哈密一礦安全隱患治理工程防滅火工作實踐

李博，趙曉夏

（1.中煤科工集團(tuán)沈陽設(shè)計研究院有限公司，遼寧沈陽110015；2.中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶400037）

安全與環(huán)保

哈密一礦安全隱患治理工程防滅火工作實踐

李博1，趙曉夏2

（1.中煤科工集團(tuán)沈陽設(shè)計研究院有限公司，遼寧沈陽110015；2.中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶400037）

隨著露天采礦技術(shù)、設(shè)備的發(fā)展,露天可采深度不斷加大，然而露天煤礦煤層較淺引起的煤層自燃對許多露天煤礦的正常安全生產(chǎn)已經(jīng)構(gòu)成了很大的安全隱患。主要探討了褐煤露天煤礦中的防滅火方法，并介紹了新型防滅火材料在哈密一礦安全隱患治理工程中的應(yīng)用。

排褐煤露天煤礦；煤層自燃；防滅火方法；防滅火材料

0 引言

隨著我國大型露天煤礦的不斷發(fā)展，露天煤礦的煤炭自燃已經(jīng)成為礦山重大自然災(zāi)害之一，露天煤礦自燃不但浪費煤炭資源，而且還會釋放出大量的有毒有害氣體，造成環(huán)境污染，給礦山工人的身體造成傷害。因此，防滅火工作是降低煤炭資源損失，減少和消除大氣污染，保證礦山安全生產(chǎn)的重要手段。

1 工程基本情況

哈密一礦安全隱患治理工程（簡稱“本工程”）涵蓋基建和生產(chǎn)運營。設(shè)計服務(wù)年限為9年，工程境界內(nèi)剝離量10 987萬m3，可采煤量2 448萬t，平均剝采比4.5 m3/t。最大的年出煤量為4.4 Mt/a，剝離采用單斗-卡車間斷開采工藝，采煤采用輪斗挖掘機-卡車半連續(xù)開采工藝。本工程首采一分區(qū)7#煤層厚度10 m左右，煤質(zhì)為褐煤，屬于容易自燃煤層，鄰近礦井開采情況表明，自燃危險性大，最短自然發(fā)火期30 d左右。為了實現(xiàn)首采一分區(qū)的安全開采，根據(jù)一分區(qū)的基本情況和工程設(shè)計，以“降低成本、技術(shù)有效”為原則，提出了以“噴防火材料+監(jiān)測監(jiān)控”為主的防滅火技術(shù)路線。

2 防滅火技術(shù)路線

根據(jù)本工程煤層賦存條件和自燃特性，結(jié)合剝離回采回填工程開采工藝，形成適合本工程災(zāi)害綜合治理的自燃綜合防治技術(shù)：以礦用新型無機防滅火材料噴涂覆蓋隔熱隔氧防火為主，灑水降溫、高溫點處理為輔，預(yù)防為主、防治結(jié)合[1]。

項目總體技術(shù)路線為對剝離回采工程需回采的煤層進(jìn)行自燃特性實驗研究，并在前期結(jié)合采掘工藝和進(jìn)度計劃進(jìn)行自燃危險性分析；在邊幫煤層邊坡形成后，首先進(jìn)行邊坡清理、平整邊幫，然后噴涂礦用新型無機防滅火材料，隔絕了煤層的氧化反應(yīng)，防止在氧化過程中不斷積熱助氧化[2]，同時預(yù)埋溫度監(jiān)測裝置進(jìn)行嚴(yán)格的監(jiān)測監(jiān)控；在剝離回采工程內(nèi)排回填階段，利用排土工程中的黏土、細(xì)砂層對防滅火噴涂層進(jìn)行墊層保護(hù)。

3 噴涂實驗

3.1 實驗內(nèi)容

實驗包含2項內(nèi)容，分別為堆煤實驗和煤幫噴涂實驗。堆煤實驗即按要求準(zhǔn)備3個煤堆，其中一堆為自然堆放，另兩堆為碾壓堆放，分別完成自然堆放煤堆和碾壓堆放噴灑MgCl2水溶液煤堆最短自然發(fā)火期觀測、碾壓堆放煤堆噴涂防滅火材料后的防火效果考察。煤幫噴涂實驗即按要求準(zhǔn)備一個實驗煤坑，分區(qū)域噴涂厚度為2 cm、5 cm和10 cm防滅火材料，考察不同涂層厚度與防火效果的關(guān)系，最終確定最經(jīng)濟可行的噴涂厚度。

