井筒火區綜合治理技術

王偉東

（1.中煤科工集團沈陽研究院有限公司，遼寧 撫順113122；2.煤礦安全技術國家重點實驗室，遼寧 撫順113122）

煤炭氧化自燃現象在我國礦井開采過程中普遍存在，是影響礦井安全生產的主要災害之一。由于特殊的地域條件，目前西北地區是我國煤炭資源的重要產地之一[1-2]。在西北地區，煤層埋藏淺，普遍較厚，且氣候干燥、巖石風化嚴重導致氧氣易滲入，使煤體易發生氧化自燃，最終形成大面積火區[3-5]。煤田火災將大量煤炭資源燒毀，引起地表沉降，產生大量有毒有害氣體，威脅礦井安全生產[6-8]。

1 南二井筒火區地質概況

公烏素煤礦整個井田分為2 個采區，即南采區、北采區。南采區采用斜井開拓，煤層傾角12°～25°，南采區已延伸至+930 m 標高。南采區形成前，淺部7#、9#煤層均為小窯開采，采區進、回風斜井均沿9#煤層穿過小窯采空區進行布置，貫通處兩側采用密閉封堵形成井筒。南采區原布置有021601 掘進工作面，受火區影響，現南采區采掘活動已停止。南采區布置有南副斜井、9#進風斜井和9#回風斜井3 條井筒，南采區井筒火區位置如圖1。

圖1 南采區井筒火區位置示意圖Fig.1 The sketch map of south mining shaft fire area

2 煤巖體多場耦合分析

煤田火區煤巖體變形破壞中熱力學狀態變化情況如圖2。根據非平衡熱力學理論，隨著外載能量的不斷增加，煤巖體內能也呈現增大的趨勢。煤巖體初始平衡態，稱其為穩定態[9-11]。當外載能量比較小，未能引起煤巖體內能發生較大的變化，此時煤巖體處于亞穩定態。當外載能量比較大，煤巖體偏離平衡態較遠，處于非線性非平衡區。根據耗散結構的相關理論，此時煤巖體處于不穩定的定態，易向新的定態發展。將這種不穩定的定態稱之為臨界態。隨著時間的不斷推移，煤巖體釋放出能量，失穩破壞。煤巖體由臨界態向新的定態發展，所形成的新的定態稱為新的穩定態。

圖2 煤巖體變形破壞過程中的熱力學狀態Fig.2 The thermodynamic state in the process of coal and rock deformation and failure

煤田火區內的煤體發生氧化自燃后形成充分燃燒的火源，通過熱傳導的方式由高溫區向低溫區傳熱。煤體燃燒過程中，煤體燃燒中心出現煤氧化學反應釋放大量熱量，煤體上覆巖層外載能量與其內能發生失穩，上覆巖層重力失穩，出現變形破壞，形成大量的垮落裂隙。通過這些裂隙，大氣與煤體燃燒中心連通，為煤體燃燒提供充足的氧氣，同時燃燒產生的廢氣也通過這些裂隙釋放到空氣中。由于裂隙的作用，燃燒獲得充足的氧氣不斷向前發展，煤體高溫區又通過熱傳導的方式向前傳播，從而上覆巖體形成新的裂隙為煤體燃燒供氧。因而可將這個過程看作為煤田火區中煤體在熱流固化多場耦合作用下，處于這種循環狀態的煤田火區不斷向深部發展，沿煤層走向，煤體燃燒中心不斷向深部發展的過程，屬于非控燃燒。煤田火區的動態演化過程如圖3。

圖3 煤田火區的動態演化過程Fig.3 The dynamic evolution process of coal fire area

煤田火區中煤體在燃燒過程中，根據煤體燃燒情況，可將其分為4 個區域，分別為：Ⅰ燒空區、Ⅱ燃燒區、Ⅲ松動區和Ⅳ原煤區，煤體燃燒空間分布如圖4。

圖4 煤體燃燒空間分布Fig.4 Coal combustion space distribution

Ⅰ燒空區：在該區域主要存在少量未燃燒的煤塊及大量煤體燃燒后灰燼，其上部區域存在較大的空間；Ⅱ燃燒區：在該區域存在大量破碎煤體，呈松散狀態堆積，這些煤體發生劇烈氧化反應，燃燒表面積較大；Ⅲ松動區：燃燒區煤體產生的熱量通過熱傳導的方式傳送到該區域，在高溫作用下，煤體發生熱分解，并出現破裂，釋放大量熱解氣體；Ⅳ原煤區：該區域煤體鄰近松動區，變化較小。

