松散煤體中掘進(jìn)自然發(fā)火防控技術(shù)研究

閆春來，楊子祥

（兗州市大統(tǒng)礦業(yè)有限公司，山東兗州 272100）

0 引言

山東省兗州市大統(tǒng)礦業(yè)有限公司楊莊煤礦九采區(qū)開采煤層為三煤，屬二類自燃煤層，最短自然發(fā)火期為80 d。C9301 工作面范圍內(nèi)的煤體已進(jìn)行了一次回采，采高約2.2 m 左右，受上次采動影響，上覆煤巖垮落造成復(fù)采時順槽施工在松散煤體中掘進(jìn)。原工作面回采過程中未采取注漿固化等措施造成遺留煤體松散；掘進(jìn)期間煤體應(yīng)力再一次重新分布造成煤體進(jìn)一步破碎、裂隙發(fā)育、漏風(fēng)供氧強度增加；掘進(jìn)過程中迎頭頂幫易出現(xiàn)抽冒現(xiàn)象，形成空洞使得煤的自燃危險性增強，增加了掘進(jìn)期間的煤體自然發(fā)火防控難度。常規(guī)是玻璃凝膠強度低、凝結(jié)時間慢、操作復(fù)雜；普通注膠工藝及參數(shù)無法全面覆蓋松散煤體且經(jīng)濟成本高。如何尋找高效高強度水玻璃凝膠替代品、優(yōu)化注膠工藝及參數(shù)，確保掘進(jìn)過程中的自然發(fā)火防治安全成為重中之重。

1 自然發(fā)火防控技術(shù)研究

1.1 常規(guī)水玻璃凝膠

通過前期實驗發(fā)現(xiàn)水玻璃凝膠強度低、成膠時間長（表1）。實驗結(jié)果：小蘇打濃度對于凝膠時間無影響，但最低不得少于3‰。在小蘇打濃度相同的情況下，水玻璃凝膠成膠時間受水玻璃濃度影響較大，水玻璃濃度超過50%時，成膠時間減半，最快為30 s。

1.2 復(fù)合膠體研發(fā)

1.2.1 復(fù)合膠體特點

對于松散煤體巷道來說，巷道煤層自燃主要與松散煤體厚度、對流散熱強度、煤體當(dāng)量粒徑、氧的滲透量有關(guān)。復(fù)合膠體特性如下：

（1）固水降溫性。復(fù)合膠體中90%以上是水，易于流動的水被固結(jié)起來，充分發(fā)揮水的降溫作用；成膠過程是吸熱反應(yīng)，煤溫上升使膠體中的水汽化，也吸收大量的熱。

表1 水玻璃凝膠井上實驗結(jié)果

（2）滲透和堵漏性。復(fù)合膠體是易于流動的液體，滲透到煤層縫隙中后形成膠體，堵住漏風(fēng)通道。

（3）阻化性。促凝劑和基料本身都是阻化劑，兩者反應(yīng)生成的材料也是阻化劑，膠體具有通用阻化劑的性能。

（4）熱穩(wěn)定性。在1200 ℃的高溫下膠體不熔化、不破裂，仍能保持完好，只是慢失水干裂。

（5）充填性能。復(fù)合膠體耐壓性增強，高濃度膠體泥漿可充填高冒空頂區(qū)。

（6）滅火安全性。由于復(fù)合膠體有束水作用，在用于撲滅煤火時，不會急劇產(chǎn)生大量的水煤汽而惡化工作環(huán)境或發(fā)生爆炸。

（7）有效期。正常情況下溫度<28 ℃、濕度>90%，復(fù)合膠體可長期保存在煤層中（現(xiàn)場實測13 個月仍完好），防止煤層自然發(fā)火或火區(qū)復(fù)燃。

（8）成膠時間可控性。最短成膠時間15 s，慢的可控制在2 h以上，便于針對不同發(fā)火情況和現(xiàn)場使用工藝對其進(jìn)行適當(dāng)調(diào)節(jié)。

1.2.2 復(fù)合膠體防滅火技術(shù)的特色

（1）滅火速度快。由于膠體獨特的滅火性能，其滅火速度很快，通常巷道小范圍的火僅需幾小時即可撲滅，工作面后方大范圍的火也只需幾天即可撲滅。

參照Wandee[10]等人的方法，稱取10 g粉條（干基，m），每根長度約為5 cm，放入盛有200 mL沸水的燒杯中，用電爐加熱使水保持沸騰狀態(tài)，燒杯上方加蓋以防止水分的大量蒸發(fā)。煮制10 min后，撈出粉條，瀝干水分后稱重（m1），然后將粉條置于105 ℃烘箱中烘干至恒重（m2），按下列公式計算蒸煮損失和膨潤度：

（2）安全性好。膠體在松散煤體內(nèi)膠凝固化、堵塞漏風(fēng)通道，故有害氣體消失快；在高溫下，膠體不會產(chǎn)生大量水蒸汽，不存在水煤氣爆炸和水蒸汽傷人危險。

