綜采面回撤新型常溫自發(fā)泡防火充填技術(shù)應(yīng)用

李向征 李洪杰

（1.中煤大屯能源有限公司姚橋煤礦，江蘇 徐州 221600；2.徐州吉安礦業(yè)科技有限公司，江蘇 徐州 221008）

在我國(guó)國(guó)有重點(diǎn)煤礦中存在煤炭自燃的礦井占礦井總數(shù)的56%，因煤炭自燃而引起的火災(zāi)占礦井火災(zāi)總數(shù)的90%～94%[1-6]。煤炭自然火災(zāi)危及人員生命、損毀機(jī)電設(shè)備、耗費(fèi)國(guó)家資源，嚴(yán)重影響著礦井的安全和持續(xù)生產(chǎn)。近年來，隨著姚橋礦開采周期的增長(zhǎng)，井下地質(zhì)條件趨于復(fù)雜，特別是放頂煤工作面回撤時(shí)期受斷層構(gòu)造影響，頂板煤體破碎易漏風(fēng)氧化，傳統(tǒng)的聚氨酯類充填材料反應(yīng)放熱量大，應(yīng)用后將進(jìn)一步加劇自燃發(fā)展，給防滅火工作帶來較大困難，為此需要研究應(yīng)用新型防滅火材料。

1 工作面概況

姚橋礦7704 綜放工作面位于東六二采區(qū)，所開采煤層為7#煤層，為Ⅱ類自燃煤層。根據(jù)礦井歷史經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，確定煤層自然發(fā)火標(biāo)志性氣體CO 臨界值為3×10-5。工作面走向長(zhǎng)度843 m，傾向長(zhǎng)度233 m，煤層平均傾角7°，煤層平均厚度5.8 m，回采期間采用U 型上行通風(fēng)方式。該工作面2019年12 月下旬開始拆除，受斷層影響，55#～102#架上方存在大量的頂煤，如圖1 所示，挑頂、打貼幫柱時(shí)出現(xiàn)多個(gè)高冒點(diǎn)，給錨頂、錨幫及拆除工作帶來較大困難。2020 年1 月中旬機(jī)巷回收完畢后構(gòu)筑通風(fēng)設(shè)施，改下行通風(fēng)，由于春節(jié)放假、疫情影響，拆除時(shí)間較長(zhǎng)，部分隱患點(diǎn)呈現(xiàn)蓄熱氧化，CO 濃度逐步升高，束管取樣達(dá)2×10-4。

圖1 7704 工作面拆除期間剖面圖

2 7704 拆除面防滅火存在的困難及治理方向

基于姚橋礦7704 工作面拆除期間頂板遺煤破碎，且已出現(xiàn)蓄熱氧化的工況背景，采用木垛或穿鋼梁處理存在較大的施工困難，且不能實(shí)現(xiàn)有效阻斷漏風(fēng)供氧的目的。采用傳統(tǒng)的聚氨酯類充填封堵材料，存在較大的安全隱患：一是聚氨酯類充填材料反應(yīng)放熱量大，大量熱量積聚將進(jìn)一步加劇煤炭自燃；二是聚氨酯類充填材料阻燃性差，存在固化泡沫聚熱自身燃燒可能性，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用存在較大應(yīng)用弊端。

針對(duì)7704 工作面拆除期間頂板遺煤破碎漏頂且已蓄熱氧化的治理背景，充填治理所需材料的技術(shù)特性方向應(yīng)為：充填材料反應(yīng)不釋放熱量，化學(xué)自發(fā)泡膨脹，阻燃性能優(yōu)，不收縮，不向周圍煤體傳遞熱量，達(dá)到本質(zhì)安全性，避免應(yīng)用過程產(chǎn)生次生隱患。

3 普瑞特Ⅱ型防滅火新技術(shù)