3 工程實踐

3.1 火區發展過程

2013 年5 月，南采區9#進風井筒南側的興達公司04 剝挖坑內的7#、9#煤層發生自燃，火區位于剝挖坑東幫所揭露的小窯空巷內。2016 年6 月19 日，南采區9#進風斜井井筒距離井口60～100 m 處墻體溫度較高，最高溫度達到42 ℃，墻體裂隙處有輕微CO 析出。6 月20 日，在距離井口76 m 處墻體最高溫度高達62 ℃，墻體析出CO 體積分數為20×10-6。地面巡查發現距離井筒30 m 處有煙氣，測定煙氣中CO 體積分數最高可達580×10-6。經現場查看，距離井筒南部92 m 處因剝挖與小窯巷道原有火區導通，導致墻體溫度升高及CO 氣體析出。

2016 年9 月起，利用人工檢測的方式對井筒高溫點進行監測。2016 年9 月—2018 年6 月，各觀測點溫度變化幅度較小，基本穩定在35 ℃，無CO 析出。2018 年7 月—2018 年8 月，各觀測點溫度呈升高趨勢，其中，1#觀測點和5#觀測點溫度上升至40℃以上。2018 年9 月1 日，9#進風斜井井筒右手幫154 m 處新增6#高溫點，6#監測點呈逐漸升高趨勢，而1#～5#觀測點溫度呈逐漸下降趨勢。2018 年12 月至2019 年1 月，各觀測點溫度基本穩定在35～60 ℃左右。2019 年4 月24 日，6#點溫度呈急劇上升趨勢。4 月25 日，6#點出現明火，火源溫度達到319 ℃。

3.2 火區治理過程及效果

3.2.1 剝挖治理

2019 年4 月28 日，南采區井筒火點采用露天剝離的方式進行治理，南采區井筒火點剝離范圍示意如圖5。

治理區南北走向約290 m，東西傾向寬約175 m，剝挖深度0～72 m，剝挖至6#火點。治理區范圍內堅硬砂巖居多，確定9#煤層底板向上10 m 為火渣剝離區，火渣剝離區向上5 m 為高溫砂巖剝離區，其他區域為常溫剝離區。11 月18 日，火區剝離治理工程正式停工。剝離坑中部距離剝挖設計深度剩余15 m，南北兩側距離設計深度剩余23 m。

圖5 南采區井筒火點剝離范圍示意圖Fig.5 The diagram of south mining shaft fire detachment range

火區剝離工程揭露了大量廢棄巷道、漏風通道等，與地面大氣溝通，形成了地下高溫氣流與地表低溫氣流的循環交換，為小窯火區的發展提供了所需要的氧氣。由于上覆煤巖層高溫不能使用炸藥爆破的方式進行剝離，只能采取機械剝離的方式，造成了剝離速度小于小窯火區的蔓延速度，受高溫巖石及停工影響，剝挖速度慢，導致火區范圍呈逐步擴大趨勢，剝挖火區已不能徹底挖出火點。

火區剝離工程停止后，為了掌握南采區井筒火區蔓延范圍，在剝挖坑東側邊坡底部施工7 個鉆孔進行探測?；饏^探測鉆孔具體參數見表1。

表1 火區探測鉆孔具體參數表Table 1 The table of specific fire detection parameters

從表1 可以看出，沿9#煤層傾向方向火區已經蔓延至9#進風井筒7#密閉小窯舊巷內，沿9#煤層走向方向火區已蔓延至9#進風井筒內并延伸至進、回風井間煤柱，尚未蔓延至9#回風井筒。

3.2.2 小窯舊巷封堵隔離

盡管小窯舊巷之間相互溝通，但并未形成通暢的漏風通道，越向小窯深部漏風越少，氧氣體積分數越低，煤氧化程度越低。隨著開采的不斷進行，火區逐漸向內部發展。因此火區進行治理時，可采用“區域隔離法”進行處理。即將火區分割成若干可控制的小的治理區域，利用注漿和挖除手段在各個小區域之間構建冷卻隔離帶。然后對各個小的區域進行快速降溫治理，以此類推完成對整個火區的治理。

