新型高分子材料防滅火技術研究與安全評估

秦存利 劉袁昊 李 軍

（山東科技大學安全與環境工程學院，山東 青島 266590）

凝膠防滅火技術是一種新型防滅火方法。該方法可降溫、堵漏、阻化等，能有效解決注水、灌漿的泄漏；該方法適應性強，能快速地控制火勢[1-4]。該技術具有以下特點：（1）滅火速度快。膠體擁有獨特的滅火性能，無論工作面火勢大小，都能快速滅火。（2）膠體在煤體中膠凝固化，將漏風通道堵住，有害氣體消失比較快[5-7]。（3）高溫環境下，膠體不會產生大量蒸汽，不會發生水蒸氣傷人和水煤氣爆炸事故。（4）火區啟封時間短。注膠滅火完成后，即可啟封火區。（5）復燃性低。膠體滲透的地方都不會復燃[8]。

基于以上特點，東灘煤礦1309 綜放工作面停采撤面期間，在停采工作面軌道運輸順槽、皮帶運輸順槽端頭采取打設隔離墻、噴涂封閉材料，以及在兩端頭及架間施工防滅火鉆孔壓注膠體的方式進行防滅火預處理，并進行了毒害氣體檢測與安全評估，保障了工作面的安全高效生產。

1 礦井概況

可采與局部可采煤層7 層（2、3、6、15上、16上、17、18上），平均煤層總厚12.92 m。其中主采煤層為3（局部分為3上、3下）、16上、17 煤，共厚10.58 m，占可采總厚的82%，特別是3 煤，厚度變化小、穩定，是該礦開采的主要煤層，平均厚度8.5 m。現開采煤層為3 煤層，采煤方法為一次采全高和綜合機械化放頂煤開采法，全部冒落法管理頂板。礦井確定為低瓦斯礦井，瓦斯相對涌出量為0.12 m3/t，絕對涌出量為1.64 m3/min；二氧化碳相對涌出量為1.13 m3/t，絕對涌出量為15.38 m3/min。

2 注膠防滅火工藝

（1）凝膠配比

一是水玻璃溶液。水玻璃同水的質量比為15%，由北風井制漿站配制，配制完成后通過注膠管路向井下輸送。二是添加小蘇打溶液粉末。小蘇打粉末同水玻璃溶液水的質量比在3%～5%之間，在施工地點向注膠泵溶箱內添加小蘇打粉末并攪拌均勻后壓注到注膠干管中。

（2） 注凝膠設備

注膠泵采用ZHJ-5/1.8G 型滅火注漿機，設備如圖1。

圖1 注膠設備

該設備是一種用來輸送凝膠（水+基料+促凝劑）的泵組，可通過頂部加料口將小蘇打溶液與水玻璃溶液混合后，經出液口輸送到用膠地點。

（3）注凝膠管路流線

北風井制漿站→北風井井底車場→北翼北總回→東翼總回→一采行人上山→1309 軌道運輸順槽、皮帶運輸順槽行人聯巷→注漿機（混合小蘇打）→1309 軌道運輸順槽、皮帶運輸順槽（注膠地點）。

（4）注凝工藝流程

水玻璃凝膠防滅火工藝流程圖如圖2。

圖2 水玻璃凝膠防滅火工藝流程圖

北風井制漿站人員用量杯盛取11 mL 水玻璃溶液（密度為1.36 t/m3）與40 mL 水混合，取4 g 小蘇打溶于60 mL 水中，待兩種溶液混合后，成膠時間控制在2 min 之內即為合格。每池水玻璃做好配比試驗記錄，詳細記錄配膠參數及成膠時間。

制漿池水玻璃溶液質量配比為15%，每池加水玻璃溶液為5000 kg，加水33 m3，配置水玻璃溶液為36.6 m3。

（5）管路沖水

注膠前對1309 停采面沿線注膠系統管路進行沖水工作，注膠結束后，將水沖至1309 皮帶運輸順槽停采線內，沖水量為管路容積的2 倍（272 m3）。注膠期間，連接通1309 運順密閉停采線注膠管路不再拆除，以便隨時進行管路卸壓沖水，注膠結束后將1309 運順停采線管路拆除。

