沿空留巷采空區高水充填防滅火技術綜述研究

引言

煤炭作為我國能源穩定供應的“支柱”，一直為經濟社會進步和國家能源的安全穩定供應提供強大的支持[1]。由于我國\"富煤、缺油、少氣”的資源特性，使得我們在相當長的一段時間內都無法擺脫對煤炭的依賴。安全生產作為煤炭開采過程中最為重要的一環，隨著煤炭開采深度和強度逐漸增大，礦井地質條件愈加復雜，煤炭自燃嚴重威脅到煤炭開采安全。煤體自燃需要4個必然條件，即大量的破碎媒體堆積、良好的熱量聚集環境、充足的氧氣、一定的時間[2]。無煤柱開采的核心技術是沿空留巷技術，這是一種在工作面開采過程中，沿著采空區邊緣保留回采巷道供其他工作面使用的方法[3]。這項技術的革新對煤礦的開采具有深遠影響，它不僅能優化煤炭的使用方式、增加煤炭的產出率、延長礦井的使用年限、降低巷道的挖掘次數、取消孤島工作面并縮短搬運周期、避免火災，還能夠保障礦井的安全生產并提升礦井的技術經濟收益。其技術優勢和經濟效益十分顯著[4]。通過實施空間留巷的方式，能夠減少在井底挖掘的回采巷道的工作量。然而，這將導致從U型通風模式轉變為Y型通風模式[5]。這一通風方式能夠應對上隅角的瓦斯堆積過多的情況，會導致采空區的風流泄漏嚴重，從而為大批在采空區中破裂的煤炭提供了豐富的氧氣。學者們在國內外對井下煤體自燃的研究和探索頗為深入，主要包括填充防漏技術、均壓防火技術、注漿灌漿防火技術、噴射惰性氣體、阻化劑、三相泡沫、燃油惰性氣體以及高倍泡沫防火技術等。

一、防滅火技術發展

（一）灌漿防滅火技術

采用的主要消防材料是將水與粉煤灰混合后形成的泥槳，然后通過管道傳遞至可能引起火災的區域，以此實現消防滅火。然而，當漿液的濃度增加時，粉煤灰容易在管道內沉積，導致管道阻塞，因此需要添加懸浮劑來確保漿液的流動性[6]。灌漿技術現場圖如圖1所示。

圖1灌漿技術現場

（二）惰性氣體防滅火技術

惰性氣體防滅火，就是將二氧化碳、燃燒產生的惰性氣體與氮氣送入可能發生自燃的地區，降低氧氣濃度，抑制煤自燃。煤體對氮氣和二氧化碳的吸附作用都要大于煤體對氧氣的吸附能力，這樣就會使煤體周圍形成一種氮氣或二氧化碳所形成的隔離層，防止煤的氧化自燃。氮氣和二氧化碳的溫度都要低于自燃發火區的溫度，防止煤體氧化放出的熱量累積，達到防滅火的目的[7]。

（三）均壓防滅火技術

我國自20世紀50年代起便開始應用均壓防滅火技術，該技術原理簡單且不影響正常的安全生產，在很長一段時間內我國很多煤礦都是用這種技術來進行防滅火。這種技術在操作成本、投人成本及成果上明顯表現出了優勢，廣泛應用于現場，因此被視為一種在國內廣泛使用的預防煤炭自燃的方式。它主要利用通風來縮小采空區泄漏風口兩側的壓力差，進一步削減泄漏區域的泄漏風量，最終實現預防火災的目標[8]。

（四）阻化劑防滅火技術

在20世紀70年代，五家位于平莊的煤礦率先實施了阻化劑防滅火技術，這代表著早期的預警和預報煤炭自燃的管道系統已經基本建立起來。通過將一種或多種成分的溶液注入到容易引起煤炭自燃的采空區、煤柱裂縫等位置，可以有效地延緩煤的氧化速度，從而實現對火災的預防。阻化劑種類繁多，涵蓋了無機鹽吸水液、氫氧化鈣阻化液以及硅凝膠等。如果不對工作區域進行防護，可能導致其變得過度潮濕，從而使工作面的環境變得更加糟糕，同時生產設備也容易遭到腐蝕

