高強復合發泡材料在工作面防滅火中的應用

菅躍榮

（山西晉神沙坪煤業有限公司，山西 忻州 034000）

0 引 言

煤炭自燃引起的礦井火災是我國煤礦井下開采過程中常見的災害之一，在我國國有重點煤礦中,因煤炭自燃而引起的火災占礦井火災總數的90%～94%[1]，而工作面漏風造成采空區內遺煤自燃是煤炭自然發火的主要原因之一，因此，對工作面進行堵漏減少采空區漏風量是防治工作面采空區遺煤自燃的有效手段之一[2-3]。本文以磁窯溝煤礦10202工作面為工程背景，介紹高強復合發泡材料封堵工作面各漏風地點措施，以期減少采空區漏風量，防止采空區發生遺煤自燃引起火災事故。

1 工作面概況

10202工作面位于磁窯溝煤礦井田東南部，工作面主采10-2號煤層，煤層傾角2°～5°，平均厚度4.0 m，煤層自燃傾向性等級為Ⅱ級，自燃傾向性性質為自燃。受煤層埋深、開采方式、現場生產條件等綜合因素影響，10202工作面在回采過程中存在漏風地點主要有工作面上下隅角、相鄰工作面采空區裂隙及采空區上覆巖層地表裂隙等，針對以上漏風情況，采取高強復合發泡封堵材料進行封堵，減少采空區漏風。

2 采空區火災治理原理

采空區煤炭自然發火是由于采空區內遺落的煤炭在一定條件下發生氧化而造成燃燒，其發生自燃必須同時具備3個條件[4-5]，①有持續通風并提供充足的氧氣；②空間內容易積聚熱量；③煤炭具有自燃傾向。其中條件③是內因，無法采取措施進行改變，因此，控制流通的空氣及氧氣濃度，減少采空區漏風量是防止采空區煤炭自燃的關鍵。

煤礦井下通風系統漏風量Q1可用公式計算：

式中：△h為通風系統風路中漏風起點與終點之間的壓差，Pa；R1為漏風風路風阻，kg/m7；n為風流流態指數，在層流狀態時數值為1，在紊流狀態時數值為2，當處于兩種狀態之間的過渡態時數值處于1～2。

根據式（1）分析可知，要減少或杜絕工作面漏風量，使Q1趨近于0，可通過增大漏風風阻R1值或減小漏風起點與終點之間的壓差值△h來實現，如采取注漿封堵漏風或工作面采取均壓通風等措施。

3 注漿封堵技術

3.1 注漿封堵材料

注漿封堵材料選用高強復合發泡封堵材料，它是一種含有大量封閉氣孔的新型輕質封堵填充材料[6-7]，該材料是利用機械方式將泡沫劑通過發泡機發泡系統進行充分發泡后與水泥漿液混合均勻，然后通過注漿泵和注漿管路輸送至施工地點進行澆筑或制成模具，最后在自然養護后形成的。其主要特點是能夠在混泥土內部形成大量封閉泡沫氣孔，從而減輕混泥土重量，并具有堵漏性能。

3.2 發泡封堵材料主要技術指標

選用的高強度復合發泡封堵材料的主要技術指標為：①發泡倍數需達到5～10倍；②適用的環境溫度為15°以上；③漿液流動時長為10～30 min，在90～200 min內可凝固成型（時間可控制調節）；④發泡封堵材料發泡膨脹體積適中，封堵密閉性能好；⑤對采空區漏風區域封堵密閉效果好，封堵質量高，達到無漏風、滲水要求；⑥發泡材料與封堵區域的煤壁或矸石之間有良好的濕潤附著能力；⑦材料具有阻燃性；⑧封堵材料抗壓和抗拉伸強度高，抗壓強度不低于0.3 MPa；⑨施工操作簡單、便捷，性價比高。

3.3 工作面采空區及上下隅角注漿封堵技術

因高強度復合硅酸鹽發泡材料膨具有脹性能良好、性價比、用量少、抗靜電、阻燃性能高、施工操作簡單等優點[8]，選用該發泡材料對工作面上下隅角、采空區漏風地點及橫川進行充填密閉，快速封堵防止漏風，有效減少或杜絕采空區漏風，從而縮短了采空區氧化帶。

為防止在工作面回采過后其采空區后方橫川出現漏風現象，利用高強度復合發泡封堵系統，對橫川使用袋墻構筑密閉框架后使用高強度發泡混泥土構筑堵漏強進行密閉封堵。高強度發泡材料形成的墻體不僅能夠對漏風地點起到堵漏作用，其高強度性能還能夠起到支撐頂板、增強煤柱支撐頂板能力的作用，具有很好的實用性能。

