整合礦井巷道局部高溫火區(qū)治理技術研究

向劍飛，李明亮，王鑫鑫，王青祥

(1.中煤順通北祖煤業(yè)有限公司，山西朔州036900;2.中國礦業(yè)大學安全工程學院，江蘇徐州221116)

國有重點煤礦中約56%的礦井有自然發(fā)火危險，煤炭自燃引起的火災占礦井火災總數(shù)的85% ～90%。尤其對于小煤礦，由于開采方法落后，采出率低，采空區(qū)破碎遺煤多，封閉不嚴，漏風嚴重，并且開采深度較淺，上覆巖層垮落后，易形成與地面溝通的漏風通道，在長期漏風供氧條件下極易引起采空區(qū)煤炭自燃。

統(tǒng)計表明2010年存在煤層自然發(fā)火的小煤礦數(shù)量占全國自然發(fā)火礦井總數(shù)的90%以上。整合礦井幾乎都是幾個小煤礦整合而來，自然發(fā)火較為嚴重。由于小煤礦資料缺乏，開采范圍不明，自然發(fā)火區(qū)域難以確定，火區(qū)治理難度大。針對整合礦井火區(qū)治理的復雜性，需根據現(xiàn)有的探測技術和防滅火手段，結合整合礦井實際研究提出一整套完善的“探測—隔離—堵漏—治理—監(jiān)測”系統(tǒng)性防滅火方案，并將此方法運用到北組礦巷道火區(qū)治理中，取得了較好效果。

1 北組礦高溫火區(qū)概況

北祖礦是由原北祖煤礦、原觀音堂聯(lián)營煤礦、原順風煤礦以及之間的國有空白區(qū)整合而成，原順風和觀音堂聯(lián)營煤礦發(fā)生過煤炭自燃現(xiàn)象。2014年整合礦井先后發(fā)現(xiàn)2處高溫異常區(qū)域，第1處位于9209工作面運輸巷，高溫將噴漿燒透后落下高溫煤體，煤體顯現(xiàn)紅色火星，紅色煤塊不斷掉下，新露出的煤塊不斷產生紅色火點，掉下煤塊溫度170℃左右。通過球膽取樣化驗，檢測出CO氣體0.2625%，CO2氣體 5.6%，C2H6氣體 0.041%，O2氣體10%;第2處位于主井一部膠帶機架棚噴漿巷道，最高溫度約89℃，外部高溫范圍約1m2，手觸有明顯高溫發(fā)燙感覺，并且該處巷道噴漿表面有裂隙，空氣經裂隙漏入火區(qū)，通過施工鉆孔發(fā)現(xiàn)架棚段后方均為堆積浮煤，高溫區(qū)域長度為9m，鉆孔流出煤屑最高溫度為240℃。

2 “探測—隔離—堵漏—治理—監(jiān)測”治理方案

巷道高溫火區(qū)“探測—隔離—堵漏—治理—監(jiān)測”治理方案是指通過全面探測確定巷道高溫火區(qū)范圍，有效隔絕高溫火區(qū)的漏風通道，根據礦井實際選擇火區(qū)治理方法，最后全方位監(jiān)測火區(qū)治理效果的系統(tǒng)性滅火方案，該方案使整合礦井巷道局部高溫火區(qū)治理程序化和系統(tǒng)化。

2.1 高溫火區(qū)范圍及發(fā)展趨勢探測

采用體積小、攜帶方便的本安型紅外測溫儀(CWG550H)對巷道自然發(fā)火疑似區(qū)域進行探測。探測時首先在巷道高溫疑似區(qū)域按照2m的固定距離劃分經線 (1～3)和緯線 (A～L)，將經緯線交點作為溫度監(jiān)測點，如圖1所示，之后再用紅外測溫儀測定監(jiān)測點溫度，從而準確判斷出高溫火區(qū)的范圍。通過長時間探測數(shù)據，分析高溫點變化，判斷高溫范圍發(fā)展方向。

圖1 溫度監(jiān)測點布置

圖2 主井一部膠帶機尾部局部高溫區(qū)溫度分布

圖3 9209運輸巷局部高溫區(qū)溫度分布

以圖1中A1點作為坐標原點，橫縱坐標軸分別與經線和緯線平行，建立直角坐標系。根據測得的溫度數(shù)據，利用插值函數(shù)繪出主井一部膠帶機尾部及9209運輸巷局部高溫區(qū)域的溫度分布圖像分別如圖2和圖3所示。由圖2可知主井一部膠帶機尾部坐標為 (8，2)的點E2附近溫度最高，高溫區(qū)范圍為以D3(6，4)，D1(6，0)，G1(12，0)，G3(12，4)4 點為頂點的矩形區(qū)域，并且高溫區(qū)范圍隨時間推移不斷擴大，向x軸方向發(fā)展，如第1d x軸上的E1點(8，0)溫度僅為18℃，而90d后E1點溫度達到23℃。

