煤巷高冒區(qū)自然發(fā)火機(jī)理及防治技術(shù)

馮會(huì)杰

(貴州水城礦業(yè)股份有限公司大灣煤礦，貴州 六盤(pán)水 553000)

0 引言

高冒區(qū)遺煤自燃是煤礦自然發(fā)火的重要隱患之一，嚴(yán)重威脅著井下的安全生產(chǎn)。據(jù)統(tǒng)計(jì)國(guó)有重點(diǎn)煤礦中有自然發(fā)火危險(xiǎn)的礦井約占56%[1-2]。隨著開(kāi)采技術(shù)、裝備的發(fā)展，綜放開(kāi)采得到廣泛地應(yīng)用，其巷道布置往往沿煤層底板布置，受地質(zhì)變化和地質(zhì)構(gòu)造的影響，巷道頂煤形成高冒區(qū)[3]。高冒區(qū)內(nèi)呈破碎狀態(tài)的煤體，在適宜的漏風(fēng)風(fēng)速和蓄熱環(huán)境條件下，易導(dǎo)致自然發(fā)火。因此，研究高冒區(qū)自然發(fā)火規(guī)律及防治技術(shù)，對(duì)礦井的安全生產(chǎn)具有重要現(xiàn)實(shí)意義。

1 高冒區(qū)浮煤賦存狀態(tài)

普氏冒落拱理論[4]是指巷道開(kāi)掘后，在上方會(huì)形成一個(gè)類(lèi)似拋物線形狀的自然平衡拱，平衡拱的上方圍巖處于平衡狀態(tài)，下方是潛在的破碎區(qū)。巷道頂煤受壓破碎、離層，導(dǎo)致冒落，支護(hù)后頂棚網(wǎng)上堆積了一定厚度的松散浮煤。特別是地質(zhì)構(gòu)造區(qū)附近，是巷道冒落形成松散煤體的主要區(qū)域。

高冒區(qū)根據(jù)其孔裂隙分布狀態(tài)、松散程度以及冒落程度，可分為3個(gè)區(qū)域：破碎區(qū)、離層區(qū)和斷裂下沉區(qū)，如圖1所示。高冒區(qū)遺煤與巖石之間是多孔介質(zhì)，其空隙固體骨架是遺煤和冒落的巖石。由于在高冒破碎區(qū)內(nèi)，壓力完全釋放，小粒徑所占比重大，風(fēng)流易通過(guò)該區(qū)域裂隙滲透進(jìn)入松散煤體中，并在冒落煤體表面發(fā)生氧化蓄熱自燃。

圖1 巷道高冒區(qū)垂向分區(qū)示意圖

2 高冒區(qū)熱平衡分析

高冒區(qū)形成后其內(nèi)部的浮煤緩慢氧化升溫，由于浮煤溫度升高與周?chē)锏来嬖跍囟炔睿纬闪藷釋?duì)流。促使巷道新鮮風(fēng)流漏入高冒區(qū)內(nèi)的驅(qū)動(dòng)力為f[5]，計(jì)算見(jiàn)式(1)。

(1)

式中：T1—高冒區(qū)浮煤溫度；T2—巷道溫度；Δy—垂直高度差。當(dāng)T1>T2，高冒區(qū)與巷道的溫差ΔT=T1-T2。式(1)含義即在垂直方向上的溫差變化率是熱量傳遞的驅(qū)動(dòng)力，導(dǎo)致熱量的對(duì)流傳遞。高冒區(qū)內(nèi)某點(diǎn)浮煤氧化產(chǎn)生的熱量傳遞到鄰近高冒浮煤的區(qū)域，從而浮煤整體溫度上升；同時(shí)由于高冒區(qū)內(nèi)溫度升高導(dǎo)致其內(nèi)部空氣密度降低，與空氣密度較高的巷道風(fēng)流發(fā)生了熱對(duì)流，使巷道內(nèi)新鮮風(fēng)流漏入高冒區(qū)內(nèi)，導(dǎo)致了高冒區(qū)的漏風(fēng)。

高冒區(qū)溫度變化是其內(nèi)部浮煤氧化放熱和漏風(fēng)散熱的雙重作用，且當(dāng)氧化放熱為促進(jìn)作用時(shí)，浮煤便會(huì)發(fā)展到自燃階段。