3.4 施工工藝流程

3.4.1 系統裝備及材料

高強復合發泡系統裝備主要由注漿泵、注漿管、攪拌機、空氣壓縮機和計量磅等組成。高強復合發泡材料主要由高強水泥、調凝劑、復合發泡劑及其他輔料等構成。試驗發泡產生的效果及形成的成型效果如圖1、圖2所示。

圖1 發泡材料發泡試驗效果Fig.1 Effect diagram of foaming test foaming materials

圖2 發泡材料成型效果Fig.2 Forming effect diagram of foaming material

3.4.2 施工工藝流程

采用高強復合發泡材料對工作面采空區漏風進行封堵密閉時，其漿液配制及注漿施工工藝流程如圖3所示。

圖3 高強復合發泡材料封堵密閉施工工藝流程Fig.3 Sealing construction process of high strength composite foam material

4 應用效果分析

4.1 檢測方法

為檢測工作面采空區封堵效果，采用示蹤技術對工作面采空區漏風量進行測量，其基本原理是利用示蹤氣體質量守恒原理，即利用恒流釋放裝置放出示蹤氣體，在已知釋放的示蹤氣體濃度和流量的情況下，在巷道風流下風側設置多個氣體采集點，通過SF6氣體檢測儀對巷道風流中的示蹤氣體濃度進行檢測，若檢測到示蹤氣體濃度恒定不變，則表明通風線路沿途未出現漏風現象；若檢測到示蹤氣體濃度呈現下降趨勢，則表明沿途有漏風現象。通過對前后風流中氣體濃度的對比分析，利用公式（2）計算得出沿途漏風量，并找出沿途各地點漏風規律。

式中：△Q為兩采集點之間沿途漏風量；QA、QB分別為采樣點A和采樣點B處的風量；q為示蹤氣體初始釋放時的速率；CA、CB分別為采樣點A和采樣點B處示蹤氣體濃度。

4.2 現場檢測方案

根據10202工作面巷道布置及現場通風系統實際情況，在工作面采空區及回風巷共計布置5個示蹤氣體采集點和1個SF6示蹤氣體釋放點，采樣點布置情況如圖4所示。

圖4 1 0202工作面漏風量采樣點布置示意Fig.4 Layout of Air Leakage Sampling Points in 10202 Working Face

SF6示蹤氣體釋放點設置工作面，該位置距工作面進風巷口50 m左右，氣體連續釋放的流量設置為200 mL/min，在工作面距離氣體釋放點下風流側50 m處設置第1個采樣點，隨后每間隔30 m設置1個采樣點，共在工作面布置4個采樣點，在工作面回風巷距工作面50 m處再布置1個采樣點。在SF6氣體釋放30 min后開始從第1個采樣點向下依次采集檢測氣體濃度。

4.3 檢測結果分析

按照上述現場氣體檢測方案，采用GC-4000A型氣象色譜儀對各測點的氣體濃度進行檢測，并利用公式（3）計算出工作面漏風量和漏風率，具體情況見表1，對進入工作面采空區后又流出的風量測定結果見表2。

表1 10202工作面各采樣點處SF6氣體測定濃度Table 1 Determination of SF6 gas concentration at each sampling point of 10202 working face

表2 工作面各區段風量測定結果Table 2 Measurement results of air volume in each section of working face

式中：q為示蹤氣體釋放速率，mL/min；αi為工作面第i段處的漏風率，%；Ci+1為各采樣點處檢測的示蹤氣體濃度，%；Q為工作面總進風量，m3/min。

根據表2數據分析可知，工作面漏風量表現為中部區段大，向外逐漸減小現象，這主要是因為工作面中部區域比兩端頭空間區域的負壓大，漏入到工作面采空區內的風流從工作面中部流出，但工作面風流沿程整體漏風量由原來的130 m3/min下降至64 m3/min，地表裂縫漏風量由原來的95 m3/min降低至25 m3/min；采取堵漏措施后，增加了采空區后方風阻，從而延長了工作面漏風區段的長度，由此表明工作面采用高強度復合發泡封堵材料進行堵漏后，能夠有效減少采空區漏風量，對采空區遺煤自燃起到很好的抑制作用。

5 結 語

磁窯溝煤礦10202工作面通過采用高強度復合發泡材料對工作面通風系統沿程漏風地點進行封堵后，相比采取措施前采空區漏風量大幅度降低，工作面風流沿程整體漏風量由原來的130 m3/min下降至64 m3/min，地表裂縫漏風量由原來的95 m3/min降低至25 m3/min，有效抑制工作面采空區遺煤氧化自燃，對工作面采空區火災防治起到了良好的效果，為類似條件下礦井火災防治提供了技術參考，具有一定的推廣應用價值。