制。同時，在巷道內，傳統的水系材料難以堆積，使得巷道頂部及深部火點難以處理。

3 立交結構巷道煤自燃區域治理

3.1 治理思路

結合立交結構巷道煤自燃原因、特點及自然發火規律，通過煤火防控的主要技術分析，確定巷道煤自燃主要治理措施及目標為“灌漿充填，消除隱患”。以“黃泥復合膠體”充填技術為主，大幅度降低異常區域空間；以“凝膠”防滅火技術為輔，封堵裂隙通道并充填剩余空間；實現異常區域段巷道的充填，降低異常區域自燃隱患的發生概率。第1階段，通過盤區換裝硐室和回風大巷密閉兩處灌漿管路向輔運大巷交叉處灌注凝膠，封堵漏風、漏水裂隙通道。第2階段，通過盤區換裝硐室和回風大巷密閉兩處灌漿管路向輔運大巷交叉處灌注高濃度黃泥漿，對風巷大巷頂部巷道進行充填，最大限度充填黃泥漿，并添加材料使之盡快固化脫水。第3階段，由于黃泥漿的流動性較好，根據異常區域層位分析，當漿液從風巷盤區換裝硐室密閉排出后，基本實現異常點向下層位區域段的處理，對上段通過換裝硐室密閉注漿管路進行灌注凝膠作業，充填上部區域。第4階段，一旦換裝硐室和風巷兩處密閉注漿管路全部堵死后，可通過輔運大巷向異常區域施工灌漿鉆孔進行充填作業。

3.2 技術準備

對風巷煤自燃區域的治理主要采用大流量注膠充填工藝。利用煤礦現有的地面灌漿防滅火系統及防塵水管路系統，從地面漿池中配好黃土、水玻璃和水，注漿系數為1.3，地面水量控制在19～22 m3/h，水玻璃用量控制在2.71～3.00 m3/h。在井下風巷異常區域附近用ZM-5/1.8D煤礦用注漿機把碳酸氫鈉按比例添加到管路中，再壓注到風巷異常區域。該系統井下材料運輸量少(只需運送碳酸氫鈉)，注膠流量大(30～100 m3/h)。

3.3 技術步驟

立交結構巷道煤自燃區域治理具體方案步驟可分為“一堵、二灌、三填、四補”，即堵裂隙通道、灌漿充填空間、剩余空間充填、補鉆孔灌注應急。

凝膠堵漏：凝膠灌注封堵示意圖，如圖2所示。首先，對輔運大巷異常區域頂部進行二次噴漿處理，在此封堵漏風漏水通道，加固頂板。然后，通過盤區換裝硐室和回風大巷上A工作面密閉預埋的灌漿管路，向異常區域灌注凝膠，封堵漏風漏水通道。

圖2 凝膠灌注封堵示意

黃泥凝膠充填:通過凝膠的封堵充填后，即可對巷道空間進行充填，充填采用黃泥漿液灌注方案，在黃泥漿液中添加水玻璃，井下添加工業堿，加快黃泥漿液的凝固。黃泥凝膠充填示意圖,如圖3所示。

圖3 黃泥凝膠充填示意

凝膠充填技術:為防止黃泥漿溢出，封堵排水通道，需要對上部區域進行凝膠充填，如圖4所示。

圖4 凝膠充填示意

鉆孔補注應急:為防止兩路注漿管路因灌注黃泥凝膠和凝膠封堵，需要設計鉆孔對為灌注滿的區域進行補注。補注鉆孔采用礦方鉆機進行50鉆孔施工，下全套管，套管可采用一次程控鉆孔，鉆孔終孔位置必須在巷道頂板區域，從而提高灌漿效率,如圖5所示。

圖5 補注鉆孔施工示意

3.4 效果分析

2018年7月25日治理工作開始，至2018年9月4日結束灌漿工作，灌漿工程持續時間為46 d，累計灌注時間400 h，灌注水玻璃凝膠累積灌注量約4 300 m3，施工補注鉆孔4個。期間對風巷密閉墻觀察孔O2、CO進行數據處理，得到圖6。從圖6可以看出，對風巷煤自燃異常區域采取治理措施過程中，異常區內的O2及CO濃度均隨時間變化而快速減小，截止2018年9月4日，O2濃度降低至0.11%，CO濃度降低至5×10-6，說明漏風量減小了，實現了堵漏風的目的，灌漿取得了一定的效果，為后期防滅火工作做了鋪墊；同時，高溫異常區域得到了根治，實現了凝膠的包裹，對該區域防復燃起到了關鍵作用。

圖6 觀測孔O2、CO氣體變化情況

4 結論

(1)以煤自燃4個基本條件為基礎，分析了立交結構巷道煤自燃發展的成因及防控難點。

(2)針對某礦立交結構巷道煤自燃區域，制定了以“黃泥復合膠體”充填技術為主，以“凝膠”防滅火技術為輔的治理方案。

(3)現場實施“一堵、二灌、三填、四補”的技術措施，使得風橋異常區的情況得到控制，實現了堵漏風、防復燃的目的，治理效果良好，對巷道煤自燃火災防控具有重要意義。