綜放面復雜火區治理及防二次氧化技術應用研究

司衛彬

(1.徐州安云礦業科技有限公司，江蘇省徐州市，221008；2.中國礦業大學通風防滅火研究所，江蘇省徐州市，221008)

礦井火災是煤礦生產中的主要自然災害之一[1]。礦井火災不僅造成巨大的經濟損失，而且嚴重威脅井下作業人員的生命安全，其常誘發瓦斯、煤塵爆炸，進一步擴大其災難性[2]。

近年來，我國煤炭資源開采逐步向西北部發展，而西北地區煤炭變階程度低、自然發火期短、煤層厚但埋藏淺，煤自然發火現象尤為突出[3]。而廣泛采用的綜采放頂煤技術[4]和瓦斯抽采技術[5]，大幅提高了生產效率和減少了瓦斯涌出量，但也導致采空區垮冒空間大、遺煤多、漏風加劇、回撤耗時長等，易造成采空區遺煤自然發火[6-8]，進而導致工作面被迫封閉，甚至造成重特大傷亡事故。封閉工作面[9-10]會導致采煤裝備破壞，煤炭資源浪費，為礦井帶來巨大的經濟損失和重大的事故隱患，嚴重制約我國西北部煤炭資源安全高效開發[11-12]。因此，筆者以潞新公司5243綜放面末采期自燃火災防治為背景，開展了火區治理及啟封回撤防復燃的技術研究，以保障工作面的順利啟封回撤。

1 火區概況

5243工作面是+580 m水平4號煤層東翼第3個綜放面，北鄰5242采空區。工作面煤層厚12.0 m，傾角平均9 °，采高2.8 m，放煤高度9.2 m，布置走向長度1 045.0 m，傾斜長度為214.0 m。工作面采用“U”型全負壓上行通風；礦井屬于高瓦斯礦井，利用回風隅角埋管和回風巷高位鉆孔抽放治理瓦斯；4號煤層屬Ⅱ類自燃煤層，最短自然發火期為41 d，煤塵具有爆炸性。煤層底板以泥巖為主，煤層硬度系數為2.5。

5243工作面在末采收作鋪網過程中，在回風巷抽放管路中發現高濃度CO氣體(濃度達0.024 3%)，并檢測出C2H4等煤自燃高溫條件下的指標氣體。停抽后，采取灌漿、注液態CO2等防滅火措施，多處架間CO濃度仍呈持續上升趨勢，最高達0.420 0%，C2H4含量不斷增加，濃度最高達0.002 0%，且有水霧氣出現，工作面被迫封閉。為消除采空區高溫隱患，在5242、5243工作面保護煤柱內施工了1號防滅火工藝巷，利用該巷向采空區布置滅火鉆孔，通過滅火鉆孔對回風隅角采空區灌注黃泥漿、銨鹽凝膠后，封閉區內CO濃度有所下降，但內部一直存在C2H4等高溫指標氣體，亟需采取更為有效的滅火措施，消除隱患，恢復生產。

2 自然發火原因分析

(1)綜放采空區浮煤多。工作面末采鋪網期，頂煤不放落，遺煤增加，形成了兩端頭及架頂、架后采空區大量的浮煤區域。

(2)采空區漏風嚴重。工作面臨近停采線，煤柱破碎，受本采空區和上部5242采空區多源漏風的影響；工作面抽放管路沿回風巷邁步式預埋在采空區內部，在抽放負壓作用下，回風隅角側采空區形成負壓區，采空區漏風量加大，氧化帶范圍增大。上述條件為采空區遺煤氧化提供充足氧氣源。

(3)回采推進速度慢。末采鋪網期，推進十分緩慢，推進速度遠遠小于該最短自然發火期內的安全推進速度，為采空區遺煤氧化蓄熱提供充足時間，造成采空區遺煤區域出現自然發火。

根據以上自然發火原因，結合封閉前綜合指標氣體數據分析認為：因采空區鋪網期遺煤量大、漏風嚴重，末采推進緩慢，耗時長，導致工作面兩巷道氧化帶及架后3～5 m采空區出現浮煤自然發火。

3 自然發火綜合治理

3.1 治理思路

根據對自然發火原因的分析，制定了啟封前“惰化抑爆、消除潛在高溫”和啟封后“防二次氧化、控制氣體”治理思路，采取鉆孔灌注三相泡沫消除高溫隱患，輔以注氮和注液態CO2惰化、降溫抑燃，達到火區治理和安全啟封的目的，啟封后，通過上、下隅角封堵漏風，架間注膠等措施的互相配合，抑制遺煤復燃，保證順利回撤。

3.2 鉆孔施工

利用5242、5243工作面保護煤柱內施工的1號工藝巷、5244回風巷、5243專用回風巷向預測采空區危險區域施工防滅火鉆孔，鉆孔終點位置依據采空區覆巖三維(采空區自上而下的彎曲下沉帶、裂隙帶和冒落帶，以及采空區走向上的松散區和壓實區)分布狀態和上覆巖層“兩帶”的發育最大高度的預測值(約距煤層頂板10～15 m)進行布置，并根據施工現場情況進行參數調整，鉆孔布置如圖1所示。

鉆孔用DN40 mm鋼管全程下套管，前端2 m花眼，并在套管與孔壁間下放8 m長的DN15 mm鋼管作為注入封孔材料套管，而后注入封堵材料，對切頂線以下鉆孔空隙進行灌注封孔，封孔后將鉆孔及終孔點的煤體裂隙加壓封堵嚴實，對所有布置鉆孔重新采用水泥砂漿或注膠重新封堵。

