井筒火區(qū)綜合治理技術(shù)

王偉東

（1.中煤科工集團(tuán)沈陽研究院有限公司，遼寧 撫順113122；2.煤礦安全技術(shù)國家重點(diǎn)實驗室，遼寧 撫順113122）

煤炭氧化自燃現(xiàn)象在我國礦井開采過程中普遍存在，是影響礦井安全生產(chǎn)的主要災(zāi)害之一。由于特殊的地域條件，目前西北地區(qū)是我國煤炭資源的重要產(chǎn)地之一[1-2]。在西北地區(qū)，煤層埋藏淺，普遍較厚，且氣候干燥、巖石風(fēng)化嚴(yán)重導(dǎo)致氧氣易滲入，使煤體易發(fā)生氧化自燃，最終形成大面積火區(qū)[3-5]。煤田火災(zāi)將大量煤炭資源燒毀，引起地表沉降，產(chǎn)生大量有毒有害氣體，威脅礦井安全生產(chǎn)[6-8]。

1 南二井筒火區(qū)地質(zhì)概況

公烏素煤礦整個井田分為2 個采區(qū)，即南采區(qū)、北采區(qū)。南采區(qū)采用斜井開拓，煤層傾角12°～25°，南采區(qū)已延伸至+930 m 標(biāo)高。南采區(qū)形成前，淺部7#、9#煤層均為小窯開采，采區(qū)進(jìn)、回風(fēng)斜井均沿9#煤層穿過小窯采空區(qū)進(jìn)行布置，貫通處兩側(cè)采用密閉封堵形成井筒。南采區(qū)原布置有021601 掘進(jìn)工作面，受火區(qū)影響，現(xiàn)南采區(qū)采掘活動已停止。南采區(qū)布置有南副斜井、9#進(jìn)風(fēng)斜井和9#回風(fēng)斜井3 條井筒，南采區(qū)井筒火區(qū)位置如圖1。

圖1 南采區(qū)井筒火區(qū)位置示意圖Fig.1 The sketch map of south mining shaft fire area

2 煤巖體多場耦合分析

煤田火區(qū)煤巖體變形破壞中熱力學(xué)狀態(tài)變化情況如圖2。根據(jù)非平衡熱力學(xué)理論，隨著外載能量的不斷增加，煤巖體內(nèi)能也呈現(xiàn)增大的趨勢。煤巖體初始平衡態(tài)，稱其為穩(wěn)定態(tài)[9-11]。當(dāng)外載能量比較小，未能引起煤巖體內(nèi)能發(fā)生較大的變化，此時煤巖體處于亞穩(wěn)定態(tài)。當(dāng)外載能量比較大，煤巖體偏離平衡態(tài)較遠(yuǎn)，處于非線性非平衡區(qū)。根據(jù)耗散結(jié)構(gòu)的相關(guān)理論，此時煤巖體處于不穩(wěn)定的定態(tài)，易向新的定態(tài)發(fā)展。將這種不穩(wěn)定的定態(tài)稱之為臨界態(tài)。隨著時間的不斷推移，煤巖體釋放出能量，失穩(wěn)破壞。煤巖體由臨界態(tài)向新的定態(tài)發(fā)展，所形成的新的定態(tài)稱為新的穩(wěn)定態(tài)。

圖2 煤巖體變形破壞過程中的熱力學(xué)狀態(tài)Fig.2 The thermodynamic state in the process of coal and rock deformation and failure

