巷道煤柱自燃致災(zāi)機(jī)理及注漿滅火技術(shù)實(shí)踐

李建華，張亞潮，王凱旋，楊樂樂，楊盼盼，蔡夢(mèng)姣

(1.陜西彬長(zhǎng)大佛寺礦業(yè)有限公司，陜西 咸陽(yáng) 712200；2.西安科技大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710054；3.國(guó)家礦山應(yīng)急救援(西安)研究中心，陜西 西安 710054；4.陜西省煤炭科學(xué)研究所，陜西 西安 710001)

0 引言

礦井內(nèi)因火災(zāi)嚴(yán)重影響煤礦安全，我國(guó)90%以上的煤層為自燃或易自燃，煤炭自燃引起的內(nèi)因火災(zāi)占礦井火災(zāi)總數(shù)的85%～90%[12]。我國(guó)西部礦區(qū)每年都會(huì)出現(xiàn)由內(nèi)因火災(zāi)引起的采區(qū)CO異常、煤柱內(nèi)部出現(xiàn)高溫點(diǎn)等現(xiàn)象[3]。隨著受復(fù)雜地質(zhì)條件影響的復(fù)采區(qū)、老舊煤巷、煤柱密閉墻等處，松散遺煤多，頂板破壞嚴(yán)重且呈不規(guī)則分布，漏風(fēng)通道多源且錯(cuò)綜復(fù)雜，自然發(fā)火的問題十分凸顯[45]。而煤自燃產(chǎn)生大量的高溫有毒有害煙流和氣體，危害作業(yè)人員的生命安全，且火災(zāi)易誘發(fā)瓦斯、煤塵爆炸等重(特)大次生災(zāi)害事故[67]，嚴(yán)重制約著煤礦的健康發(fā)展和生產(chǎn)安全。

巷道煤柱易受擾動(dòng)，節(jié)理裂隙發(fā)育，嚴(yán)重破壞煤柱的完整度。煤柱被破壞后，其完整度會(huì)大大降低，這將會(huì)使漏風(fēng)量在一定時(shí)間內(nèi)迅速增加，也會(huì)導(dǎo)致煤柱的自然發(fā)火期發(fā)生變化[8]。如果巷道煤柱遇到上述情況，造成煤柱的結(jié)構(gòu)不完整，從而導(dǎo)致巷道煤柱和密閉墻漏風(fēng)量增加。因此，其氧化自燃的可能性進(jìn)一步增加，當(dāng)時(shí)間達(dá)到其自然發(fā)火期時(shí)，會(huì)使巷道煤柱發(fā)生自燃。考慮礦井防火及安全，保護(hù)巷道煤柱不被破壞，維持其完整性是非常有必要的，一旦煤柱出現(xiàn)破裂漏風(fēng)情況，應(yīng)盡快采取維護(hù)措施。

為此，結(jié)合大佛寺煤礦4號(hào)煤層膠帶大巷11#聯(lián)巷密閉墻高溫區(qū)域的實(shí)際情況，剖析巷道煤柱自燃機(jī)理、特性和治理難點(diǎn)。以期消除安全隱患，實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn)，并為類似條件礦井提供一定的借鑒。

1 巷道煤柱自燃

1.1 巷道煤柱自燃機(jī)理

巷道風(fēng)流在各種外力作用下滲透進(jìn)入煤柱，使煤體氧化放熱，煤體通過(guò)傳導(dǎo)、對(duì)流等過(guò)程向周圍環(huán)境散熱，當(dāng)煤體放熱速率大于周圍環(huán)境散熱速率時(shí)，引起巷道煤柱升溫，達(dá)到煤的著火點(diǎn)溫度時(shí)，導(dǎo)致煤柱自燃[910]。而主要影響因素為巷道煤柱所處的位置、漏風(fēng)情況、散熱條件等。

