典型鄂爾多斯盆地西南斷褶帶煤體防滅火關鍵技術研究

2022-09-14 03:53:30于貴生

中國礦業 2022年9期

于貴生

(1.中煤科工集團沈陽研究院有限公司，遼寧撫順 113122；2.煤礦安全技術國家重點實驗室，遼寧撫順 113122)

0 引言

礦井自燃火災是我國煤礦安全生產面臨的重大災害之一，其中，復雜的地質條件又對煤體自燃有著較大的影響。鄂爾多斯盆地西南斷褶帶總體呈南北向展布，北起內蒙磴口，經寧夏銀川、同心及甘肅平涼，南至陜西隴縣一帶，西抵石嘴山-青銅峽-固原西一帶，東至鹽池-環縣-平涼一線，南北長約600 km，東西寬約50 km，面積約30 000 km2。區域構造由秦祁賀三叉裂谷演化形成，受阿拉善地塊、青藏地塊和鄂爾多斯地塊擠壓和碰撞的影響，為一近南北向展布的由數條大型逆沖斷裂組成的斷褶帶，構造活動持續時間長、期次多，背斜、向斜和斷塊等構造比較發育，共發育有六盤山東麓逆斷層(F1)、古-崆-太逆斷層(F2)、川-店-賢斷層(F3)、劉-大-海逆斷層(F4)、平-銅逆斷層(F5)、頡河逆斷層(F6)、王店逆斷層(F7)。在古-崆-太逆斷層(F2)與川-店-賢斷層(F3)之間發育有安國-峽門-小灣子向斜，在川-店-賢斷層(F3)與平-銅逆斷層(F5)之間發育有平涼隆起。

該斷褶帶構造活動頻繁，后期改造強烈，煤系多被斷裂切割或剝蝕破壞，地質條件復雜。受上述地質構造強烈影響，區內自下而上發育的二疊紀、侏羅紀兩套煤系的煤體極其松軟破碎，煤體普氏硬度僅為1.5左右，區域內煤體吸氧量普遍較高，其值多在0.65～1.12 cm3/g之間，煤體自燃傾向性多為近Ⅰ類或Ⅰ類，另外褶曲結構可控制煤層中的熱量傳播，尤其是當褶曲處于背斜時，氧化產生的熱量在煤層中持續蓄積，導致降溫過程緩慢，煤層自然發火防治難度增大。

針對區域內煤體破碎松軟且極易自燃的特點，本文提出了以密集淺鉆孔壓注水溶性單組分固體粉末新型防滅火材料為主，同時強化自然發火監測的治理措施，克服了常規防滅火技術在現場應用中存在的局限性，如灌漿技術易拉溝、惰性氣體防滅火技術易受采空區漏風影響、開區壓注時氣體滯留時間短等。該材料易溶于水且溶脹特性好，固水性與熱穩定性強，充填煤體裂隙后可持續吸水降溫，具有良好的煤層自燃防治作用。

1 新型防滅火材料防滅火性能實驗

1.1 新型防滅火材料簡介

新型防滅火材料為粉末狀固體，極易溶于水。與水混合后形成膠狀物質，膠凝時間可調，一般控制在2.5～30.0 min。漿液凝結前具有良好的流動性，可實現遠距離輸送，并在設備的高壓作用下向煤巖層裂隙滲透，后續發生膠凝作用后失去流動性。該材料屬于環境友好型材料，保持降溫、隔熱性能的同時兼顧抗動壓性，同時該材料對煤巖體具有較強的附著力，在撲滅高溫煤火過程中，不易發生水煤氣爆炸[1-2]。

此外，該新型防滅火材料還具備以下特性：①超小用量，1%即點水成膠；②超強吸水，高達200倍以上；③超耐高溫，1 000 ℃以上仍能阻燃；④超高保水，含水90%以上；⑤超高穩定，10個月以上不變性。

1.2 實驗裝置與方法

1.2.1 實驗裝置

1) 脈沖量熱儀。測量程序由儀器的操作軟件自動控制，測量精度為0.1 ℃，型號為C80型。

2) 程序升溫測試系統。該系統由氣路系統、煤樣罐、程序控溫箱和溫度控制系統與數據自動采集系統構成，如圖1所示。

圖1 煤自然發火氣體產物模擬實驗裝置流程圖Fig.1 Flow chart of gas product simulation experiment device for coal spontaneous combustion

3) 真空自動絕熱銅卡量熱計。真空度為13～133 MPa，熱焓值偏差在1%。

1.2.2 實驗方法

煤升溫氧化特性實驗條件如下所述。

1) 供氣流量：100 cm3/min；

2) 升溫速率：在煤溫為25～80 ℃階段升溫速率為0.5 ℃/min；在煤溫為80～200 ℃階段升溫速率為1.0 ℃/min；在煤溫為大于200 ℃階段升溫速率為2.0 ℃/min；

3) 取樣間隔時間：20 min/次。

具體的實驗方法：制備等質量原始煤樣3份，配置不同水料比試驗煤樣(10∶1、20∶1、30∶1)，濃度為2%(質量比)，在程序升溫測試系統作用下，煤樣在溫度達到設定溫度后，將配置好的漿液通過人工方式注入煤樣內，持續觀察煤樣與漿液混合后內部溫度變化情況，分析水溶性單組分固體粉末新型防滅火材料對煤體氧化的抑制效果。

1.3 實驗過程

1) 煤樣制備。本次實驗共制備煤樣3份，每份1 kg；配置煤體自燃抑制漿液，水料比分別為10∶1、20∶1、30∶1，濃度為2%(質量比)。

2) 煤樣程序升溫。上述煤樣自25 ℃常溫條件下開始預定程序升溫，分別達到397.2 ℃、303.2 ℃和389.1 ℃，其中，原始煤樣在393.0 ℃發生自燃，氧化升溫過程中測得的煤樣表觀溫度數據見表1。