3 高冒區(qū)傳質(zhì)運(yùn)動(dòng)分析

高冒區(qū)遺煤蓄熱消耗氧氣，使其內(nèi)部氧氣濃度降低，巷道中的新鮮風(fēng)流就會(huì)因?yàn)榕c高冒區(qū)內(nèi)的空氣存在濃度差而滲流其中。巷道中處于紊流狀態(tài)的空氣分子與高冒區(qū)內(nèi)的空氣分子不斷撞擊，使高冒區(qū)內(nèi)的空氣分子獲得向頂部不斷傳遞的能量，即形成擴(kuò)散通風(fēng)[6]，稱(chēng)為擴(kuò)散傳質(zhì)。傳質(zhì)驅(qū)動(dòng)力與傳質(zhì)勢(shì)有關(guān)，見(jiàn)式(2)。

(2)

式中：f—傳質(zhì)驅(qū)動(dòng)力；θ—傳質(zhì)勢(shì)。即在垂直方向上的傳質(zhì)勢(shì)變化率就是傳質(zhì)驅(qū)動(dòng)力。

高冒區(qū)形成后，成為一個(gè)獨(dú)立封閉體，由于內(nèi)部遺煤和滲流空氣發(fā)生微弱氧化反應(yīng)，導(dǎo)致高冒區(qū)內(nèi)部氧氣濃度降低，溫度不斷升高，從而出現(xiàn)傳熱與傳質(zhì)驅(qū)動(dòng)力，促使巷道新鮮空氣不斷地進(jìn)入高冒區(qū)，如此循環(huán)，從而導(dǎo)致高冒區(qū)遺煤自燃。

高冒區(qū)內(nèi)遺煤自燃是煤氧復(fù)合作用的結(jié)果。空氣中的氧氣與高冒區(qū)遺煤，經(jīng)歷了物理吸附和化學(xué)吸附的過(guò)程。其中，煤物理吸氧主要表現(xiàn)為范德華力，是低溫氧化階段的主要吸附形式[7]。物理吸附是放熱過(guò)程，在蓄熱條件具備情況下，放熱量積聚，遺煤溫度逐漸升高。當(dāng)煤溫達(dá)到一定溫度時(shí)，物理吸附逐漸減弱，化學(xué)吸附增強(qiáng)，該過(guò)程是煤氧化物理反應(yīng)向化學(xué)反應(yīng)的過(guò)渡，且隨著化學(xué)吸附的加深，煤氧化便進(jìn)入快速化學(xué)反應(yīng)階段，出現(xiàn)高冒區(qū)自燃。

4 高冒區(qū)遺煤自燃的關(guān)鍵防治技術(shù)

高冒區(qū)遺煤自燃是一個(gè)傳熱與傳質(zhì)復(fù)合作用的過(guò)程，主要發(fā)生在破碎區(qū)和離層區(qū)交界處。目前預(yù)防高冒區(qū)遺煤自燃的技術(shù)措施有注水、灌漿、注凝膠、注氮?dú)?、三相泡沫等[8]。注水和灌漿易沿破碎裂隙流失，注氮?dú)庖纂S風(fēng)逸散，都不能有效地滯留在高溫煤自燃區(qū)域；而注凝膠易發(fā)生管路堵塞，且污染井下作業(yè)環(huán)境。而新研制的一種水溶性復(fù)合膠體充填材料，其具有可控的快速成膠性、良好的阻燃性，且有一定的強(qiáng)度、韌性和充填性，與三相泡沫防滅火技術(shù)[9]相結(jié)合，能有效防控高冒區(qū)遺煤自燃隱患。

4.1 水溶性復(fù)合膠體充填材料

水溶性復(fù)合膠體充填材料與水結(jié)合，根據(jù)不同添加比例可實(shí)現(xiàn)可控的固化膨脹，成型后呈乳白色彈性膠體，達(dá)到封堵裂隙、防漏風(fēng)等效果，具有降溫、充填、隔絕空氣等功能，在自燃火災(zāi)及漏風(fēng)嚴(yán)重的礦井普遍使用，對(duì)保證礦井安全生產(chǎn)起著重要的作用。凝結(jié)時(shí)間及強(qiáng)度與水比例(水的質(zhì)量與膠體劑質(zhì)量之和的比例)關(guān)系見(jiàn)表1。