3.1 技術(shù)概述

普瑞特Ⅱ型防滅火新技術(shù)由A 料、B 料兩種組分按1:1 的體積比混合，經(jīng)化學(xué)發(fā)泡后生成固化泡沫體，膨脹系數(shù)15 倍以上，生成過程不產(chǎn)生熱量。產(chǎn)品發(fā)泡后呈乳化泡沫狀，初始粘度低，被注入破碎煤巖體空洞后，具有良好的擴(kuò)散及滲透性能，最終生成的固化泡沫體能夠與煤巖體形成密實(shí)的固結(jié)體。固化泡沫體中含有一定量水分，具有良好的封堵性能和吸熱降溫性能。

3.2 應(yīng)用工藝及參數(shù)

A 料和B 料通過專用設(shè)備按照1:1 的體積比添加進(jìn)制備系統(tǒng)，連接高壓管或鉆孔注入煤巖體破碎空洞區(qū)。普瑞特Ⅱ型防滅火新技術(shù)工藝流程如圖2，技術(shù)參數(shù)見表1。

圖2 普瑞特Ⅱ型防滅火新技術(shù)工藝流程圖

表1 技術(shù)參數(shù)

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用及效果

針對(duì)7704 工作面第57#至68#支架段，架頂破碎空洞區(qū)及漏頂高冒區(qū)充填應(yīng)用了普瑞特Ⅱ型常溫自發(fā)泡充填材料，施工工藝較為簡(jiǎn)單，便于操作。通過加工6 分鋼管向架頂破碎空洞區(qū)及漏頂高冒區(qū)插入固定，尾端焊接注漿變頭連接注漿設(shè)備輸出管路，通過一臺(tái)小型的氣動(dòng)雙液泵吸料輸送。材料反應(yīng)后初始狀態(tài)呈乳化狀，具備一定的流動(dòng)擴(kuò)散性，且可較快速的自膨脹發(fā)泡，發(fā)泡后泡沫體可在數(shù)秒至十幾秒內(nèi)快速初凝，失去自流動(dòng)性，具備一定的自封孔作用，最終形成的固化泡沫體可有效充填空洞及高冒區(qū)空間。該區(qū)段共布置注漿鉆孔6 個(gè)，合計(jì)注漿量2 t，充填效果較好，7704 工作面架頂遺煤自燃得到快速控制，工作面內(nèi)CO 濃度顯著降低。采取以上措施后工作面拆架回撤自然發(fā)火預(yù)兆消除，保證了工作面的安全回撤。其中57#架、68#架頂板處理前后CO 濃度數(shù)據(jù)及溫度數(shù)據(jù)見表2。

表2 CO 濃度及溫度數(shù)據(jù)

5 結(jié)論

（1）基于7704 工作面拆除期間頂板遺煤破碎，且已出現(xiàn)蓄熱氧化的工況背景，采用傳統(tǒng)木垛或聚氨酯類充填材料處理，存在較大施工困難及次生安全隱患。普瑞特Ⅱ型常溫自發(fā)泡充填技術(shù)采用創(chuàng)新性發(fā)泡技術(shù)，發(fā)泡過程和固化過程均不放熱，不向周圍環(huán)境釋放熱量；發(fā)泡后初期呈乳化狀泡沫，具有良好的流動(dòng)性、擴(kuò)散性，在破碎煤巖體內(nèi)達(dá)到理想的充填效果，固化后能夠全面充填周圍空洞及煤巖裂隙；不燃燒，也不助燃；固化后的泡沫閉孔率高，固化后的泡沫與煤巖體固結(jié)成一體，能夠有效充填空洞裂隙，具有良好的封堵性能。

（2）7704 工作面拆除期間，第57#～68#支架段架頂破碎空洞區(qū)及漏頂高冒氧化區(qū)充填應(yīng)用了普瑞特Ⅱ型常溫自發(fā)泡充填材料，充填效果較好，架頂遺煤自燃得到快速控制，工作面內(nèi)CO 濃度顯著降低，拆架回撤自然發(fā)火預(yù)兆消除，保證了工作面的安全回撤。