（五）兩相、三相泡沫防滅火技術

這種由氮氣和二氧化碳構成的氣相和由表面活性劑溶液構成的液相，經物理發泡而形成雙相泡沫。雙相泡沫具有較大的體積、優良的流動特性。同時，其惰性能夠有效地稀釋瓦斯與氧氣，并帶走其表面的大量熱量。三相泡沫將表面活性劑和非易燃固體（如粉煤灰或黃泥）混合在水中，接著向其中注入惰性氣體（ ΔN₂ ）。利用泡沫設備產生泡沫，使得固體顆粒能夠穩定地附著在泡沫膜的表面，從而構建出一個由氣-液-固三相構成的消防設備。對比兩相泡沫和阻化泡沫，三相泡沫將固、液、氣的防火屬性完美結合，并借助不易燃的固態顆粒的包容能力、惰性氣體的封閉能力以及水的熱量散發能力，大幅提升了其防火功能[10]。

二、高水充填技術

作為一種無機物質，高水材料具有極高的耐熱性和不易燃燒的特點。它的原材料都來自大自然，經過水化硬化后，主要形成鈣礬石的結晶水合物，這樣就能防止金屬離子進人水體，從而防止水質受到污染。這款產品是一款符合環保標準的產品。此外，它在封孔注漿方面的表現也超過了傳統的水泥材料。它的特點包括高水灰比、快速的凝結速度、固結強度的穩定性，同時還具有膨脹的特性。作為一種強固化材料，高水材料流動性好，凝結迅速，抗壓強度高，并能微膨脹，便于通過灌人法直接完成封孔。

（一）作用方式

高水材料對于采空區防自燃有兩種主要的方式：在采空區巷旁建立充填切頂隔離墻，避免采空區漏風，防止工作面的氧氣進入采空區使煤體自燃；將高水材料注入到采空區中，凝結后起到惰化煤體表面、隔絕煤體和氧氣相互接觸的作用，從而防止煤體自燃。

（二）巷旁充填技術

巷旁充填不僅僅可以使采空區大量的破碎煤體與工作面的風流接觸，還可以使充填體與巷道支護系統共同抵抗頂板帶來的上覆巖層壓力，而高水充填材料具有凝結速度快、抗壓強度高等諸多優點，是井下防滅火的優良材料。當具備足夠的保護效果時，可以使位于采空區邊緣高度適中的頂部巖石快速分離出來，這有助于更深的巖層獲取來自采空區掉落的矸石和側面的煤炭的支持。此外，合理的壓縮量能夠讓充填物順應巖層的旋轉下降，避免在頂部巖層旋轉下降過程中損害周圍的充填物，以便將頂部負重向側面的煤礦和采空區的矸石進行轉移。周圍的充填技巧如圖2所示。

圖2巷旁充填技術

（三）巷旁充填材料

在過去的幾十年里，大多數在礦井底部使用的堵塞材料是價格相對便宜的常規建筑材料，如磚塊、沙子、水泥、粉煤灰等，這些物質的品種相當有限，設備也相當陳舊，技術層次相當低，這些都可能導致出現裂痕，從而降低了密封和封堵的效果。然而，現在人們已經開始采用具有良好防風性能的高水材料，這些物質被廣泛地用于制造密封墻，以抵抗風力。由于黃泥需要占用大片土地，并含有過多的水分，因此在泥槳干燥后，無法完全填補裂縫，同時其本質的穩定性也相當低，其防止滲漏的作用并不理想。由于水泥砂漿的強度極高，它在礦山的消防安全操作上受到了限制，主要體現在順槽支架的回收問題上，這導致大量的資源被浪費。火電廠產生的粉煤灰是一種工業垃圾，其來源于經過精煉的煤粉，經過高溫的懸浮燃燒，最終生成微型顆粒。然而，這些顆粒的尺寸過小，導致其防滲性能不佳。高水材料抗壓強度大，易于施工，密封效果好，在井下防風工程中常被用來作為密閉墻的首選材料。

（四）采空區注漿充填技術

采空區注漿充填就是將水和一些固體材料按一定比例混合制成的泥漿，通過管路將這些泥漿噴在采空區可能出現自燃風險的地方。這些泥漿會包裹住煤體，使它們與氧氣隔離，從而達到防滅火的效果，成本較低，操作工藝簡單。

