新型凝膠防滅火技術(shù)在大采高綜采工作面自燃防治中的應(yīng)用

趙立克，張辛亥，鄭仲明

（1.伊泰煤炭股份有限公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯017000；2.西安科技大學(xué)，陜西 西安710054；3.西安安備特安防科技有限公司，陜西 西安710054）

煤層自燃對(duì)礦井安全生產(chǎn)構(gòu)成嚴(yán)重威脅[1-3]。煤層自燃一般發(fā)生在采空區(qū)或巷道周圍松散煤體內(nèi)，火源位置通常比較隱蔽，因而煤層自燃防治十分困難[4-5]。防滅火技術(shù)主要有灌漿、注惰氣、泡沫、阻化劑和凝膠等，在礦井火災(zāi)防治中起到重要作用。但這些技術(shù)中，注水、灌漿和注阻化劑技術(shù)應(yīng)用時(shí)，由于水和漿液流動(dòng)性強(qiáng)，容易流失，通常不能有效降低煤體內(nèi)部溫度，難以徹底的撲滅煤層火災(zāi)[6-7]；灌注水泡沫及惰氣進(jìn)行滅火時(shí)，由于氣體比熱容較小，并且氣體與煤的熱交換速度相對(duì)較小，故其降溫速度較慢，降溫效果相對(duì)較差，也難以徹底滅火。凝膠材料具有強(qiáng)固水性，降溫、堵漏、熱穩(wěn)定性也很好，因而用其進(jìn)行煤層火災(zāi)防治的效果較好[8-10]。ABT-Q 型高效復(fù)合材料是一種新型復(fù)合型凝膠類防滅火材料，由一種原料與水反應(yīng)合成，應(yīng)用工藝方便，充填堵漏和降溫滅火性能良好。

1 ABT-Q 型高效復(fù)合材料及工藝裝備

1.1 ABT-Q 型高效復(fù)合材料

ABT-Q 型高效復(fù)合材料的原料為單組分淺黃色液體，由無(wú)機(jī)穩(wěn)定劑催化劑與有機(jī)高分子原料預(yù)聚體構(gòu)成，該材料遇水即可發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，發(fā)生交聯(lián)，形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的凝膠材料。水與原料的比例可調(diào)節(jié)范圍比較大，一般1∶1～25∶1 范圍內(nèi)，都可生成性能優(yōu)良的凝膠材料。材料原料配比要求寬泛，可十分方便地進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。

所生成的高分子材料含有大量親水官能團(tuán)，可將大量水吸附控制在其分子結(jié)構(gòu)內(nèi)[11-12]，其固水量一般可達(dá)20 倍以上。所生成的凝膠材料表現(xiàn)出一定的彈性，吸水量達(dá)15 倍時(shí)，受外力變形30%以內(nèi)時(shí)撤除外力可以自行恢復(fù)，變形達(dá)到100%時(shí)不破裂。

ABT-Q 型高效復(fù)合材料的原料與水混合后一般在0.5～3 min 內(nèi)膠凝。成凝膠之前，原料與水混合物溶液的流動(dòng)性良好，可實(shí)現(xiàn)在管道中大流量輸送，也能夠滲透擴(kuò)展進(jìn)入煤巖層的裂隙中。發(fā)生膠凝反應(yīng)后失去流動(dòng)性，可發(fā)揮充填堵漏的防滅火效果。該材料對(duì)環(huán)境無(wú)污染，具吸熱降溫、充填堵漏和抗動(dòng)壓性。該材料對(duì)煤巖體附著力強(qiáng)，撲滅高溫煤火不易發(fā)生水煤氣爆炸[13]。

1.2 工藝裝備

根據(jù)材料合成工藝及原料配比要求，開發(fā)出其氣動(dòng)制備與灌注設(shè)備。設(shè)備有2 個(gè)往復(fù)運(yùn)動(dòng)的氣動(dòng)缸，每個(gè)氣動(dòng)缸的2 個(gè)連桿與2 個(gè)活塞相連，氣缸往復(fù)運(yùn)運(yùn)推動(dòng)活塞在各自注液缸內(nèi)運(yùn)動(dòng)，通過(guò)單向閥控制實(shí)現(xiàn)吸液和排液。ABT-7/3.5D 礦用多功能噴注設(shè)備原理圖結(jié)構(gòu)原理如圖1。

圖1 中，左側(cè)氣動(dòng)活塞的直徑為右側(cè)氣動(dòng)活塞直徑（氣動(dòng)缸內(nèi)徑）的2.5 倍；對(duì)應(yīng)的注液活塞直徑（注液缸內(nèi)徑）也為右側(cè)的，2 倍。因此，左側(cè)每個(gè)注液缸的注液流量可達(dá)右側(cè)1 個(gè)缸的6.25 倍。

氣動(dòng)缸和與之相連的注液缸的直徑之比為2∶1，因此注液壓力可達(dá)氣壓的4 倍。如礦井下供氣最大壓力為0.8 MPa，則本裝備注漿壓力可達(dá)3.2 MPa。