3.2 實驗?zāi)康?/p>

通過以礦用新型無機防滅火材料噴涂覆蓋為主的防火方案的現(xiàn)場實驗，優(yōu)化施工工藝，根據(jù)實驗效果，優(yōu)化方案降低成本[3]，并對以下工作進(jìn)行考察：

1）確定合理的噴涂工藝，保障施工簡捷，涂層厚度均勻、有效密封覆蓋；

2）評估干燥高溫多風(fēng)氣候條件下材料防火性能，并根據(jù)需要調(diào)整材料配比，優(yōu)化材料性能；

3）考察不同噴涂厚度防火效果，確定經(jīng)濟可行的噴涂厚度；

4）觀測自然堆放和噴灑MgCl2水溶液煤堆最短自然發(fā)火期，考察現(xiàn)場氣候條件下MgCl2的阻化性能，增加防滅火手段；

5）考察剝離回采回填工藝對自燃防治工藝影響，以及爆破震動對涂層的影響，包括涂層是否出現(xiàn)裂縫、松動滑落等現(xiàn)象；

6）現(xiàn)場取樣密封進(jìn)行實驗室煤自燃特性實驗測試，為防滅火措施提供依據(jù)。

3.3 堆煤實驗

堆煤實驗共準(zhǔn)備3個煤堆，主要完成3個實驗，包括自然堆放觀測最短自然發(fā)火期、碾壓堆放噴涂防火材料、碾壓堆放噴灑MgCl2水溶液。每個煤堆中部均埋設(shè)一組溫度傳感器及導(dǎo)氣管，用以監(jiān)測煤堆內(nèi)部溫度及CO變化情況。2014年5月19日開始監(jiān)測，其中1#為自然堆放煤堆；2#為碾壓堆放噴灑MgCl2水溶液煤堆；3#為碾壓堆放噴涂防火材料煤堆。煤堆內(nèi)部溫度及CO變化趨勢如圖1和圖2所示。

圖1 煤堆內(nèi)部溫度變化趨勢圖

圖2 煤堆CO變化趨勢圖

圖3 煤幫平面圖

3.4 煤幫噴涂實驗

煤幫暴露時間為2014年5月15日，煤幫平面如圖3所示。5月20日開始煤幫噴涂實驗，5月25日結(jié)束，除去22日和23日2 d沙塵天氣影響暫停施工外，共用時4 d，完成噴涂面積251 m2，用料12.45 t，區(qū)域噴涂實驗參數(shù)見表1。

表1 區(qū)域噴涂實驗參數(shù)

經(jīng)試驗，在沒有錨網(wǎng)的條件下，材料漿液能夠與邊幫煤層完好的粘結(jié)在一起，最終決定可省去掛網(wǎng)工序，直接噴涂。然后，用高壓水沖洗邊幫浮煤及松動的碎煤塊，并對所有預(yù)噴涂表面灑水，濕潤濕透煤粉，增加材料與表面的粘結(jié)性[4]。

按照煤幫噴涂實驗的3種不同噴涂厚度，設(shè)置5組監(jiān)測點，每組測點由溫度傳感器和導(dǎo)氣管組成，用于實時監(jiān)測涂層內(nèi)溫度及CO氣體的變化情況，用以判斷涂層下煤體的氧化升溫情況。測點具體布置參數(shù)如圖3。表面處理前，圍繞煤坑不同噴涂厚度區(qū)打檢測孔，孔深2 m，孔徑42 mm，用于放置導(dǎo)氣管及溫度傳感器，并用DN25無縫鋼管作為保護(hù)套管，孔口夯實密閉，煤層破碎區(qū)域采用水泥砂漿封孔。通過溫度傳感器讀數(shù)確認(rèn)煤層內(nèi)部溫度的實時數(shù)據(jù)；通過氣泵抽出導(dǎo)氣管內(nèi)氣體，經(jīng)便攜儀檢測孔底CO等防滅火指標(biāo)氣體的變化情況。測點內(nèi)部溫度及CO變化趨勢如圖4—圖9所示。