煤田火區(qū)內(nèi)的煤體發(fā)生氧化自燃后形成充分燃燒的火源，通過熱傳導(dǎo)的方式由高溫區(qū)向低溫區(qū)傳熱。煤體燃燒過程中，煤體燃燒中心出現(xiàn)煤氧化學(xué)反應(yīng)釋放大量熱量，煤體上覆巖層外載能量與其內(nèi)能發(fā)生失穩(wěn)，上覆巖層重力失穩(wěn)，出現(xiàn)變形破壞，形成大量的垮落裂隙。通過這些裂隙，大氣與煤體燃燒中心連通，為煤體燃燒提供充足的氧氣，同時燃燒產(chǎn)生的廢氣也通過這些裂隙釋放到空氣中。由于裂隙的作用，燃燒獲得充足的氧氣不斷向前發(fā)展，煤體高溫區(qū)又通過熱傳導(dǎo)的方式向前傳播，從而上覆巖體形成新的裂隙為煤體燃燒供氧。因而可將這個過程看作為煤田火區(qū)中煤體在熱流固化多場耦合作用下，處于這種循環(huán)狀態(tài)的煤田火區(qū)不斷向深部發(fā)展，沿煤層走向，煤體燃燒中心不斷向深部發(fā)展的過程，屬于非控燃燒。煤田火區(qū)的動態(tài)演化過程如圖3。

圖3 煤田火區(qū)的動態(tài)演化過程Fig.3 The dynamic evolution process of coal fire area

煤田火區(qū)中煤體在燃燒過程中，根據(jù)煤體燃燒情況，可將其分為4 個區(qū)域，分別為：Ⅰ燒空區(qū)、Ⅱ燃燒區(qū)、Ⅲ松動區(qū)和Ⅳ原煤區(qū)，煤體燃燒空間分布如圖4。

圖4 煤體燃燒空間分布Fig.4 Coal combustion space distribution

Ⅰ燒空區(qū)：在該區(qū)域主要存在少量未燃燒的煤塊及大量煤體燃燒后灰燼，其上部區(qū)域存在較大的空間；Ⅱ燃燒區(qū)：在該區(qū)域存在大量破碎煤體，呈松散狀態(tài)堆積，這些煤體發(fā)生劇烈氧化反應(yīng)，燃燒表面積較大；Ⅲ松動區(qū)：燃燒區(qū)煤體產(chǎn)生的熱量通過熱傳導(dǎo)的方式傳送到該區(qū)域，在高溫作用下，煤體發(fā)生熱分解，并出現(xiàn)破裂，釋放大量熱解氣體；Ⅳ原煤區(qū)：該區(qū)域煤體鄰近松動區(qū)，變化較小。

3 工程實踐

3.1 火區(qū)發(fā)展過程

2013 年5 月，南采區(qū)9#進(jìn)風(fēng)井筒南側(cè)的興達(dá)公司04 剝挖坑內(nèi)的7#、9#煤層發(fā)生自燃，火區(qū)位于剝挖坑?xùn)|幫所揭露的小窯空巷內(nèi)。2016 年6 月19 日，南采區(qū)9#進(jìn)風(fēng)斜井井筒距離井口60～100 m 處墻體溫度較高，最高溫度達(dá)到42 ℃，墻體裂隙處有輕微CO 析出。6 月20 日，在距離井口76 m 處墻體最高溫度高達(dá)62 ℃，墻體析出CO 體積分?jǐn)?shù)為20×10-6。地面巡查發(fā)現(xiàn)距離井筒30 m 處有煙氣，測定煙氣中CO 體積分?jǐn)?shù)最高可達(dá)580×10-6。經(jīng)現(xiàn)場查看，距離井筒南部92 m 處因剝挖與小窯巷道原有火區(qū)導(dǎo)通，導(dǎo)致墻體溫度升高及CO 氣體析出。

2016 年9 月起，利用人工檢測的方式對井筒高溫點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測。2016 年9 月—2018 年6 月，各觀測點(diǎn)溫度變化幅度較小，基本穩(wěn)定在35 ℃，無CO 析出。2018 年7 月—2018 年8 月，各觀測點(diǎn)溫度呈升高趨勢，其中，1#觀測點(diǎn)和5#觀測點(diǎn)溫度上升至40℃以上。2018 年9 月1 日，9#進(jìn)風(fēng)斜井井筒右手幫154 m 處新增6#高溫點(diǎn)，6#監(jiān)測點(diǎn)呈逐漸升高趨勢，而1#～5#觀測點(diǎn)溫度呈逐漸下降趨勢。2018 年12 月至2019 年1 月，各觀測點(diǎn)溫度基本穩(wěn)定在35～60 ℃左右。2019 年4 月24 日，6#點(diǎn)溫度呈急劇上升趨勢。4 月25 日，6#點(diǎn)出現(xiàn)明火，火源溫度達(dá)到319 ℃。