如圖3所示，9209運輸巷前30d最高溫度點位于坐標為 (18，2)的J2點，高溫范圍為以H1(14，0)，H3(14，4)，L3(22，4)，L4(22，0)為頂點的矩形區(qū)域。然而經過60d后，出現(xiàn)新的高溫火區(qū)，高溫范圍為以 A1(0，0)，A3(0，4)，B1(2，0)，B3(2，4)為頂點的矩形區(qū)域，A1和A3點溫度分別達到44℃和42℃，但中部A2點溫度較低，僅為25℃。經過90d后，火區(qū)不斷向中部發(fā)展，A2溫度上升至33℃。

2.2 高溫火區(qū)“隔離－堵漏－治理－監(jiān)測”技術

當高溫火區(qū)范圍確定后，首先采取封堵隔離措施，減少供氧條件，防止火區(qū)進一步蔓延擴散。通過對9209運輸巷和主井一部膠帶機尾高溫點觀察，高溫范圍內為架棚噴漿巷道，在高溫影響下均出現(xiàn)裂痕，因此，對工字鋼棚上焊接鋼條加固巷道，隨后將菱形網片編織在鋼條上，最后噴灰砂漿以封堵漏風裂隙，將火區(qū)和巷道隔離開來。隔離火區(qū)并封堵漏風通道之后，結合北祖礦水源不足、高溫點位于巷道上方舊巷和采空區(qū)等實際情況，宜采用凝膠防滅火方法進行滅火。

為得到防滅火性能最優(yōu)的凝膠材料，現(xiàn)場進行了水玻璃 (硅酸鈉水溶液)、碳酸氫鈉和水配比試驗，最終得出最佳質量比例為水玻璃∶碳酸氫鈉∶水為15∶5∶80。為了確定注膠鉆孔半徑，對凝膠擴散范圍進行現(xiàn)場試驗。凝膠泵注漿壓力為2MPa，凝膠實際擴散半徑為1.5～3m。故在巷道截面上按扇形布置鉆孔，巷道兩幫肩窩各1個鉆孔，頂部2個鉆孔，并且布置多排鉆孔，每排間隔2.5m，覆蓋整個高溫區(qū)域。注漿設備選用凝膠泵，將碳酸氫鈉和水混合液與水玻璃按照最佳質量比例通過2個管路輸送至混合槍頭，混合槍頭經注漿鉆孔注入到火區(qū)進行滅火。注漿時要由深至淺步步后退。

2.3 高溫火區(qū)治理效果監(jiān)測

注凝膠過程中監(jiān)測高溫火區(qū)溫度變化，圖4為主井一部膠帶機尾監(jiān)測到的高溫范圍的最高溫度和每次凝膠注入量隨時間變化曲線。由圖4可知:當最高溫度上升時，加大凝膠注入量，則溫度明顯下降;而凝膠注入量減少時，滅火效果變差，溫度又回升，因此再次增加凝膠注入量，最高溫度則又明顯降低。由此可見實施的凝膠防滅火治理火區(qū)的效果明顯，但需密切監(jiān)測火區(qū)溫度變化，當火區(qū)溫度上升時，需加大凝膠注入量，防止火區(qū)煤體復燃。

采取凝膠防滅火技術措施后，9209運輸巷和主井尾部2處典型局部高溫火區(qū)溫度最終均降低到正常溫度，經過長時間的監(jiān)測，2處火區(qū)溫度均未再次回升，說明火區(qū)得到了有效治理。

圖4 凝膠注入量及最高溫度變化曲線

3 結論

(1)根據經驗總結提出整合礦井局部高溫火區(qū)“探測—隔離—堵漏—治理—監(jiān)測”系統(tǒng)性滅火方案，該方案具有較強的可操作性和實用性。

(2)先通過紅外線探測確定火區(qū)范圍，之后通過鉆孔向高溫火區(qū)注凝膠防滅火材料的方法可有效治理巷道局部高溫火區(qū)。

(3)采取滅火措施降低火區(qū)溫度后，仍需對火區(qū)進行較長時間的監(jiān)測，防止火區(qū)復燃和蔓延。

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