表1 煤樣氧化升溫數據Table 1 Oxidation temperature rise data of coal samples

3) 漿液壓注。將前述三個高料水配比水溶性單組分固體粉末新型防滅火材料的煤體自燃抑制漿液，在原始煤樣升至標準溫度后，通過人工方式壓注至試驗煤樣內。

4) 阻化性能與流動特性考察。觀察混合后的煤樣溫度指標變化，重點考察100 s和600 s兩個時間段內煤樣溫度狀態，溫度變化曲線如圖2所示。

圖2 不同水料比材料的阻燃抑制效果Fig.2 Flame retardant inhibition effect underdifferent water/material ratio

1.4 結果分析

由圖2可知，漿液注入后，混合煤樣溫度出現了峰值變化，主要表現在以下幾個方面。

1) 漿液注入煤樣100 s后，混合煤樣測點溫度分別降至114.2 ℃、76.4 ℃和113.1 ℃，3組實驗中各監測點溫度下降的平均值為108.4 ℃、40.4 ℃和125.3 ℃。煤樣溫度下降較為明顯，實驗結果說明本文使用的水溶性單組分固體粉末新型防滅火材料漿液對鄂爾多斯盆地西南斷褶帶破碎煤體自燃的抑制作用相當明顯。

2) 漿液注入煤樣600 s時，三組煤樣溫度進一步下降至48.6 ℃、41.6 ℃和51.2 ℃，水料比為10∶1的新型防滅火材料漿液各監測點溫度中有3處高于100 ℃；水料比為20∶1的新型防滅火材料漿液各監測點溫度僅有1處在80 ℃以上，另外7處溫度介于35～45 ℃之間；水料比為30∶1的新型防滅火材料漿液各監測點溫度中有6處介于45～55 ℃之間，2處介于68～78 ℃之間，實驗結果進一步證明了該材料的高防火性能。

3) 考察不同配比漿液的流動性，結合煤體自燃抑制效果，總體來看，水料比為20∶1時，材料防滅火性能更好，漿液對煤樣整體降溫效果明顯，實驗結果達到了預期目標。

2 現場應用

示范工作面選取華亭煤業集團某礦受鄂爾多斯盆地西南斷褶帶構造影響的綜采工作面，此工作面位于該礦+1 030 m水平一采區，主采2#煤層，平均傾角23°，煤層平均厚度5.06 m，屬于Ⅰ類容易自燃煤層。現場應用期間，本文對構造帶破碎煤體進行的發火監測以分布式光纖測溫系統為主，以常規色譜束管監測系統為輔；自燃隱患處理以淺鉆孔壓注水溶性單組分固體粉末新型防滅火材料工藝為主，具體如下所述。

2.1 斷褶帶自然發火監測預警系統

2.1.1 分布式光纖測溫工藝

分布式光纖測溫預警技術的理論基礎是光纖背向自發反斯托克斯散射原理及光時域反射原理[3-5]。示范工作面光纜埋設槽距離巷幫100 mm，深度為100 mm，寬度為50 mm，沿巷道走向敷設，光纜采用2寸鋼管保護。

2.1.2 系統功能及參數

光纖測溫系統應用C/S網絡，具有數據實時傳輸與解析等功能，系統技術指標見表2。

表2 分布式測溫系統技術指標及參數Table 2 Technical indicators and parameters ofdistributed temperature measurement system

2.2 斷褶帶自燃隱患區域防滅火技術

2.2.1 斷褶帶淺鉆孔施工

鉆孔包括監測鉆孔與注漿鉆孔兩類，在現場應用期間，累計施工鉆孔141個，其中有效孔91個，鉆孔深度為2 m，鉆桿切尖處理后兼做套管，鉆孔布置如圖3所示。

圖3 鉆孔布置示意圖Fig.3 Schematic diagram of borehole arrangement

2.2.2 水溶性單組分固體粉末新型防滅火材料直注工藝

注漿設備采用ZHJ-50型礦用防滅火注漿裝置，額定流量50 m3/h，額定壓力7 MPa，水平輸送距離400 m，設備安設地點選擇在工作面回風側3#鉆場內，接電并保證連續供水，最大程度利用礦井原有管路，注漿時每次至少連接3個鉆孔進行充填(方便鉆孔注滿或堵塞時泄壓)。

采用人工上料與機械制漿方式，即在簡易油桶內先放水，后放防滅火材料，人工攪拌均勻后由注漿設備泵送，水料比控制在20∶1左右，單孔注滿為止。為加快充填速度，單臺注漿泵條件下，2組攪拌同時作業，材料攪拌與設備泵送交替進行。作業時觀察鉆孔反漿或注漿泵壓力異常升高情況，鉆孔注滿或堵塞后及時更換鉆孔。至現場作業完畢時，累計壓注水溶性單組分固體粉末新型防滅火材料17 t，充填體積約340 m3，注滿鉆孔87個。井下作業現場情況如圖4所示。

圖4 井下作業現場Fig.4 Downhole operation site

3 應用效果分析

現場應用時，工作面生產期間若發現斷褶帶并在附近監測到自然發火隱患，則立即采取多次足量、分批壓注方式，向鉆孔內注入水溶性單組分固體粉末新型防滅火材料進行注漿充填處理[6-7]。實時監測測點溫度及CO濃度變化情況。結果表明，斷褶帶內破碎煤體最高溫度由初期的82 ℃降至26 ℃，煤體析出的CO氣體濃度由146 ppm逐步降至6ppm，預防效果十分顯著，自然發火指標變化曲線如圖5所示。