高瓦斯環境下“固、液、氣”三位一體防滅火技術的應用

盧 浩，何啟林，李金亮，陸 偉

(安徽理工大學 安全科學與工程學院，安徽 淮南 232001)

煤炭是我國的主要能源之一，在一次性能源消耗中其所占比例高達60%[1-4]。隨著煤炭開采向西部、北部地區延伸，易自燃煤層越來越多，煤自燃事故在煤礦安全事故中的比重也在增大。煤自燃往往會引發瓦斯燃燒與爆炸等次生事故，造成嚴重的后果。據統計，近年來煤自燃事故共導致100余人死亡、70余人重傷[5-7]。針對煤炭自燃的問題，我國科研人員研發了多種防滅火材料，主要有三相阻化泡沫、凝膠泡沫、無機固化泡沫、稠化砂漿等[8-16]。隨著礦井開采強度提高，開采深度增大，煤層自燃傾向性與煤層瓦斯含量逐漸增大，在煤層開采過程中，若發生煤層自燃往往會出現火與瓦斯共存的情況，在滅火與救災過程中極易發生瓦斯爆炸事故，因此，許多科研人員針對火與瓦斯共存的情況進行了研究。湯平等[17]針對上覆采空區自然發火的情況，基于火與瓦斯耦合區域判別法提出了全斷面噴漿、注漿鉆孔兼作泄放瓦斯孔的防滅火措施；陳強盛[18]針對瓦斯燃燒和爆炸同時存在的情況，提出了利用低洼處進行“水封”控制，以及從地面打孔灌注液態CO2的技術措施；魏海亮等[19]針對存在大量浮煤致使瓦斯濃度不斷升高的情況，提出了高位鉆孔抽放瓦斯及防滅火一體化技術、堵漏控氧、注氮相融合的治理技術體系；董強等[20]針對低透氣性自燃煤層瓦斯與火共存的問題，提出了上隅角淺部插管抽放瓦斯與篩管注氮相結合的防滅火措施。為了更好地隔離易自燃區與瓦斯聚集區，達到堵漏、隔氧、降溫、滅火的目的，筆者提出三位一體聯合防滅火技術。以中興煤礦1413工作面為例，基于降氧抑爆、降溫封堵、隔爆吸能理論，設計工作面實施“固、液、氣”三位一體聯合防滅火的具體措施，從“堵、隔、滅”三個角度出發，保證瓦斯環境下火區安全系統高效治理，提高工作人員在滅火與救災過程中的安全性，消除1413工作面的火災隱患，使其恢復安全生產。

1 工作面概況

中興煤礦1413工作面是位于采區北翼的綜放工作面，所開采煤層為4#煤層，屬于容易自燃煤層。該煤層平均傾角為5°，含夾矸1～2層。受地質構造應力的影響，頂板巖石較為破碎，結構相對復雜。此外，在該工作面東側，另有1411工作面與其相鄰。

1413工作面采用“Y”型通風系統，兩進一回，旨在解決回采工作面上隅角瓦斯超限問題，降低工作面的溫度并在一定程度上改善工作面環境。2019年2月初，采空區瓦斯抽采支管內CO傳感器突然報警，檢測到預埋孔內CO體積分數超標，故停止留墻末端的抽采工作。在隨后的2月2日至2月5日進行人工檢測，結果表明CO體積分數高達2.2×10-3，并且探查到存在一定量的CH4、C2H6，表明出現了遺煤自燃現象。為保證井下施工人員安全，需立刻構建隔爆吸能密閉墻進行封閉，以阻斷漏風通道，并在此基礎上采取抑爆與多種滅火措施聯合滅火，確保在瓦斯環境下滅火工程的安全進行。

2 “固、液、氣”三相聯合滅火

首先,在火源周邊建立具有堵漏、吸能和吸熱三位一體的防爆墻(固)，該防爆墻由板墻、磚墻及高固水滅火材料填充的密閉墻共同組成，以減少火區漏風量，并起到隔絕火源、降溫、抵抗沖擊的作用；然后，向采空區持續注氮(氣)，惰化采空區環境；最后，采取噴注漿液封堵漏風通道、高位鉆孔壓注高固水膠體(液)，進行抑爆與滅火工作。“固、液、氣”三相聯合防滅火技術的應用，可更好地實現降氧抑爆、降溫封堵、隔爆吸能的作用。