（6）管路連接與注膠

注膠泵采用Φ13 mm 或Φ10 mm 高壓膠管接通地面配制好的水玻璃溶液，注膠泵出口至材料添加點采用Φ32 mm 高壓膠管連接。注膠地點干管上發出1 個分流器，分流器與鉆孔選用Φ25 mm 膠管連接。根據現場情況進行調整連接鉆孔個數，其中分流器留有1個出口觀察，進行卸壓、觀察成膠質量。

電話通知制漿站輸送水玻璃溶液，正式開始注膠前，施工人員向注膠泵溶箱內添加小蘇打粉末并攪拌，待攪拌均勻后開啟注膠泵將混合后的水玻璃溶液壓注到注膠干管中。水玻璃溶液流量控制在10～15 m3/h，注膠泵流量控制在5 m3/h，小蘇打添加量為每小時5%（約12 袋），計15～20 m3/h。注膠現場每2 h 做一次成膠試驗，根據現場成膠情況調整小蘇打添加量，確保成膠質量。

（7）SF-1 賽福特材料快速密閉

兩種液體經設備加壓用噴槍送到預填點，液體膨脹，填充煤巖空間及裂隙，具有很強的粘結性，并能與煤（巖）塊體混凝土等多種材料粘結，固化成整體，具有極強的密封堵漏（風、水）性及抗壓、抗剪切的強度。

A、B 料按1:1 配比；23（±2） ℃條件下反應時間在5～30 s 可調；反應特性：根據不同的要求制得不同的發泡倍數；抗壓強度大于0.5 MPa；粘結強度大于0.5 MPa。

將泵固定接氣源，將吸漿管插入A、B 料箱內，輸排管連接注射槍，從槍接出輸漿管，至充填地點，流程如圖3。

圖3 工藝流程圖

（8）LFM 輕型充填材料

水灰比1:0.4～0.8，一噸LFM 輕型充填材料可充填7～10 m3的空間；充填體耐壓強度0.3～1 MPa；初凝時間為20 s～120 s，1 h 后產生強度。材料如圖4。

圖4 LFM 輕型充填材料

按照水灰比1:1.5 的比例混合，利用氣動泵將混合材料經注射管噴灑到煤表。充填材料流程如圖5。

圖5 LFM 輕型充填材料防滅火工藝流程圖

3 安全性與環保性檢測方案

為了準確地測定防滅火材料在現場產生的氣體情況，取樣點盡量避開斷層、褶皺、裂隙帶等地質構造帶，盡量保持注膠后的狀態。根據井下實際狀況，布置取樣點，間距不小于50 m。取樣位置如圖6。

圖6 取樣位置確定

對1309 工作面兩端頭20 組支架所組成的2-1#與2-2#區域以及注膠花管外漏端進行氣體檢測，并取氣體回實驗室進行檢測。在噴涂SF-1 賽福特快速密閉材料和LMF 輕型充填材料期間，工作人員需要現場對1#和3#區域氣體進行檢測，并用儀器取氣體帶回實驗室檢驗。

4 氣體檢測數據及評價分析

在注水玻璃凝膠施工過程中，氣體檢測數據見表1。

表1 氣體檢測數據表

續表

根據表1 中數據分析得出，水玻璃凝膠材料在原材料存放區、混成料區、注膠位檢測的氣體值：一氧化碳最高值為0.03，二氧化碳最高數值為0.12%，二氧化氮最高數值0.040，氨最高數值0.68，二氧化硫＜0.6，硫化氫＜0.55，氧氣最低值21.2%，甲烷最高值0.045%，均未超過相關規定，符合《煤礦安全規程》第一百三十五條對井下氣體的要求。