圖1 滅火鉆孔布置

3.3 采空區惰化降溫

(1)在5243鉆孔施工區域破碎煤體錨噴完成后，選取1號工藝巷和專用回風巷內暫未注漿鉆孔及回風巷密閉內預埋注氮管路連續注氮，注氮量不小于600 m3/h，通過多源注氮惰化采空區，同時使采空區內部形成相對正壓狀態，減小了封閉區域的漏風。

(2)通過氣體檢測異常區域的鉆孔，灌注液態CO2，對自燃區域周圍煤巖進行降溫惰化，同時降低封閉區域內的氧氣濃度。根據計算，共向封閉區域注液態CO2約100 t，惰化氣量約60 000 m3。

3.4 三相泡沫滅火

三相泡沫是惰性氣相、固相和液相的混合物，具有惰性氣體的窒息性，黃泥的覆蓋包裹隔絕氧氣功能和水的吸熱降溫功能，具有大流量、大體積、易堆積覆蓋、易流動的特點，適于撲滅綜放大空間火災，具有高效的滅火特性。

灌注系統采用“井下添加式發泡工藝”，即地面制漿完成后通過注漿管路輸送到灌漿區域，在距鉆孔灌漿點附近，通過定量添加泵將礦用三相泡沫發泡劑添加到注漿管路中，通過預混合后經過發泡器裝置，進行充分混合發泡，然后經分配器連接多個鉆孔進行多點灌注，該工藝能有效降低漿壓，利于增強發泡效果和加大泡沫產生量。

結合礦井黃土含砂量高的實際情況，黃泥漿的水土比選用5∶1，共向采空區灌注黃泥漿5 000 m3，發泡劑52 t。

3.5 火區治理成效

在各項防滅火措施綜合實施后，對鉆孔內氣體進行連續檢測，回風巷密閉墻內及各鉆孔內CO、C2H4、C2H6等火災標志性氣體呈快速連續下降趨勢，1個月后，自燃隱患封閉區域內的氣體成分基本趨于穩定，鉆孔覆蓋疑似自燃高溫隱患區已得到有效治理，封閉區域內的氧氣濃度很快降到3.500%以下，CO濃度小于0.001%、無C2H4和C2H2，墻內水溫21.3℃左右，低于原始地溫。

4 啟封后防二次氧化

工作面啟封后，需要鋪網推進10 m至停采線后才能開始回撤，為防止在此期間采空區發生復燃，采取了封堵漏風、多源注氮惰化與注三相泡沫覆蓋相結合的防二次氧化措施。

4.1 封堵漏風

(1)上、下端頭封堵。為減少采空區漏風，降低采空區氧氣含量，在上、下隅角切頂線位置每隔2.4 m構建1道擋風墻，并在擋風墻外掛擋風簾。

(2)注膠堵漏。工作面啟封后，在進、回風巷超前支護段10 m位置的頂板和回風巷上幫側施工注膠鉆孔，通過注膠鉆孔注膠封堵裂隙，減少采空區漏風。

4.2 多源注氮惰化

在鋪網推進期間，注氮管路采用“U”型布置，沿工作面傾向在支架后尾梁敷設1趟注氮管，注氮管上開Φ15 mm花眼，注氮管路與回風巷和進風巷的注氮管路進行連通，隨工作面推進注氮管路進入采空區5 m后，開始對采空區不間斷注氮。

在工作面回撤期間，通過鋪網推進期間布置的“U”型注氮管路和防滅火鉆孔，向采空區不間斷灌注氮氣，特別是在回撤支架的過程中，為防止掩護支架后部垮落浮煤因回撤速度慢導致的氧化，隨著支架的回撤，利用掩護支架后部約10 m位置對應的1號工藝巷鉆孔跟進式注氮，注氮量不低于600 m3/h。

4.3 灌注三相泡沫防復燃

(1)高位灌漿鉆孔灌注。工作面啟封后，在回風巷煤層頂板施工高位灌漿孔，孔間距5 m，鉆孔施工深度以見矸為準，下設套管長度大于6 m，待高位灌漿鉆孔進入采空區3 m后，開始灌注三相泡沫對采空區浮煤覆蓋包裹和對上隅角附近頂板裂隙進行封堵，消除潛在遺煤氧化威脅。

(2)滅火鉆孔補充灌注。支架回撤過程中，因支架的移動，采空區將會再次漏風供氧，可能導致采空區浮煤氧化復燃，為保證支架的順利回撤，利用1號工藝巷防滅火鉆孔，對上隅角20 m范圍及支架后出現的氧化異常區域和采空區垮落浮煤進行跟蹤式灌注三相泡沫，實現對采空區遺煤的動態阻化覆蓋，消除潛在的局部遺煤氧化及復燃。

(3)架間鉆孔灌注。回撤過程中，為避免鉆孔無法覆蓋部分高溫區域，工作面回撤設備時，在上、下端頭的3架支架間各施工1個鉆孔，工作面中間段每隔5架支架施工1個鉆孔，向采空區灌注三相泡沫，保證回撤的順利進行。

5 結論

(1)滅火鉆孔內大量三相泡沫的灌注，包裹覆蓋了采空區的高位松散煤體，有效地控制了火勢的發展，起到了快速降溫阻化的作用；泡沫破滅后，黃泥覆蓋在松散煤體上，減弱了煤與氧氣的接觸，減少了煤氧復合，同時也封堵了煤體裂隙，減少了采空區漏風。

(2)封閉采空區大量多源注氮氣，提升了封閉區內部的壓力，形成相對正壓狀態，在惰化采空區的同時減少了采空區漏風。

(3)大量注入液態CO2，起到了快速降溫、惰化、抑爆的作用，也延緩了遺煤的自燃，為火區啟封創造條件。

(4)啟封后采取封堵漏風、注氮惰化和注三相泡沫覆蓋相結合的防復燃措施，有效防止了啟封后遺煤二次氧化，確保了工作面回撤工作的順利進行。