三、高水材料防滅火原理與工藝

（一）高水材料防滅火原理

煤和氧氣接觸后會發生氧化反應，這個過程中會釋放出大量的熱量，積聚一段時間后就會引起煤炭自燃，而高水材料通過對煤體的吸熱和對空氣中氧氣的隔絕來達到防滅火的目的。

1.物理作用。吸熱降溫高水材料中的含水率可達90% ，從而起到防滅火的作用。在采空區巷旁建立由高水材料制成的隔離墻，使工作面的風無法大面積到達采空區，降低了發生氧化反應的概率。噴灑在采空區的高水材料在凝固后會形成一層“隔離膜”，將氧氣和煤體隔絕，降低了煤體與氧氣之間的氧化反應，同樣可以起到防滅火的作用。

2.化學作用。高水材料是一種新型的膠結材料，主要由硫鋁酸鹽水泥、石膏、消石灰、粉煤灰等無機材料組成。當處于高水平條件時，甲料內的CaO與 Al₂O₃ 會被水中的氫氧根離子所分解，生成含有多種離子的溶液，最終形成 Ca（ 0H）₂Al₂O₃ 的凝膠。為了避免凝固速度過快，通常會在系統內添加一些緩凝劑和強化劑。在乙料的水化過程中，鈣離子會被溶解并轉變為包括 Ca²⁺，OH^- 、S0₄²⁺ ） K⁺ 在內的各種離子的溶液。只有在與甲料混合后，才會歷經一系列復雜的過程如結晶。

（二）高水材料防滅火工藝

1.鉆孔注漿防滅火

鉆孔注漿防滅火主要為高位鉆孔防滅火和地面鉆孔防滅火兩種滅火方式。

（1）地面鉆孔防滅火。對于開采深度較淺的情況，地面鉆孔注漿是可行的。實施“利用水力沖擊沙石、利用泥漿泵抽取泥漿、利用管路傳輸”的灌漿方法，當高水材料在采空區中運轉并積聚一段時間后，利用井下的探放水鉆孔來釋放水分。這樣的步驟會不斷重復，直到漿液充滿采空區，從而將泄漏的通風巷道有效地阻塞，最終切斷火場的氧氣來源，實現了注漿滅火的效果。圖3展示了工藝流程圖。

（2）高位鉆孔防滅火.在頂板設計鉆場，通過管路從頂板向采空區需要防滅火的地方進行注漿，使高水材料充滿采空區達到防滅火的目的。高位鉆孔防滅火可以在煤層賦存較深的礦井進行施工，沒有地面鉆孔那樣的局限性，高位鉆孔也是井下抽排瓦斯的一種常用施工方式。

圖3地面鉆孔注漿工藝圖

2.埋管注漿防滅火

埋管注漿施工簡單，成本較低，但是效率低下，與高位鉆孔注漿相比無法有效抑制高位火源的進一步發展。

四、影響高水材料的因素

（一）不同水體積比高水材料的承壓表現

高水材料的兩種漿液和水混合后，會在一定時間內凝固，形成具有一定強度的固結體，固結體中的水體積甚至可以高達 97% 。但是不同的水體積比的高水固結體所呈現出的抗壓能力也是不同的。在微觀結構下高水材料的針狀與棒狀鈣礬石會相互交錯形成致密多孔的內部結構，而高水固結體強度的提高正是這種結構不斷致密化的結果。在相同的凝結時間下，隨著水體積比的增大，超高水材料內部結構由致密變為稀疏，固水能力不斷減弱，力學性能不斷降低[1]

（二）影響高水材料滲透率因素

1.超高水材料的滲透性能受到水灰比的影響。

不同水灰比，會導致高水材料漿體的初凝時間及漿體的黏度變化，進一步影響材料在煤體中的滲透性；而不同變質程度的煤樣，由于其親水性不同，高水材料在其中的滲透性也會不同。

2.高水材料的滲透性能受煤種的影響

煤種的不同煤中的碳含量也是不同的，比如褐煤低碳高水分易氧化，而無煙煤與褐煤恰恰相反不易氧化[12]。煤種的不同代表著煤的變質程度的不同，這也代表著煤的親水性能的不同，從而會影響到高水材料在煤層中滲透率的不同。通常，煤的變質程度越高，其親水性就越差，這也意味著在這種煤層中，高水分材料的滲透率會相應降低。因此，實際應用中要根據不同煤種的滲透性對水灰比進行合理調整，才能使高水材料對有自燃風險煤層的封堵效果和防滅火做出最合適的成果，在保證防滅火質量上，盡可能地降低成本。