1.2 巷道煤柱自燃特性

由于火源的位置在前期不能直接被發(fā)現(xiàn)，當(dāng)技術(shù)人員發(fā)現(xiàn)在某一區(qū)域有自燃跡象時(shí)，常常會(huì)在可疑的位置以一定規(guī)律性的鉆孔，找到溫度高的地方通過(guò)注水、注漿等措施把火撲滅，煤柱自燃具有一定復(fù)雜性，且具備3方面特征[11]。一是，在有自燃傾向性的含煤巷道中、其工作面進(jìn)風(fēng)巷、回風(fēng)巷以及開切眼是最容易發(fā)生煤柱自燃的位置；二是，在巷道斷面突然縮小、突然擴(kuò)大或巷內(nèi)安設(shè)風(fēng)窗、風(fēng)門等控風(fēng)設(shè)施的地點(diǎn)是巷道自燃火災(zāi)主要發(fā)生位置；三是，巷道自然發(fā)火地點(diǎn)煤層一般為巷道高冒區(qū)、地質(zhì)構(gòu)造帶、煤體破碎以及裂隙發(fā)育區(qū)。

2 煤自燃治理區(qū)概況

大佛寺煤礦屬于高瓦斯、易自燃礦井，煤塵具有爆炸性。2018年10月17日，檢查時(shí)發(fā)現(xiàn)4號(hào)煤層膠帶大巷11#聯(lián)巷密閉墻外右側(cè)巷道幫部溫度高，表面溫度35 ℃。11#聯(lián)巷高溫區(qū)域平面圖如圖1所示，高溫點(diǎn)經(jīng)處理，密閉墻內(nèi)氣體參數(shù)已穩(wěn)定。為強(qiáng)化防滅火效果，對(duì)該區(qū)域密閉墻周幫進(jìn)行注漿堵漏，徹底封閉漏風(fēng)通道。

圖1 11#聯(lián)巷高溫區(qū)域平面Fig.1 Plan of high temperature area of 11# connecting roadway

2.1 發(fā)火原因分析

煤柱漏風(fēng)情況一般分為持續(xù)漏風(fēng)、微漏風(fēng)、間斷漏風(fēng)[12]。經(jīng)實(shí)際勘探，分析出漏風(fēng)導(dǎo)致煤自燃具體的原因主要包括3方面。一是，膠帶及1#總回11#聯(lián)巷段受采掘活動(dòng)及后期擴(kuò)巷等影響，在煤柱深部裂隙發(fā)育，存在范圍較深的漏風(fēng)帶。拆除風(fēng)門前，處于持續(xù)漏風(fēng)階段。二是，拆除11#聯(lián)巷風(fēng)門后，膠帶側(cè)及總回側(cè)閉墻壓差減小，漏風(fēng)帶范圍縮小，處于微漏風(fēng)階段。三是，1#總回、2#總回北段閉墻封閉后，需打開抽放進(jìn)行卸壓，導(dǎo)致煤柱處于間斷漏風(fēng)階段，形成“呼吸”效應(yīng)。淺部的裂隙受漏風(fēng)的影響，形成散熱帶，深部的裂隙形成氧化升溫帶，最終造成該段煤柱出現(xiàn)高溫點(diǎn)。

2.2 煤柱內(nèi)自燃“三帶”范圍確定

根據(jù)11#聯(lián)巷膠帶巷密閉墻右?guī)兔褐⑺@孔施工情況，可分析出當(dāng)鉆孔深度達(dá)到9～13.5 m，進(jìn)入高溫帶；在巷道頂部7 m，進(jìn)入高溫帶。可判斷在幫部區(qū)域9～13.5 m，頂部區(qū)域7 m，即進(jìn)入氧化升溫帶，氧化升溫帶不超過(guò)30 m；散熱帶在幫部區(qū)域范圍大于頂部區(qū)域，說(shuō)明幫部區(qū)域漏風(fēng)條件大于頂部區(qū)域。

3 注漿防控技術(shù)

3.1 注漿防滅火機(jī)理

注漿防滅火技術(shù)機(jī)理是將不燃性注漿原材料與水按一定比例混合制成懸浮液，利用靜壓或動(dòng)壓，由地面鉆孔輸送至防滅火區(qū)域。漿體材料覆蓋包裹遺煤，阻止氧氣與遺煤的接觸，進(jìn)而阻止遺煤進(jìn)一步低溫氧化或撲滅已經(jīng)發(fā)生燃燒的煤體。漿水在滲透時(shí)，由于增加了煤體的外在水分，減緩了煤體自熱氧化過(guò)程的進(jìn)一步發(fā)展，從而冷卻并降低已經(jīng)進(jìn)入自熱狀態(tài)煤炭的溫度[13]。最后，越來(lái)越多的漿體材料進(jìn)入采空區(qū)，組成較大范圍的“泥漿墻體”，可有效地阻止采空區(qū)漏風(fēng)，有害氣體的運(yùn)移作用也被減弱。