表1 水溶性復(fù)合膠體充填材料凝結(jié)時(shí)間

4.2 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

高冒區(qū)概況：貴州大灣煤礦X10901-3工作面開(kāi)采9#煤層為煤與瓦斯突出煤層，屬于Ⅱ類(lèi)自燃煤層，煤塵具有爆炸危險(xiǎn)性。工作面與地表垂深在340～390 m之間，開(kāi)采煤層平均厚度6.3 m，煤層平均傾角為5°。工作面內(nèi)生斷層裂隙發(fā)育，均為正斷層，且斷層落差大，對(duì)工作面回采影響較大。工作面在回采過(guò)程中，受斷層影響，進(jìn)風(fēng)巷超前應(yīng)力段直接頂破碎，形成局部高冒區(qū)，冒頂區(qū)內(nèi)有大量破碎遺煤?，F(xiàn)場(chǎng)通過(guò)噴漿堵漏后，取樣分析監(jiān)測(cè)高冒區(qū)內(nèi)CO氣體含量有增大趨勢(shì)，并采取局部插管注氮的防滅火措施，但效果并不理想。

治理過(guò)程：在噴漿堵漏、注氮惰化等措施未達(dá)到明顯效果的情況下，為消除高冒區(qū)自燃隱患，現(xiàn)場(chǎng)采取向高冒區(qū)打鉆灌注三相泡沫消除立體遺煤高溫隱患，并壓注水溶性復(fù)合膠體充填堵漏滅火的措施。①三相泡沫立體降溫滅火—利用井下移動(dòng)式注漿系統(tǒng)，接入三相泡沫發(fā)生裝置，并引入氮?dú)猓纯尚纬韶S富的三相泡沫?，F(xiàn)場(chǎng)通過(guò)錨桿鉆機(jī)對(duì)高冒區(qū)施工鉆孔并下套管(φ25 mm)，鉆孔成型后開(kāi)始灌注三相泡沫，利用其高位堆積性、降溫等特性消除立體高溫隱患。當(dāng)有大量的泡沫溢出時(shí)，停止灌注。具體工藝如圖2所示；②水溶性復(fù)合膠體充填滅火—待高冒區(qū)通過(guò)鉆孔采取灌注三相泡沫消高溫措施后，將充填材料和水按1∶5比例混合，使用氣動(dòng)注漿泵，在水壓的驅(qū)動(dòng)下，混合液料直接通過(guò)鉆孔壓注至高冒區(qū)進(jìn)行封堵充填防滅火。灌注點(diǎn)根據(jù)成膠時(shí)間確定，為實(shí)現(xiàn)快速封堵應(yīng)盡量接近使用點(diǎn)。灌注工藝如圖3所示。

圖2 灌注三相泡沫工藝圖

圖3 灌注水溶性復(fù)合膠體充填材料工藝圖

治理效果：現(xiàn)場(chǎng)自9月15日開(kāi)始，通過(guò)1周的時(shí)間，對(duì)高冒區(qū)打鉆灌注三相泡沫、水溶性復(fù)合膠體充填材料。通過(guò)高冒區(qū)監(jiān)測(cè)鉆孔取氣樣分析CO等指標(biāo)氣體，CO濃度隨時(shí)間變化趨勢(shì)如圖4所示。

圖4 治理過(guò)程中CO濃度的變化

從圖4可以看出，治理前期CO濃度緩慢升高，最大可達(dá)1 000×10-6，說(shuō)明高冒區(qū)遺煤氧化溫度較高，煤活化速率及CO產(chǎn)生速率增大。通過(guò)采取灌注三相泡沫消高溫，壓注水溶性復(fù)合膠體充填材料后，CO濃度呈快速下降趨勢(shì)，并最終消失，說(shuō)明高冒區(qū)內(nèi)的遺煤自燃隱患已經(jīng)得到了有效地消除，工作面也恢復(fù)了安全生產(chǎn)。

5 結(jié)語(yǔ)

從高冒區(qū)浮煤分布狀態(tài)及傳熱、傳質(zhì)方面分析了其內(nèi)遺煤自燃的影響因素，結(jié)合大灣礦X10901-3工作面進(jìn)風(fēng)巷道高冒區(qū)的實(shí)際情況，在噴漿堵漏及注氮惰化效果不明顯的情況下，采取了鉆孔灌注三相泡沫、水溶性復(fù)合膠體充填材料的綜合措施，快速有效地抑制了高冒區(qū)的遺煤自燃。實(shí)踐表明，三相泡沫技術(shù)與水溶性復(fù)合膠體充填技術(shù)相結(jié)合，對(duì)高冒區(qū)立體遺煤自燃高溫消除是一種行之有效的技術(shù)方法。