圖1 ABT-7/3.5D 礦用多功能噴注設(shè)備原理圖Fig.1 Schematic diagram of ABT-7/3.5D type multi-function injection and spray equipment

系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)2 種原料的配比為：1∶1、13∶19、2∶13、1∶14。此外，還可以通過(guò)2 個(gè)氣動(dòng)缸供氣流量進(jìn)行調(diào)節(jié)2 種原料配比。

2 ABT-Q 型高效復(fù)合材料滅火技術(shù)應(yīng)用

2.1 火區(qū)概況

紅慶河煤礦3-1103 綜采工作面位于紅慶河井田3-1 煤1 采區(qū)。開采煤層厚度為6～6.5 m，大采高開采。工作面采煤方法為走向長(zhǎng)壁后退式采煤法，采用綜合機(jī)械化采煤工藝，采用自然垮落法處理采空區(qū)頂板。選用MG1000/2540-GWD 型雙滾筒采煤機(jī)，一次采全高。回采期間綜采面采用運(yùn)輸巷進(jìn)風(fēng)，輔運(yùn)巷回風(fēng)的“U”型通風(fēng)方式，工作面的實(shí)際配風(fēng)量為2 447.8 m3/min。3-1 煤層煤屬于I 級(jí)容易自燃，煤層最短自然發(fā)火期為45 d。由于3-1103 綜采工作面大采高開采，采空區(qū)巷道側(cè)采空區(qū)留有厚達(dá)2 m以上的浮煤，巷道側(cè)采空區(qū)自燃危險(xiǎn)較大。

3-1103 綜采工作面自2018 年3 月15 日開始正式生產(chǎn)，至2018 年11 月30 日，工作面推進(jìn)928.3 m時(shí)，由于沖擊地壓影響，工作面被迫停產(chǎn)。停產(chǎn)期間采取的防滅火措施包括：①整個(gè)工作面架間充填高分子發(fā)泡堵漏材料，減少采空區(qū)漏風(fēng)；②工作面風(fēng)風(fēng)側(cè)埋管至距離切頂線26 m 左右的采空區(qū)，每天連續(xù)注氮20 h 以上（檢修時(shí)間停注），注氮流量1 200 m3/h；③工作面風(fēng)量由停產(chǎn)前的2 426 m3/min 下降到1 100 m3/min，工作面兩端風(fēng)壓差下降約71%，從而減少了采空區(qū)漏風(fēng)量，縮小了采空區(qū)氧化帶范圍。

此外，采空區(qū)埋設(shè)了束管、熱電偶等，對(duì)采空區(qū)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。截止2019 年7 月初，3-1103 工作面架間、采空區(qū)及回風(fēng)隅角氣體取樣化驗(yàn)分析數(shù)據(jù)無(wú)異常。

2019 年7 月5 日晚，3-1103 工作面回風(fēng)隅角和回風(fēng)流CO 濃度突然增高，數(shù)據(jù)超限，夜間CO 濃度呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。7 月6 日，檢測(cè)發(fā)現(xiàn)3-1103 采空區(qū)回風(fēng)隅角CO 濃度迅速上升到（395～500）×10-6，同時(shí)出現(xiàn)少量C2H4，認(rèn)為3-1103 采空區(qū)已發(fā)生煤層自燃，立即啟動(dòng)應(yīng)急預(yù)案，采取緊急防滅火措施。預(yù)計(jì)發(fā)火位置及ABT-Q 型材料充填區(qū)平面示意圖如圖2。

圖2 預(yù)計(jì)發(fā)火位置及ABT-Q 型材料充填區(qū)平面示意圖Fig.2 Predicted spontaneous fire position and the ABT-Q material filling zone

2.2 防滅火技術(shù)措施

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果，距離工作面進(jìn)風(fēng)側(cè)約25 m、回風(fēng)隅角、距離回風(fēng)側(cè)約20 m 等位置檢測(cè)到CO濃度較高。工作面進(jìn)風(fēng)側(cè)距離工作面約25 m 處的采空區(qū)注氮口外側(cè)，由于注氮的引射作用，并且頂板垮落不嚴(yán)漏風(fēng)阻力小，故該處漏風(fēng)較大，并且該處遺煤較多，自燃危險(xiǎn)極大。結(jié)合氣體監(jiān)測(cè)結(jié)果，預(yù)計(jì)該處已經(jīng)發(fā)生了煤層自燃。

同時(shí)，工作面進(jìn)風(fēng)側(cè)、回風(fēng)側(cè)采空區(qū)遺煤較多，距離工作面進(jìn)風(fēng)側(cè)約30 m 處的沖刷帶附近遺煤也比較多，是采空區(qū)煤層自燃易發(fā)區(qū)，預(yù)計(jì)已經(jīng)出現(xiàn)煤溫升高現(xiàn)象。由于檢測(cè)到CO 時(shí)，工作面在約11個(gè)月時(shí)間內(nèi)推進(jìn)距離不超過(guò)100 m，故整個(gè)工作面采空區(qū)遺煤都經(jīng)歷了長(zhǎng)時(shí)間氧化，預(yù)計(jì)也都有升溫趨勢(shì)。