2.1 快速構筑防爆墻

由于1413工作面采空區CO氣體情況異常，因此通過采空區預埋束管對采空區內氣體(CH4、CO等)進行現場檢測和取樣化驗，氣體成分分析結果見表1。

表1 采空區氣體成分分析結果

由表1可以看出，瓦斯濃度(CH4體積分數)接近爆炸界限，因此，為防止瓦斯爆炸產生的沖擊波和有毒有害氣體等造成更大的損失，需及時對1413工作面進行密閉處理，快速構筑防爆墻，以預防事故擴大，確保礦井生產安全。該防爆墻的墻體具體施工位置如圖1所示。

圖1 1413工作面防爆墻施工位置示意圖

根據1413工作面的具體情況，建立“吸能、吸熱、封堵”三位一體的隔爆墻。首先，在需要封閉巷道處快速設立一道板墻與磚墻，中間充填高固水滅火材料形成密閉墻(如圖2所示)，該墻具有吸能和吸熱的性能，保障滅火人員工作期間的人身安全。施工的防爆墻體呈梯形狀，下底寬度不小于5 m，墻體每升高1 m，厚度收縮1 m，在墻體施工至2 m高時，呈矩形狀上升，且上頂寬度不小于2.5 m。在關閉通風孔后，利用快速密閉材料(羅克休)迅速噴涂防爆墻表面及巷道周邊，確保墻體嚴密不漏風。此外，防爆墻施工前后需在防爆墻內分別設置CH4傳感器、CO傳感器、O2傳感器及溫度傳感器進行實時監控，便于及時了解礦井環境信息，保證施工安全。

圖2 防爆墻施工結構圖

2.2 注氮

為達到治理火區快速降氧抑爆的目的，需要向采空區持續大量注氮。采用鉆孔式注氮方式，主要注氮設備是設置在東軌大巷內的2臺可移動制氮機(1 000 m3/min)。

2.2.1 注氮管路鋪設路線

注氮機→1413煤庫聯絡巷→1413運輸巷聯絡巷→1413留巷(靜壓水管與壓風管路)→1413留墻預埋孔→1413采空區。

2.2.2 初始注氮地點

根據O2體積分數變化情況，在1413工作面選取4個注氮點，如圖3所示。首先對預留巷中部的1號和留巷尾部的2號注氮點進行注氮，然后依次對3號、4號注氮點進行注氮，3號注氮點為留墻隅角，4號注氮點為進風隅角(下隅角)。

圖3 1413工作面采空區注氮點布置圖

2.2.3 后期注氮位置

通過留巷內埋設在采空區的抽采管測得采空區O2體積分數下降到8%以下時，采空區已失爆。根據探測結果，注氮口的位置需集中在火區附近，從開切眼向外每隔50 m布置1個注氮孔，共布置5個注氮孔，滅火期間持續注氮，確?；饏^周圍處于抑爆狀態。

2.3 噴注漿液與膠體滅火材料

2.3.1 噴注漿液堵漏

為了對煤體進行降溫和封堵，首先對1413材料巷留墻進行噴漿，以壓縮空氣為動力進行噴漿堵漏，噴漿厚度不小于30 mm。然后利用1413材料巷密閉預留管對1413終采線進行注漿，通過在1413運輸巷預埋管及1411材料巷打鉆對1413采空區靠近運輸巷側全面噴注漿液進行堵漏，以達到密閉及減少漏風的目的。1413工作面噴注漿液堵漏布置如圖4所示。