圖41 #測點溫度變化趨勢圖

圖52 #測點溫度變化趨勢圖

圖63 #測點溫度變化趨勢圖

圖74 #測點溫度變化趨勢圖

圖85 #測點溫度變化趨勢圖

圖9 各測點CO變化趨勢圖

3.5 實驗結(jié)論

通過堆煤和煤幫實驗，考察了在干燥高溫、晝夜溫差較大等氣候條件下礦用新型無機防滅火材料的防火性能和MgCl2的阻化性能，獲得了工藝、施工等方面的重要經(jīng)驗，得出了經(jīng)濟可行的噴涂厚度數(shù)據(jù)。

3.5.1 對材料性能的考察

1）根據(jù)堆煤實驗監(jiān)測情況分析，噴涂防滅火材料煤堆在涂層包裹封閉下，由于微供氧作用，長期處于緩慢氧化平衡過程中，煤堆內(nèi)部溫度和CO濃度基本保持穩(wěn)定，并在長期時間內(nèi)保持恒定[5]。煤堆噴涂防滅火材料形成結(jié)殼密封包裹體，可作為大型煤場的防火手段。

2）根據(jù)煤幫實驗監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，涂層下的溫度長期保持在恒溫狀態(tài)，隔絕了外界溫度影響，保證了煤體內(nèi)部低溫缺氧環(huán)境，阻礙了煤體氧化進(jìn)程；在微漏風(fēng)作用下，涂層下煤體長期保持著低溫緩慢氧化，產(chǎn)生了少量CO氣體，并在長期供氧、耗氧平衡中基本保持穩(wěn)定。上述的這些基本特征在長時間內(nèi)一直處于穩(wěn)定狀態(tài)。

3）在戈壁灘惡劣的氣候條件下，礦用新型無機防滅火材料仍表現(xiàn)出良好的隔熱性，較強的粘結(jié)性和密閉性，能夠?qū)γ后w起到良好的密封保護(hù)作用，延緩煤體氧化進(jìn)程。經(jīng)考察，噴涂該材料能夠作為邊幫煤層防火的主要手段。

4）夏季的戈壁灘晝夜溫差較大，熱脹冷縮作用明顯，涂層出現(xiàn)一些裂縫在所難免。經(jīng)實驗考察，較小裂縫對涂層防火的整體性基本不存在影響[6]。

5）經(jīng)實驗驗證，煤壁不必掛錨網(wǎng)，可直接向煤壁噴涂防火材料，煤壁與材料能夠緊密的粘結(jié)成整體。受實驗坑尺寸影響，長期放炮震動作用下涂層是否開裂和大面積滑落，有待在后續(xù)工程中進(jìn)一步考察。

3.5.2 對MgCl2阻化性能的考察

經(jīng)噴灑MgCl2水溶液實驗，煤堆表層有晶體析出，保濕固水現(xiàn)象不明顯，雨后表層濕潤可維持一段時間；其阻化性能沒有直接數(shù)據(jù)和表觀現(xiàn)象體現(xiàn)。建議在后續(xù)工程中噴灑MgCl2水溶液后，定時灑水保濕。

3.5.3 對最短自然發(fā)火期的考察

實驗期間，現(xiàn)場取了2份煤樣送實驗室檢測，鑒定結(jié)果為：自燃傾向性分別為Ⅰ類容易自燃煤層和Ⅱ類自燃煤層；最短自然發(fā)火期分別為35 d和49 d。

4 礦用新型無機防滅火材料噴涂施工

4.1 防火機理

1）材料本身不燃，使被保護(hù)煤體不直接與空氣接觸，延遲物體著火和減少燃燒的速度，它還具有較低的導(dǎo)熱系數(shù)，可以延遲火焰溫度向被保護(hù)煤體的傳遞[7]。

2）固結(jié)后的材料在高溫下受熱分解出不燃惰性氣體，沖淡被保護(hù)物體受熱分解出的可燃性氣體，使之不易燃燒或燃燒速度減慢。

3）該材料受熱膨脹發(fā)泡，形成碳質(zhì)泡沫隔熱層封閉被保護(hù)的物體，延遲熱量與基材的傳遞，阻止物體著火燃燒或因溫度升高而造成的強度下降。

4.2 噴涂厚度

依據(jù)前期噴涂實驗結(jié)果，兼顧可行性和經(jīng)濟性的原則，本工程設(shè)計噴涂厚度30 mm，也可根據(jù)現(xiàn)場情況調(diào)整。對于破碎區(qū)域、高溫易燃區(qū)域等可適當(dāng)增加噴涂厚度，保證包裹覆蓋的密實性。由于施工現(xiàn)場氣候干燥，風(fēng)力及晝夜溫差較大，熱脹冷縮容易造成涂層開裂，本工程將開裂寬度30 mm定為影響防火效果的指標(biāo)。小裂隙對防火的整體性影響較小，可不必處理，但超過30 mm的大裂隙必須補噴，確保防火效果在可控范圍內(nèi)。

