寶鼎礦區花山煤礦多誘因大范圍火區治理關鍵技術

何顏遠，龍傳富，于貴生，楊 平

（1.攀枝花煤業（集團）有限責任公司，四川 攀枝花617068；2.中煤科工集團沈陽研究院有限公司，遼寧 撫順113122；3.煤礦安全技術國家重點實驗室，遼寧 撫順113122）

在煤礦火災事故中，外因火災占有較大比例，據不完全統計，其通常情況下占重大惡性事故比例80%以上，且死于外因火災事故的人數占總數的65%[1-2]，除老舊電氣機械設備異常運行與不良保養及管理不善、火電焊明火源等因素外，近幾年，因化工材料使用與操作管理不當引起的礦井火災頻次增多，一旦發生火災其產生的大量高溫煙流與有害氣體，可嚴重危及井下工作人員的生命安全，給礦井帶來巨大災難[3-4]。

2014 年6 月28 日，寶鼎礦區花山礦4238 工作面過斷層時因充填材料使用不當引發工作面火災，且火勢因礦井正壓通風、多煤層聯合開采、復雜地質條件等多誘因條件下，逐漸蔓延形成+1 030 m 水平四采大面積隱蔽陰燃火區，傳統單一的火災防治辦法已不見成效[5]，為此以花山礦“6.28”外因火災治理工程為例，深入介紹遠距離封閉后縮封、無機材料充填、液態二氧化碳降溫冷卻[6]、注氮惰化、施工措施巷灌注粉煤灰漿[7]、陰燃火區外圍巷道充填等綜合滅火技術[8-10]、應用過程及綜合治理效果，為其他礦區類似礦井火災的治理提供借鑒。

1 礦區概況

1.1 礦區地形地質概況

礦區地勢南高北低，海拔1 002～2 518 m，區內沖溝密布、山勢較陡，局部陡崖發育，地形坡度多在25°，局部近60°，礦區地質條件復雜，突出表現在：

1）大箐向斜（S4）從礦區北部沿江溝附近延展入礦井，地層走向NNE，傾角一般25°～40°，由北往南逐漸增大，局部達70°～90°。

2）褶曲多，褶曲多呈NNE 或NE 方向展布于礦區北西及東部邊緣大蕎地組的中下部，均向南傾伏，個別褶曲在局部地段傾向西。

3）斷層發育，以逆斷層為主，正斷層次之，平推斷層很少，規模較大的斷層多分布在礦區邊緣煤系地層的中、下部，以高角度的走向或斜交逆斷層為主。

1.2 礦區內花山煤礦周邊小窯概況

礦區內花山煤礦附近原有29 個小煤礦，目前均已全部關閉，其中與花山礦直接關聯的老窯共有10個，依次為天道勤工貿灰家所一礦、圣凱煤業灰家所煤礦、揚帆工貿道中橋煤礦、揚帆工貿老花山煤礦、志森工貿羅家屋基煤礦、攀威工貿有限責任公司干巴塘煤礦、揚帆工貿半山煤礦、楊帆工貿三十九處煤礦、宜橙工貿大灣子煤礦、原沿江礦多經公司小井，所述小窯主要位于花山礦四采區北翼、五采區東翼、六采區、七采區、九采區、三采區、+900 m 水平一、二采區等。

小窯煤礦對花山礦1#～40#煤層均存在不同程度采掘活動，經多年開采，各煤礦間采空區出現連通、老窯水與煤礦導通、礦井間隔離煤柱遭到破壞、老巷與采空區裂隙增多等現象。

2 火災誘因

1）小窯開采破壞嚴重。花山礦周邊29 個小煤窯前期均對礦井40 個煤層進行過部分開采，一定程度上對花山礦正常生產、開拓部署及通風系統造成了嚴重破壞，尤其是小窯煤礦生產技術嚴重落后，越界跨層開采現象時有發生，且小窯巷道與采空區呈立體交錯分布，遺留大量浮煤，開采過程也不采取任何災害防治措施，嚴重亂采亂挖，地質與礦井開采資料不全，很難確定鄰近小煤窯巷道布置與開采情況，當小窯采煤工作面入侵到花山礦開采區域時，易與之開采巷道貫通或裂隙導通，加之通風方式“一壓一抽”，漏風難以控制，給滅火治災過程帶來嚴重負面干擾。

2）地質構造復雜。花山井田斷層、褶皺較為發育，大菁向斜（S4）貫穿整個礦區，且煤層傾角大，多煤層聯合開采，導致孔隙及裂隙等暢通，其危害性表現：①斷層是煤炭資源在形成過程中產生的一種地質構造，其形式及規模對后期鉆孔施工與注漿造成干擾；②褶皺結構起到控制煤層中熱量傳播的作用，尤其是當褶皺處于背斜時，火區產生的熱量在煤層中持續蓄積，導致降溫過程緩慢。