1.3 注膠工藝設(shè)計及優(yōu)化

注膠強度保證堵漏不易垮塌，凝膠時間保證快速處理，孔徑保證壓力和滲透量，長度確保加固，間距保證經(jīng)濟合理全面覆蓋破碎煤體（圖1）。

（1）孔徑。經(jīng)過實驗驗證，孔徑在27～56 mm 均可滿足壓力和滲透性的基本設(shè)計要求，且無顯著影響，故可選用現(xiàn)有煤礦常用常規(guī)鉆頭。

（2）長度。根據(jù)現(xiàn)場實驗，5 m 的長度可全面滿足該礦各地質(zhì)條件下的防滅火鉆深要求，且鉆深＜5 m 對生產(chǎn)成本影響不顯著。故統(tǒng)一選取5 m 作為作業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)長度。

（3）間距。通過對所有樣本的數(shù)據(jù)分析，5 m 半徑的滲透性能夠滿足強度等參數(shù)要求，根據(jù)相交的包絡(luò)曲線計算，綜合考慮復(fù)雜曲面效應(yīng)，統(tǒng)一選取4 m 作為注膠鉆孔間距的最大值。

圖1 留頂煤掘進(jìn)期間頂煤厚度大于1 m 時防滅火注膠孔布置

2 效果分析

2.1 防滅火監(jiān)測探孔布置

（1）C9301 軌道順槽防滅火監(jiān)測探孔布置。1#、2#探孔布置在1#、2#煤柱中間約巷中位置；3#探孔布置在3#煤柱北側(cè)以外（參考距離約2～6 m）9300 南順槽下方約巷中位置；4#探孔布置在4#煤柱南側(cè)以里（參考距離約2～6 m）9300 北順槽下方約巷中位置。以上探孔均垂直于巷道頂板打設(shè)，1#、2#探孔深度約為2 m，3#、4#探孔深度以進(jìn)入煤柱內(nèi)的遺留老巷為準(zhǔn)。

（3）C9301 順槽掘進(jìn)期間，每50±5 m，安設(shè)一個防滅火檢測孔，探孔垂直頂板打設(shè)，距人行道一側(cè)幫部約500 mm，管長3 m（根據(jù)頂煤厚度長度應(yīng)進(jìn)行調(diào)整）并根據(jù)實際情況安設(shè)鉑電阻。

（4）掘進(jìn)通過煤柱邊緣時，可利用預(yù)先打設(shè)的注膠孔安設(shè)束管設(shè)置1 個臨時監(jiān)測探孔，監(jiān)測結(jié)果及時匯報通巷工區(qū)及相關(guān)部門。

（5）C9301 工作面掘進(jìn)期間打設(shè)的防滅火監(jiān)測探孔每天檢查1 次，檢查內(nèi)容包括：CH4、CO2、CO、溫度等情況，連續(xù)觀察1周無異常后匯報通防部門改為1 周檢查1 次。所有探孔如經(jīng)檢測發(fā)現(xiàn)探孔內(nèi)一氧化碳?xì)怏w超過24×10-6且逐漸升高時，每班至少人工檢查1 次，每周至少采樣分析1 次。

2.2 束管采樣分析結(jié)果

通過對以上采樣點進(jìn)行束管分析，結(jié)果顯示鉆孔內(nèi)一氧化碳?xì)怏w在處理后均在24×10-6以下，順槽掘進(jìn)期間未出現(xiàn)自然發(fā)火隱患，有效保證了礦井的安全生產(chǎn)和持續(xù)性發(fā)展。

3 總結(jié)

復(fù)合膠體的應(yīng)用與注膠工藝的設(shè)計及優(yōu)化的綜合運用確保了松散煤體掘進(jìn)過程中自然發(fā)火的有效防控，束管采樣分析指標(biāo)性一氧化碳?xì)怏w持續(xù)穩(wěn)定在24×10-6以下。傳統(tǒng)開采形成的大量殘煤因煤體松散漏風(fēng)大、自燃危險性大，成為復(fù)雜難采礦床，常規(guī)技術(shù)無法實現(xiàn)安全開采。本項目通過開發(fā)新型復(fù)合膠體、運用大量實驗數(shù)據(jù)和計算等精確確立注膠工藝的各項指標(biāo)及參數(shù)，在有效保障安全的同時進(jìn)一步降低了作業(yè)成本，使得回采此類殘煤成為可能，并實現(xiàn)了自然發(fā)火精細(xì)化安全生產(chǎn)管理。本項目對松散礦體類型的復(fù)雜難采礦床的規(guī)模化開采具有積極的推廣和借鑒意義。

該項目開發(fā)了新型復(fù)合膠體，可有效解決殘煤自然發(fā)火的安全隱患，為大統(tǒng)礦業(yè)已探明符合該條件的300 萬噸殘煤（可回收資源價值約15 億元）的安全開采提供必要條件。注膠材料及工藝的優(yōu)化有效提高了施工效率，精確控制了施工成本，預(yù)計全部資源回收期間可節(jié)約直接成本1000 萬元。