4.3 煤層防火施工

4.3.1 煤面平整

1）施工準(zhǔn)備。隨著工作幫的推進(jìn)，邊幫煤層切面應(yīng)及時處理成設(shè)計坡面，以便盡早開展防滅火施工。

2）邊坡清理平整。在邊幫邊坡成型后，首先進(jìn)行邊坡清理、平整。邊坡清理工作自上而下，將松動的浮石、浮煤、矸石逐一清理干凈，最后利用水力沖刷的方式?jīng)_洗邊坡。邊坡清理工作應(yīng)特別注意浮煤的清理，減小自然發(fā)火隱患。

3）臺階平面平整。煤臺階平面成型后，對其進(jìn)行平整處理，除去表面煤塊、煤矸等塊狀物，并灑水將表層的浮煤灰浸透壓實。在必要的情況下，較深的空洞首先進(jìn)行補平，對局部裂隙較為發(fā)育區(qū)域采用挖填夯實的方式處理。

4.3.2 隔氧降溫施工

1）非工作幫隔氧降溫施工。非工作幫煤層邊坡平整完畢后，噴涂防滅火材料。施工中，向煤層頂、底板延伸噴涂0.5 m，必要的情況下適當(dāng)加寬，巖層破碎區(qū)域根據(jù)實際情況增大涂層控制范圍。噴涂結(jié)束后，對涂層進(jìn)行檢測，考察涂層的平整性和密閉性，對厚度沒有達(dá)到設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)、有裂隙或損傷的部位及時修補。對于邊幫煤層較為破碎的局部區(qū)域，可根據(jù)需要，采用噴涂防滅火材料配合掛網(wǎng)噴漿的方式進(jìn)行處理[7]。

非工作幫到界后即開始內(nèi)排，為保護(hù)防火材料覆蓋層實現(xiàn)長時間防火效果，含煤臺階內(nèi)排回填首先使用上覆巖層剝離的細(xì)砂石作為墊層，墊層厚度根據(jù)臺階、邊幫情況確定。墊層與上覆巖層接頭處做成斜坡，角度小于自然安息角。細(xì)砂石墊層上部采用剝離回采工程內(nèi)排土石統(tǒng)一回填，在內(nèi)排回填之前，間斷性對墊層灑水，或利用塑料布壓實覆蓋，避免春、夏季大風(fēng)的影響。

2）端幫隔氧降溫施工。隨著工作幫的推進(jìn)，在工作幫后方邊幫隨即噴涂防滅火材料。施工時，至少向煤層頂、底板延伸噴涂0.5 m。對于局部破碎區(qū)域必要時可采用噴涂防滅火材料結(jié)合掛網(wǎng)噴漿的方式，施工工藝與非工作幫隔氧降溫施工相同。防滅火措施實施完成后，施工區(qū)域覆蓋細(xì)砂層，細(xì)砂層覆蓋厚度根據(jù)臺階、邊幫情況確定。

3）臺階平面隔氧降溫施工。臺階平面處理好后，隨即開展噴涂防滅火材料施工，對煤體進(jìn)行包裹覆蓋處理。噴涂好的區(qū)域盡量較少人員、車輛等的經(jīng)過，以防涂層遭到重壓破壞開裂，失去整體密封性，如果必須經(jīng)過的話，需在指定的線路上覆蓋足夠的沙土層，以減輕涂層破壞程度。

4.3.3 自燃監(jiān)測

根據(jù)暴露煤體自燃特點，現(xiàn)場自燃監(jiān)測確定采用溫度監(jiān)測為主、CO監(jiān)測為輔的方式判斷自燃趨向。結(jié)合本工程實際情況，自燃監(jiān)測采用非接觸式巡回監(jiān)測和檢測孔監(jiān)測。