3）礦井正壓通風方式。花山礦采用正壓通風方式，對于克服周邊小窯礦井多，避免上覆采空區、老采空區及舊巷有毒有害氣體下泄至待采待掘工作面與巷道具有一定的積極作用，但對于花山礦“6.28”火災的綜合治理來講較為不利，巷道內正壓通風，新鮮風流順著裂隙等空間進入火區，向火區持續供氧，使火處于持續燃燒狀態，絕氧措施難以到位，同時正壓通風使漏風直通礦井總回風甚至地表，則火勢順著漏風路線逐漸蔓延，且在途徑地點形成新火源點，逐漸發展成大面積隱蔽陰燃火區。

3 火災蔓延過程與外圍陰燃火區狀態形成原因

3.1 火災蔓延過程

花山礦4238 工作面位于+1 030 m 水平四采區，主采23#煤層，平均傾角39°，煤層總厚度為3.69 m，平均采高5.06 m，屬于自燃煤層。2014 年1 月，回采揭露F1斷層，造成18#～26#架間出現傾斜長15 m、高度約16 m、沿走向深度為8 m 的高冒區，結合現場情況，對斷層附近煤體注漿；對高冒區用錨索吊鐵道鋪底、木垛接頂方式聯合控制頂板。6 月17日—6 月26 日，高冒區先后共充填天固材料20 t，因短時間內快速充填造成的熱量積聚，充填部位開始冒煙，及時用水降溫未果2 d 后，高冒充填區開始明火燃燒，雖采取調壓、控風等措施，但7 月3 日，先后發現4238 回風巷、4236 邊上山上口出現明火，且+1 218 m 車場巷道口已部分垮落，至7 月10 日，不得不對+1 030 m 水平四采火區實施遠距離大范圍封閉。后期逐漸對火區回風系統進行縮封調整，通過鎖風、縮封巷道逐步解放出+1 030 m 水平四采主石門、+1 030 m 水平四采上煤組片區巷道、4158 及4068 工作面，實現中煤組軌道上山半永久解放，也為后期進行無機材料充填、液態CO2灌注創造條件。

3.2 外圍陰燃火區狀態形成原因

燃燒學中，陰燃被定義為在一定條件下發生的無可見光的緩慢燃燒現象，其是一種自維持、不斷傳播、異相反應的放熱氧化過程，單位時間內釋放的熱量也比較小，與有焰燃燒不同，其只是在氣固相界面處燃燒，不產生火焰，煤體成熾熱狀態，因此也稱為無焰燃燒或表面熾熱型燃燒。它具有一般燃燒過程特點，同時也具有自身特點，如反應相對緩慢、產生更多有毒有害氣體、沒有火焰、潛伏期較長、不易察覺、廣泛存在于氧氣供給不足環境中，此外，在一定條件下，會向有焰火燃燒狀態轉變。

具體到花山礦+1 030 m 水平四采火區的陰燃狀態，認為其產生的原因與火區采取遠距離大范圍封閉措施后，火區與外界間漏風壓差，在周邊小窯開采破壞、層間漏風、正壓通風方式等因素長時間作用下，在一定時間內形成了弱平衡狀態，但外界向火區仍保持一定漏風供氧，導致+1 030 m 水平四采23#煤層出現陰燃現象，且不斷呈緩慢蔓延模式擴散。

4 前期大范圍火區綜合治理技術

1）火區逐步縮封。縮封火區，逐漸接近4238 工作面火區，實現火區進風側+1 030 m 與火區回風側+1 380 m 水平回風石門逐步縮封，為后期采取治災措施創造條件，具體措施為：①縮封+1 138 m 水平石門15#～21#煤層區間，恢復通風；②注漿充填4238、4246 回風巷外段巷道，噴涂處理4236 小上山與4226 運輸巷密閉、+1 138 m 水平石門至中煤組運煤上山擋風墻；③依次恢復南回風上山、+1 138 m水平石門、中煤組軌道上山巷道通風，再對+1 218 m與+1 274 m 水平中煤組車場及橋式車場密閉進行處理；④對4236 邊上山下口注漿充填，并利用4238運輸巷鉆孔向4238 工作面灌注液態CO2，并縮封+1 056 m 水平石門，采取以上措施后，火區各密閉觀測孔均為進風狀態。

2）火區內液態惰性氣體降溫與注漿充填治理技術。縮封接近4238 火區后，分別對4236 穿層石門塌陷點、4238 回風巷外段巷道、4236 運輸巷與4238 回風巷間外段隔離煤柱等3 處地點進行充填，累計填埋沙子50 m3、灌注水泥27 t、無機材料232 t，基本實現前述3 個地點的充填隔離目的。另外，考慮到盡快降低4238 工作面火區內溫度（滅火的3 種主要方法，即隔離、窒息與冷卻），由+1 030 m 水平石門向4238 運輸巷施工2 個灌注液態二氧化碳鉆孔，前后3 輪累計注液態CO22 170 t 以上。