據(jù)此確定通過(guò)向工作面灌注ABT-Q 型高效復(fù)合材料，結(jié)合注氮及泡沫等防治采空區(qū)煤層自燃。首先，自鄰近工作面巷道向進(jìn)風(fēng)側(cè)采空區(qū)施工鉆孔，鉆孔終孔位置為距離工作面10、15、20、25 m 范圍，孔高為到達(dá)煤層頂板以上0.5 m，距離巷道煤幫1、3、6 m?？變?nèi)下φ25 mm 套管，最前端1 m 套管管壁開孔，以便于ABT-Q 型高效復(fù)合材料混合液擴(kuò)散。然后通過(guò)工作面向回風(fēng)隅角、沖刷帶附近等施工鉆孔，終孔位于架后2 m，煤層頂板以上0.5 m，沿工作面布置方向每隔3 m 布置1 排鉆孔。每個(gè)鉆孔以同樣的方法下套管，沿套管注ABT-Q 型高效復(fù)合材料。最后，在工作面其它部位灌注ABT-Q 型高效復(fù)合材料，工作面直接插管到架后頂板，預(yù)防采空區(qū)高溫向工作面擴(kuò)散，保障回撤安全。

在采取上述措施的同時(shí)，工作面持續(xù)注氮，并且在重點(diǎn)部位加注泡沫，抑制煤層氧化，促使工作面CO 濃度快速下降。

2.3 滅火效果

使用新型設(shè)備壓注ABT-Q 型高效復(fù)合材料非常方便，僅需將吸料管插入料桶，接通水源和氣源即可快速向預(yù)定區(qū)域壓注新型凝膠材料。本材料對(duì)水質(zhì)無(wú)特別要求，礦井水可直接用于灌注該材料的凝膠。原材料遇水后發(fā)生固化，無(wú)殘留水溶成分，故不會(huì)對(duì)地下水產(chǎn)生污染。原材料應(yīng)用過(guò)程中不產(chǎn)生揮發(fā)成分，也不會(huì)對(duì)井下大氣構(gòu)成污染。

累計(jì)向采空區(qū)灌注ABT-Q 型高效復(fù)合材料300 m3，使用原料20 t，有效地降低了煤溫，減少了采空區(qū)漏風(fēng)，使工作面CO 濃度迅速下降。

為了掌握實(shí)施綜合防滅火技術(shù)的效果，通過(guò)煤礦現(xiàn)有的安監(jiān)系統(tǒng)和人工抽氣采樣對(duì)工作面回風(fēng)隅角CO 氣體進(jìn)行連續(xù)觀測(cè)，CO 濃度變化曲線如圖3。

圖3 CO 濃度變化曲線Fig.3 Curve of CO concentration varies with time

從圖3 可以看出，在注膠期間CO 濃度迅速下降，說(shuō)明漏風(fēng)供氧減少，或高溫區(qū)范圍明顯縮小。灌注ABT-Q 型高效復(fù)合材料灌注過(guò)程中，CO 濃度鋸齒狀起伏，是材料與高溫煤體接觸過(guò)程中產(chǎn)生蒸汽，引起氣流紊亂的結(jié)果。可見材料滅火過(guò)程中不會(huì)產(chǎn)生大量破壞性的水蒸汽，其滅火安全性很好。

通過(guò)灌注ABT-Q 型高效復(fù)合材料，3-1103 綜采工作面回風(fēng)隅角等部位CO 濃度迅速下降到安全值，說(shuō)明該材料滅火降溫快、堵漏性能好，對(duì)煤層火災(zāi)治理效果明顯。

3 結(jié) 語(yǔ)

1）ABT-Q 型高效復(fù)合材料形成的新型凝膠材料，吸水倍率高，降溫效果好，適用于采空區(qū)高溫防治，其滅火速度快、效率高。

2）根據(jù)ABT-Q 型高效復(fù)合材料合成工藝開發(fā)的壓注設(shè)備，具有自動(dòng)進(jìn)料，自動(dòng)配比，出口壓力高，移動(dòng)方便等特點(diǎn)，適應(yīng)了火災(zāi)防治的要求。該設(shè)備以井下壓縮空氣為動(dòng)力，具有很好的安全性和便捷性。

3）運(yùn)用ABT-Q 型高效復(fù)合材料快速治理了紅慶河煤礦厚煤層采空區(qū)大面積自燃火災(zāi)，說(shuō)明該技術(shù)降溫速度快、堵漏性能良好，適應(yīng)了煤礦防滅火的需要，是一種良好的礦井防滅火技術(shù)效果。