1）非接觸式巡檢。對邊幫煤層、松散煤堆或煤體等，利用手持式紅外熱像儀監(jiān)測煤體暴露區(qū)域及覆蓋防滅火材料區(qū)域的溫度。非接觸式紅外熱像儀能夠?qū)γ罕凇⑦厧?、煤堆的表面快速發(fā)現(xiàn)高溫異常位置和區(qū)域。

2）檢測孔監(jiān)測。在煤層邊幫傾向中心、走向上每50 m設(shè)置1個檢測孔，用以監(jiān)測煤層溫度情況，煤層破碎區(qū)域可根據(jù)實際情況減小檢測孔間距。檢測孔監(jiān)測主要用于實體煤的內(nèi)部監(jiān)測，能夠及時測定煤體內(nèi)部溫度及自燃標(biāo)志性氣體的變化趨勢，進(jìn)而可判斷出煤體內(nèi)部的升溫氧化進(jìn)程及自燃趨勢。檢測孔示意如圖10所示。

3）監(jiān)測制度。自燃監(jiān)測于每天高溫時段14∶00—17∶00之間進(jìn)行，對上述所有區(qū)域全方位監(jiān)測。當(dāng)氣溫低于25℃時，每2 d進(jìn)行1次巡檢，空氣溫度高于25℃時，每天進(jìn)行1次巡檢。每次監(jiān)測完成后填寫監(jiān)測記錄表，若發(fā)現(xiàn)局部區(qū)域溫度異常升高時，立即上報。查明溫度異常升高原因，若存在自燃趨勢，馬上采取措施。

圖10 檢測孔示意圖

5 結(jié)語

本工程所采用礦用新型無機防滅火材料中含有能抑制煙霧及阻斷自由基鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的物質(zhì)，與常規(guī)防滅火材料相比，大大提高防滅火效能和滅火速度，施工前制定了嚴(yán)格的安全施工技術(shù)措施，噴涂施工質(zhì)量良好，防滅火效果顯著，很好的保證了本工程的生產(chǎn)安全，截止目前累計完成噴涂面積12 676 m2。在實際應(yīng)用中還有以下幾點需要優(yōu)化調(diào)整：

1）增強材料粘結(jié)強度。邊幫煤層靠近施工場地，或靠近運輸?shù)缆罚^好的粘結(jié)強度有利于增強涂層的完整性和固結(jié)性。

2）改善材料對環(huán)境的適應(yīng)性。本地區(qū)冬季寒冷、夏季干燥炎熱、晝夜溫差大，需提高材料的抗寒性、凝固性、熱脹冷縮性，以適應(yīng)現(xiàn)場的氣候條件。

3）提高抗氧化、抗風(fēng)化能力。施工區(qū)域氣候干燥、多風(fēng)，提高材料抗氧化、抗風(fēng)化能力有利于保證涂層隔氧降溫的效果。

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【責(zé)任編輯：解連江】

Safety risk control project fire prevention work practice in Hami No.1 Mine

LI Bo1,ZHAO Xiaoxia2
(1.China Coal Technology and Engineering Group Shenyang Design&Research Institute,Shenyang 110015,China; 2.China Coal Technology and Engineering Group Chongqing Design&Research Institute,Chongqing 400037,China)

With the development of open-pit mining technology and equipment,the exploitable depth increases in open-pit mine. However,the coal seam spontaneous combustion caused by shallow coal seam forms great safety hazard in many open-pit coal mines.This article mainly discusses the methods of fire prevention in lignite open-pit coal mine,and introduces the application of new type fire prevention materials in Hami No.1 Mine safety risk control project.

lignite open-pit coal mine;coal seam spontaneous combustion;fire prevention method;fire prevention material

TD75

B

1671－9816（2017）01－0071－06

10.13235/j.cnki.ltcm.2017.01.020

李博，趙曉夏.哈密一礦安全隱患治理工程防滅火工作實踐［J］.露天采礦技術(shù)，2017，32（1）：71-75.

2016-07-20

李博（1982—），男，黑龍江伊春人，注冊一級建造師，注冊咨詢工程師，注冊監(jiān)理工程師。畢業(yè)于中國礦業(yè)大學(xué)土木工程專業(yè)，現(xiàn)就職于中煤科工集團(tuán)沈陽設(shè)計研究院有限公司，主要從煤礦安全管理工作。