3）大范圍火區隔離分區治理技術。通過初期的綜合治理，+1 030 m 水平四采火區逐漸蔓延形成4238 工作面火區、4238 回風巷與4246 回風巷、4236邊上山等3 個區域，針對火區分布狀態，針對性地提出火區分區隔離治理技術方案并在2018 年以后實施。該方案的核心是沿24#層掘進1 條滅火措施巷（基本與4238 回風巷上下重合，長度相當），待其到位后，施工火區觀測孔與注漿孔，并大致按照先觀測孔后注漿孔、先4238 與4246 回風巷后4236 運輸巷與4236 邊上山順序共分11 輪進行施工，包括隔離煤柱鉆孔與探查鉆孔，累計施工鉆孔143 個，其中，有效孔97 個，24#層措施巷鉆孔布置如圖1。鉆孔根據注漿效果逐步補充施工，在4238 工作面與火區回風側方向3 條巷道達到預計充填效果后，全斷面充填24#層措施巷及關聯巷道，減少正向漏風強度。4238回風巷、4236 運輸巷、4246 回風巷及相關聯絡巷實際灌漿總量為27 321 m3，遠遠大于灌漿量23 000 m3；24#層措施巷、24#層聯絡下山至+1 138 m 水平石門密閉區域實際灌漿總量為5 372 m3，遠遠大于預計灌漿量約為2 856 m3，從注漿量角度，4238 與4246 回風巷、4236 運輸巷、24#層措施巷及聯絡巷達到了全斷面充填隔離要求。半年時間，4238 工作面火區氧氣體積分數在5%以下；出水溫度在21～23℃之間，長期監測一直無CO、C2H4、C2H2等標志氣體；空氣溫度在26～28 ℃之間，則判定4238 工作面火已熄滅，同時說明3 條大巷及關聯巷道注漿充填實現了大范圍火區隔離，即4238 工作面已與回風方向蔓延火區隔離，接下來火區治理工作重點是熄滅外圍陰燃火區。

圖1 24#層措施巷鉆孔布置Fig.1 Schematic diagram of borehole arrangement in measure roadway of 24# coal seam

5 現階段陰燃火區治理關鍵技術

5.1 陰燃火區窒息封堵技術

為最大程度地實現陰燃區域窒息，且考慮下一步由地面向中煤組軌道上山大量灌漿密閉承壓問題，則對陰燃區域進風側進行強化漏風封堵，且對密閉提出更高要求，分別在中煤組軌道上山與+1 138 m水平車場建立2 道混凝土承壓密閉墻，根據密閉防滅火技術規范，結合煤礦井下防水閘門設計規范，對2 道承壓密閉墻相關參數進行計算，經計算，閉墻采用鋼筋混凝土結構；頂、底、圍巖掏槽深度1 m；墻體厚度3 m，承壓密閉墻技術參數見表1。

表1 承壓密閉墻技術參數Table 1 Technical parameters of confined wall

期間，配合高強度壓注常規氮氣等窒息措施，截止2020 年5 月底，累計注氮約3.41×106m3。

5.2 注漿充填隔離技術

隔離手段的核心思路是對中煤組軌道上山2 道混凝土承壓密閉墻以上至+1 274 m 水平車場全部充填粉煤灰復合膠體，將陰燃火區與周邊區域最大程度地隔離。

考慮到碹頭高處位于+1 200 m 水平，本著經濟治災思想，粉煤灰復合膠體只充填中煤組軌道上山+1 138 m 水平至+1 218 m 水平，同時配合大骨料堆積隔離材料凝結快、凝固后承壓強度高特點，即2種材料交替注漿充填方法充填隔離火區，外圍隔離火區治理示意圖如圖2。

圖2 外圍隔離火區治理示意圖Fig.2 Schematic diagram of management of peripheral isolated fire area

截止2020 年5 月底，中煤組軌道上山充填粉煤灰接近300 t，目前充填隔離作業仍在進行中，通過近3 個月的連續分析，25#層南翼回風上山密閉氣體化驗數據CO 體積分數由原來的2×10-5～5×10-5降至1×10-5，說明外圍陰燃火區隔離效果已初步顯現。

6 結 論

1）寶鼎礦區花山井田采取遠距離封閉與主動滅火、分區隔離治火相結合的基本思路治理+1 030 m水平大范圍陰燃火區經實踐證實是可行的。

2）+1 030 m 水平大范圍陰燃火區經采取遠距離封閉后縮封、無機材料充填、液態CO2降溫冷卻、注氮惰化、施工措施巷灌注粉煤灰漿、陰燃火區外圍巷道充填等綜合滅火技術高強度、長時間治理，火區火已逐漸熄滅，CO 體積分數控制在1×10-5以下，期間，累計注無機材料292 t；注液態CO22 350 t；注N23.41×106m3；注粉煤灰3.1×104t，目前火區治理處于收尾階段，該火區的成功治理為礦井下水平采掘接替創造了有利條件。