2019 年11 月14 日，采用灌注無機速凝固化防滅火材料對9#進風井筒兩側-3#密閉、7#密閉連通的小窯舊巷進行封堵隔離。

1）注漿鉆孔的布置由9#進風井筒往南36 m 范圍內布置12 個鉆孔，相鄰鉆孔間隔6 m，終孔位置為3#密閉、7#密閉連通小窯舊巷內，鉆孔孔口下設5 m 套管，鉆孔編號依次為ZJ1～ZJ6、ZJ7～ZJ12。在9#進、回風井筒之間間隔6 m 施工6 個鉆孔，鉆孔終孔位置為3#密閉、7#密閉連通小窯舊巷內，鉆孔孔口下設5 m 套管，鉆孔編號依次為ZJ13～ZJ15、ZJ16～ZJ18。施工探測鉆孔3 個，鉆孔編號依次為TC1～TC3，鉆孔布置位置如圖6。

圖6 鉆孔布置位置示意圖Fig.6 The sketch map of borehole layout

2）防滅火材料灌注情況。2019 年12 月1 日，開始對9#進風井筒兩側-3#密閉、7#密閉連通的小窯舊巷灌注無機速凝固化防滅火材料進行封堵隔離。1 月18 日、19 日分別對ZJ14 和ZJ18 鉆孔灌注無機材料10.5 t 和28.5 t。2 月25 日—3 月1 日，對TC1鉆孔灌注防滅火材料43 t。累積灌注有機封堵發泡材料5 t、無機速凝固化防滅火材料628 t，ZJ1、ZJ7鉆孔灌注有機封堵發泡材料，其余鉆孔灌注無機速凝固化防滅火材料。其中：ZJ2～ZJ6、ZJ8、ZJ10、ZJ11、ZJ14 鉆孔已注滿，ZJ9、ZJ12、ZJ16、ZJ17、ZJ18 鉆孔未注滿，ZJ13、ZJ15 鉆孔尚未灌注防滅火材料。

3）灌注材料效果灌注防滅火材料后，鉆孔溫度變化情況如圖7。從圖7 可以看出，各鉆孔溫度呈下降趨勢，但仍有部分鉆孔溫度長時間保持100～120℃，分析認為封堵尚未結束，仍存在漏風通道，高溫溫度判為上部火點熱氣所致。后期仍將采取封堵措施，進行封堵，直至阻斷漏風通道，保持較低溫度。

圖7 南采區井筒火點后期治理鉆孔溫度變化曲線Fig.7 The curves of south mining area fire late governance drilling shaft temperature change

3.2.3 灌注液氮降溫惰化

根據2020 年1 月16 日，暫停南采區灌注防滅火材料，采用灌注液氮措施。1 月20 日，灌注液氮對火區進行降溫惰化，其中：ZJ13 鉆孔灌注液氮23.36 t，TC1 鉆孔灌注液氮24.6 t，4#鉆孔灌注液氮23.12 t。灌注液氮前后部分鉆孔溫度變化示意圖如圖8。

圖8 灌注液氮前后部分鉆孔溫度變化示意圖Fig.8 The schematic of the infusion liquid nitrogen before and after of part drilling temperature changes

從圖8 可以看出，灌注液氮后TC2 鉆孔溫度基本保持不變，維持在100 ℃以下。ZJ13 鉆孔溫度有明顯下降趨勢，由110 ℃降至60 ℃以下，說明該處區域有封堵效果，氮氣積存時間長，惰化降溫效果較好。TC1 鉆孔溫度有上升趨勢，由90 ℃升高至200℃以上，說明該處區域仍存在通暢的漏風通道，氮氣不易積存，惰化效果較差。

4 結 論

1）煤田火區煤體燃燒過程中，煤體燃燒中心出現煤氧化學反應釋放大量熱量，煤體上覆巖層外載能量與其內能發生失穩，上覆巖層重力失穩，出現變形破壞，形成大量的熱破壞裂隙。在熱力風壓作用下，通過裂隙場地表新鮮空氣為煤體燃燒提供充足的氧氣，同時燃燒產生的廢氣也通過這些裂隙排放到大氣環境中。

2）針對井筒大面積高溫火區，提出“區域隔離法”治理火區，實現對井筒火區的全面治理。

3）對火區鉆孔灌注防滅火材料，鉆孔溫度呈下降趨勢，但由于封堵仍未結束，存在漏風通道，仍有部分鉆孔溫度長時間保持100～120 ℃，后期仍需采取封堵措施，進行封堵。