圖4 1413工作面噴注漿液堵漏示意圖

噴注漿液堵漏是此次滅火工作的一個重要環節，可以極大地降低火區周圍O2體積分數，阻止空氣向火區擴散，抑制遺煤的進一步自燃，破壞可燃氣體爆炸條件，防止火災擴大。

2.3.2 注高效固水強塑性防滅火膠體滅火

為達到“降溫、隔氧”的目的，需要注高效固水強塑性防滅火膠體進行滅火。為了防止災害擴大，在開切眼向終采線方向200 m范圍內，從留墻的埋管向采空區注高效固水強塑性滅火膠體材料，以達到在開切眼附近采空區形成一道固水隔離墻的目的，如圖5所示。通過采空區預埋管孔向采空區注膠，直至泵的壓力不再變化。

圖5 1413工作面固水隔離墻示意圖

膠體具有一定的流動性，在包裹遺煤之前其黏性與水相似，但隨著膠體的不斷注入，固體滅火材料會深入煤層縫隙及采空區深部，最終包裹遺煤，起到滅火作用。該膠體材料主要優勢體現在：①具備較好的固水效用，在進行滅火工作時，不會因為水煤氣的大量產生而惡化工作環境；②無毒無污染，可以大量吸水保水；③該膠體含水量達到98%以上，材料成膠后具有較好的堆積性能及強塑性；④固化時間可控，可將膠體充分壓注到著火區域，能夠較好地充填著火煤體裂隙與孔洞，使其性能發揮最大化；⑤具有較好的包容性，可包裹著火煤炭，促使燃燒體表面焦化，形成隔熱、隔氣的焦化層，以此來提高膠體的阻燃效果；⑥由于膠體本身的強塑性及良好的吸熱降溫性能，可以起到降低煤層溫度的作用。

為了高效快速滅火，設計注固水材料鉆孔。在火源上方0.5 m處施工13個高位鉆孔，鉆孔終孔位于距工作面底板上方3.1 m的垮落帶區域，水平間距0.5 m；第二排、第三排鉆孔與第一排鉆孔垂直間距0.6 m，鉆孔之間的水平間距仍為0.5 m。滅火鉆孔終孔位置布置圖如圖6所示。

圖6 火源位置及注固水材料鉆孔布置剖面示意圖

第二排、第三排鉆孔全部處在比較破碎的遺煤之中，為了確保能夠將煤的孔洞與裂縫完全包裹，達到隔氧降溫的目的，在每一個鉆孔施工完成后，需要立即安置金屬花管，采用注漿泵將高效固水強塑性防滅火膠體材料通過軟管與鉆孔花管壓注到著火區域，直到滅火膠體從鉆孔溢出。充填效果如圖7所示。

圖7 固水材料充填效果示意圖

高效固水強塑性防滅火膠體材料注入煤體后，通過埋在火區周圍的束管監測系統(見圖3)對火區環境的變化情況進行持續監測，監測結果顯示在最初的1 h內，火區中心溫度驟然下降，表明該防滅火膠體材料的注入達到了較好的效果。在滅火膠體材料注入36 h后，著火中心區煤體溫度恢復正常，表明此次煤自然發火區火勢徹底被熄滅。煤炭自燃中心區溫度變化如圖8所示。

圖8 煤炭自燃中心區溫度變化圖

根據火區情況，制訂注氮降氧、噴漿堵漏的方案，通過抽氣束管對火區周圍氣體進行監測，在注氮6 h后，火區周圍30 m范圍內O2體積分數小于8%；在確定火源位置基礎上，制訂覆蓋火源的鉆孔布置方案，利用注高效固水強塑性防滅火材料降溫隔氧，使此次煤炭自燃火區火勢徹底被熄滅。在確定火勢熄滅后，持續監測曾著火地區周圍采空區氣體體積分數與溫度，保證隨后工作面支架回撤與封閉工作安全進行。

3 結語

1)針對高瓦斯環境下的火區治理問題，提出了“固、液、氣”三相聯合防滅火的措施，基于快速堵漏、降氧抑爆、降溫滅火思路，從“堵、隔、滅”3個方面進行聯合滅火。

2)提出設置“吸能、吸熱、加固”三位一體的隔爆墻，提高井下工作的安全性，較好地完成了此次滅火工作。

3)中興煤礦1413工作面滅火實踐證明，三相聯合防滅火技術方案具有系統、快速、高效的優點，可為類似高瓦斯環境下的火區治理提供參考。