3.高水材料的滲透性能受到煤粒度的影響

煤粒度的不同，煤表面與氧氣的接觸面積也會不一樣，發生氧化反應的程度也會有大有小，導致煤自燃發火的時間以及程度也會不同。一個關鍵的物理因素是遺煤粒度對氧化速度的影響。在相同的溫度環境中，隨著粒子尺寸的增大，氧氣消耗的速度會逐漸降低。煤樣的不同粒徑耗氧速率與粒徑之間存在負指數關系。

由于地質條件的不同，煤層中會形成各種各樣的空隙及裂隙，如此會造成漿體在煤層中的流動性差異。在不同空隙率的固態顆粒中，相同類型的流體的流動特性存在顯著的變化，其中，隨著空隙的增加，流體更易于進入煤層的深處。隨著煤體顆粒度的增大，煤層空隙率增大，高水材料在煤體中的完全封堵深度不斷增大，漏液量也不斷增多，滲透能力增強。

（三）影響高水材料凝結的因素

1.pH值對高水材料凝結性能的影響

高水材料需要正常凝結并逐漸增加強度的條件是要生成大量的鈣礬石 （3CaO?Al₂O₃?3CaSO₄?（30～32）H₂O） 高水材料中生成鈣礬石的鋁離子由甲料的硫鋁酸鹽提供，硫酸根離子由石膏和硫鋁酸鹽提供，鈣離子由石灰、硫鋁酸鹽及石膏提供。

H值對高水材料凝結性能的影響是影響各種離子的形態及濃度匹配的結果.實際上高水材料漿液的 pH 值又是通過各原材料的種類及配比、外加劑的種類及摻量來控制的.如果這些因素匹配合理就生成鈣礬石，高水材料就凝結，否則不凝結。

2.溫度對高水材料凝結時間的影響

當混合水的溫度達到 20^°C ，各種水灰比的高水材料的凝固期有著鮮明的區別：其中，水灰比的增加會導致凝固期的延長。當氣溫逐漸上升，物質的固化期也會相應減少，這主要歸功于氣溫的提升能夠刺激鈣礬石的生長。對不同溫度與不同水灰比的高水材料做了高水材料初凝時間與抗壓強度的實驗[13]。不同水溫條件下高水材料初凝時間見圖4。

圖4不同水溫條件下高水材料初凝時間

3.外加劑對高水材料凝結影響

一般來說，常見的外加劑包括減水劑、早強劑、緩凝劑以及速凝劑等。其中，速凝劑的功能在于推動它們迅速水化，以達到快速硬化和提前強化的效果。而在水量很多的前提下，常規的外加劑就不能發揮應有的效果，就要尋找符合的速凝劑來滿足工程需求。緩凝劑能夠迅速使高水材料穩定下來，防止其與水之間過早的水化反應，從而減少有效礦物質的含量。反之，速凝劑的功效恰恰相反，它的主要目標是讓物質迅速凝固，而緩凝劑的目標在于讓物質的顆粒得到足夠的分布，從而構建出一個穩定的懸浮結構[14]。另外，適量的外加劑對高水材料凝結后的強度以及耐熱性并無過大影響。

五、應用情況及效果

山東省兗州市星村煤礦在工作面兩端頭靠近老空側打設高水速凝材料隔離墻，減少了漏風，取得了良好的防滅火效果。2015年6月江蘇省徐州市沛縣三河尖煤礦對老碉進行全斷面充填，既解決了老碉周邊氧化自燃煤體被隔絕供氧有效抑制了氧化自燃煤體復燃，同時又能夠確保工作面回采過老碉期間的安全生產。此次是徐礦集團首次將高水材料應用在煤礦防滅火方面，平時多用于充填開采[15]。

六、展望

高水材料發展到現如今已有多種原料、多種條件和多種應用方式，在煤礦中使用高水材料進行防滅火還需結合采空區和工作面自身的情況，來選擇不同的種類的高水材料來保證材料可以有效且經濟地完成安全生產。我國煤礦防滅火技術經過長時間的發展已經成為世界上煤礦防滅火技術的先進行列，但煤礦中還是有很多火災問題說明這些防滅火技術并不完善，具體展望如下：

（一）材料研發與改進

高性能材料開發，研發具有更高強度、更好抗變形能力和更優耐久性的高水充填材料。目前的高水材料在抗壓強度等方面已經有了一定的性能表現，但隨著采空區地質條件的復雜性增加以及對防滅火效果要求的不斷提高，需要材料具備更強的承載能力，以更好地支撐頂板和抵抗采空區的變形，減少因材料變形或破壞導致的漏風等問題，從而提高防滅火的可靠性。 ② 環保型材料探索：考慮到煤礦開采對環境的影響，開發更加環保的高水充填材料。例如，減少材料生產過程中的能源消耗和污染物排放，或者研發可降解、對環境友好的材料，在保證防滅火效果的同時，降低材料對采空區環境的長期潛在影響。