3.2 鉆孔布置

在11#聯(lián)巷7處密閉墻煤柱側(cè)中使用650鉆機(jī)向煤柱內(nèi)施工注漿孔56個(gè)，灌注各類注漿孔60個(gè)，具體注漿孔位置如圖2所示。由煤柱中部向兩側(cè)施工，開孔水平間距2 m，終孔間距5 m，鉆孔采用高低位長(zhǎng)短雙排鉆孔布置，三花眼布置方式，短孔終孔與巷幫水平間距6 m，長(zhǎng)孔30 m。

圖2 11#聯(lián)巷密閉墻注漿孔位置Fig.2 Location of grouting hole in the closed wall of 11# connecting roadway

3.3 注漿材料確定

通過(guò)查閱資料，對(duì)胡家河煤礦2#木盤川進(jìn)風(fēng)立井井筒壁間壁后注漿。采用水泥、封孔料、水玻璃作為擬注漿材料，通過(guò)不同比例制作樣品進(jìn)行對(duì)比，試驗(yàn)結(jié)果見表1，對(duì)比效果如圖3所示。

圖3 擬注漿材料30 d后效果對(duì)比Fig.3 Comparison of the effect of grouting materials after 30 days

表1 擬注漿材料對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果

最終決定，注漿材料比例確定為：前3～4桶，水泥∶封孔料∶水=1∶3∶3；最后一桶，水泥∶水玻璃∶水=1∶1∶2。

3.4 注漿工藝

水泥注漿工藝包括打孔、封孔、注漿3道工序。施工完成后的鉆孔還需用水沖洗，施工并組裝孔內(nèi)注漿管和孔口注漿管、截止閥，使用馬麗散封孔口，開始連接注漿系統(tǒng)。先使用水泥-水玻璃雙液漿注淺部孔，注漿至終壓穩(wěn)定10 min后停泵，注下一個(gè)注漿孔，淺部孔注完后，開始注深部孔。

3.5 注漿實(shí)施

累計(jì)注漿22.96 t，其中水泥13.3 t，封孔料9.76 t，水玻璃1 371.5 L，水36.4 t，注漿加固情況見表2。

表2 11#聯(lián)巷注漿加固情況

根據(jù)注漿情況可以看出，前期巷道處于持續(xù)漏風(fēng)階段、“呼吸型”的閉墻煤柱在煤柱深部裂隙發(fā)育，存在范圍較深的漏風(fēng)帶，注漿量較大。實(shí)際操作過(guò)程中，煤柱深部受裂隙的影響，圍巖應(yīng)力普遍小于泵的終壓，即使泵壓力驟增，也會(huì)很快劈裂圍巖裂隙，向深部煤柱進(jìn)行灌注。注漿期間當(dāng)泵壓力達(dá)到3 MPa仍可以進(jìn)行注漿，煤柱中部的注漿孔極端情況下泵壓力能達(dá)到8～9 MPa。前期巷道處于微漏風(fēng)甚至均壓狀態(tài)的閉墻煤柱裂隙不發(fā)育，注漿量較小。在實(shí)際操作過(guò)程中，極容易造成憋泵。處于微漏風(fēng)甚至均壓狀態(tài)的煤柱，注漿期間一般出現(xiàn)2種現(xiàn)象。從周幫錨桿出漿或很短時(shí)間內(nèi)造成憋泵；周幫出漿的注漿孔注漿量略大于迅速憋泵的鉆孔，說(shuō)明煤柱漏風(fēng)普遍存在于支護(hù)錨桿附近。

4 注漿治理效果

通過(guò)對(duì)密閉墻注漿后，對(duì)閉墻內(nèi)外氣體進(jìn)行連續(xù)觀測(cè)，繪制閉墻內(nèi)氣體參數(shù)曲線圖，如圖4～7所示。可以看出，注漿后，閉墻外不再出現(xiàn)瓦斯逸出現(xiàn)象，閉墻前瓦斯積聚現(xiàn)象未發(fā)生。閉墻內(nèi)甲烷、氮?dú)狻⒍趸嫉戎舷⑿詺怏w濃度快速增加，氧氣濃度下降，甚至消失。閉墻內(nèi)瓦斯?jié)舛龋?#輔運(yùn)>膠帶巷>1#總回≈2#總回；氧氣濃度，1#總回≈2#總回>膠帶巷≈1#輔運(yùn)。說(shuō)明煤柱逸散的瓦斯對(duì)封閉區(qū)域內(nèi)影響較弱，對(duì)1#輔運(yùn)、膠帶巷影響較大，采空區(qū)氣體更容易向1#輔運(yùn)、膠帶巷逸散。封閉區(qū)域內(nèi)氣體穩(wěn)定后，閉墻內(nèi)正壓存在，1#輔運(yùn)>膠帶巷>1#總回>2#總回，但差值不大，與閉墻外大巷氣壓成正比關(guān)系。閉墻內(nèi)氣體壓力逐漸上升，迅速變?yōu)檎龎海⒊掷m(xù)上升。閉墻內(nèi)外壓差受外界大氣壓影響有增有減，但4道閉墻的壓差變化、漲跌幅度基本相同；閉墻內(nèi)氣體濃度變化不受外界大氣壓的影響。說(shuō)明注漿后，閉墻內(nèi)封閉區(qū)基本處于穩(wěn)定的內(nèi)環(huán)境，不受外界環(huán)境影響。

圖4 11#聯(lián)巷1#輔運(yùn)密閉墻內(nèi)氣體參數(shù)曲線Fig.4 Parameter curve of gas in the closed wall of 11# connecting roadway 1# auxiliary transportation

圖5 11#聯(lián)巷膠帶巷密閉墻內(nèi)氣體參數(shù)曲線Fig.5 Curve diagram of gas parameters in the closed wall of 11# connecting roadway belt roadway

圖6 11#聯(lián)巷1#總回(南)密閉墻內(nèi)氣體參數(shù)曲線Fig.6 Curve of gas parameters in the total return (south) closed wall of 11# connecting roadway 1#

圖7 11#聯(lián)巷2#總回(南)密閉墻內(nèi)氣體參數(shù)曲線Fig.7 Curve of gas parameters in the total return (south) closed wall of 11# connecting roadway 2#

5 結(jié)論

(1)分析了巷道煤柱自燃機(jī)理與特性，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際勘探結(jié)果，得出4號(hào)煤層11#聯(lián)巷高溫區(qū)域產(chǎn)生的原因?yàn)椋耗z帶及1#總回11#聯(lián)巷段受采掘活動(dòng)及后期擴(kuò)巷等影響，在煤柱深部裂隙發(fā)育，存在范圍較深的漏風(fēng)帶，膠帶側(cè)及總回側(cè)閉墻壓差減小，漏風(fēng)帶范圍縮小，淺部的裂隙受漏風(fēng)的影響，形成散熱帶，深部的裂隙形成氧化升溫帶，最終造成該段煤柱出現(xiàn)高溫點(diǎn)。

(2)利用預(yù)注漿技術(shù)對(duì)大佛寺煤礦4號(hào)煤層11#聯(lián)巷高溫區(qū)域進(jìn)行治理，自2018年12月12日至2019年1月2日，在11#聯(lián)巷7處密閉墻煤柱側(cè)施工注漿孔56個(gè)，灌注各類注漿孔60個(gè)，注漿22.96 t，其中水泥13.3 t，封孔料9.76 t，水玻璃1 371.5 L，水36.4 t。

(3)經(jīng)注漿后，4號(hào)煤層11#聯(lián)巷內(nèi)密閉墻右?guī)兔褐邷貐^(qū)域已得到有效圍堵，密閉墻內(nèi)漿液堆積效果較好，高溫區(qū)域漿液已形成有效堆積。根據(jù)氣體監(jiān)測(cè)情況分析，原高溫區(qū)域已處于窒息狀態(tài)，并且溫度監(jiān)測(cè)表明，4號(hào)煤層11#聯(lián)巷密閉墻內(nèi)煤柱溫度已降至正常值并保持穩(wěn)定，自燃氧化已停止。