智能化材料研究：研制具有智能響應功能的高水充填材料，能夠根據采空區的溫度、濕度、氣體濃度等環境參數的變化自動調整其性能，如在高溫環境下自動增強隔熱性能或增加阻氧能力，提高防滅火的針對性和及時性。

（二）充填工藝優化

精準充填技術，利用先進的監測技術和數值模擬手段，實現對采空區空間的精確測量和分析，從而制定更加精準的充填方案。通過優化充填位置、充填量和充填順序，確保高水材料能夠充分填充采空區的空隙，形成有效的密閉空間，減少漏風通道，提高防滅火效果。例如，采用三維激光掃描技術對采空區進行建模，根據模型數據精確指導充填施工。高效充填設備，研發和應用更高效的充填設備，提高充填作業的效率和質量。例如，開發大流量、高壓力的泵送設備，縮短充填時間，減少充填過程中的材料離析和沉淀現象；同時，提高設備的自動化程度，降低人工操作的難度和勞動強度，提高施工的安全性和可靠性。

（三）聯合充填工藝

探索高水充填與其他防滅火技術的聯合應用工藝。例如，將高水充填與注漿、注氮、噴灑阻化劑等技術相結合，發揮不同技術的優勢，形成綜合的防滅火體系。例如，在高水充填之前先進行注漿，封堵采空區的較大裂隙，然后再進行高水充填，提高充填效果；或者在高水充填后定期注氮，維持采空區的惰化環境。

（四）監測與預警系統升級

多參數監測技術，開發集成化的監測系統，能夠同時監測采空區的溫度、氣體濃度（如氧氣、一氧化碳、二氧化碳等）壓力、濕度等多個參數，并實現實時數據傳輸和分析。通過多參數的綜合監測，可以更準確地判斷采空區的火災風險，及時發現潛在的火源和自燃跡象。分布式監測網絡，構建分布式的監測網絡，在采空區內布置多個監測節點，實現對采空區不同區域的全面監測。這樣可以及時發現采空區內局部的溫度異常、氣體泄漏等問題，為采取針對性的防滅火措施提供依據。智能預警與決策支持，基于大數據分析和人工智能技術，建立智能預警模型和決策支持系統。系統能夠根據監測數據自動分析采空區的火災風險程度，預測火災的發展趨勢，并提供相應的預警信息和防滅火決策建議，幫助工作人員及時采取有效的措施，提高防滅火工作的效率和準確性。

（五）理論研究深入

防滅火機理研究：進一步深入研究高水充填防滅火的機理，包括高水材料對采空區氧氣的阻隔機制、對熱量的傳遞和吸收機制、對煤體氧化反應的抑制機制等。通過理論研究，為高水充填防滅火技術的優化和改進提供理論支持，更好地指導工程實踐。數值模擬與仿真：利用數值模擬軟件對采空區的高水充填過程和防滅火效果進行模擬和仿真，研究不同充填參數、地質條件和開采工藝對防滅火效果的影響。通過數值模擬，可以優化充填設計方案，預測采空區的火災風險，為實際工程提供參考。

（六）技術標準與規范制定

隨著沿空留巷采空區高水充填防滅火技術的不斷發展和應用，需要制定統一的技術標準和規范，明確材料性能要求、充填工藝標準、監測指標和預警閾值等，確保技術的應用效果和安全性。技術標準和規范的制定將有助于提高技術的推廣應用水平，促進煤礦安全生產。

結語

分析了采空區火災的主要成因，并指出其對礦井安全的顯著威脅。強調了高水充填材料的選擇和充填工藝在火災防控中的重要作用及其工作機制。

通過國內外研究的匯總，評估了不同高水充填技術的效果與適用性，表明其在降低火災風險和保護礦工安全方面的有效性。同時，指出了高水充填技術在環境治理中的潛在價值。從材料研發與改進、充填工藝優化、監測與預警系統升級、理論研究深入及技術標準與規范制定五個方面對未來沿空留巷采空區高水充填防滅火技術進行了展望，以促進高水充填技術的優化與更廣泛應用，推動礦區防滅火技術的發展。

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