3.2 火區(qū)治理過程及效果

3.2.1 剝挖治理

2019 年4 月28 日，南采區(qū)井筒火點(diǎn)采用露天剝離的方式進(jìn)行治理，南采區(qū)井筒火點(diǎn)剝離范圍示意如圖5。

治理區(qū)南北走向約290 m，東西傾向?qū)捈s175 m，剝挖深度0～72 m，剝挖至6#火點(diǎn)。治理區(qū)范圍內(nèi)堅硬砂巖居多，確定9#煤層底板向上10 m 為火渣剝離區(qū)，火渣剝離區(qū)向上5 m 為高溫砂巖剝離區(qū)，其他區(qū)域為常溫剝離區(qū)。11 月18 日，火區(qū)剝離治理工程正式停工。剝離坑中部距離剝挖設(shè)計深度剩余15 m，南北兩側(cè)距離設(shè)計深度剩余23 m。

圖5 南采區(qū)井筒火點(diǎn)剝離范圍示意圖Fig.5 The diagram of south mining shaft fire detachment range

火區(qū)剝離工程揭露了大量廢棄巷道、漏風(fēng)通道等，與地面大氣溝通，形成了地下高溫氣流與地表低溫氣流的循環(huán)交換，為小窯火區(qū)的發(fā)展提供了所需要的氧氣。由于上覆煤巖層高溫不能使用炸藥爆破的方式進(jìn)行剝離，只能采取機(jī)械剝離的方式，造成了剝離速度小于小窯火區(qū)的蔓延速度，受高溫巖石及停工影響，剝挖速度慢，導(dǎo)致火區(qū)范圍呈逐步擴(kuò)大趨勢，剝挖火區(qū)已不能徹底挖出火點(diǎn)。

火區(qū)剝離工程停止后，為了掌握南采區(qū)井筒火區(qū)蔓延范圍，在剝挖坑?xùn)|側(cè)邊坡底部施工7 個鉆孔進(jìn)行探測。火區(qū)探測鉆孔具體參數(shù)見表1。

表1 火區(qū)探測鉆孔具體參數(shù)表Table 1 The table of specific fire detection parameters

從表1 可以看出，沿9#煤層傾向方向火區(qū)已經(jīng)蔓延至9#進(jìn)風(fēng)井筒7#密閉小窯舊巷內(nèi)，沿9#煤層走向方向火區(qū)已蔓延至9#進(jìn)風(fēng)井筒內(nèi)并延伸至進(jìn)、回風(fēng)井間煤柱，尚未蔓延至9#回風(fēng)井筒。

3.2.2 小窯舊巷封堵隔離

盡管小窯舊巷之間相互溝通，但并未形成通暢的漏風(fēng)通道，越向小窯深部漏風(fēng)越少，氧氣體積分?jǐn)?shù)越低，煤氧化程度越低。隨著開采的不斷進(jìn)行，火區(qū)逐漸向內(nèi)部發(fā)展。因此火區(qū)進(jìn)行治理時，可采用“區(qū)域隔離法”進(jìn)行處理。即將火區(qū)分割成若干可控制的小的治理區(qū)域，利用注漿和挖除手段在各個小區(qū)域之間構(gòu)建冷卻隔離帶。然后對各個小的區(qū)域進(jìn)行快速降溫治理，以此類推完成對整個火區(qū)的治理。

2019 年11 月14 日，采用灌注無機(jī)速凝固化防滅火材料對9#進(jìn)風(fēng)井筒兩側(cè)-3#密閉、7#密閉連通的小窯舊巷進(jìn)行封堵隔離。

1）注漿鉆孔的布置由9#進(jìn)風(fēng)井筒往南36 m 范圍內(nèi)布置12 個鉆孔，相鄰鉆孔間隔6 m，終孔位置為3#密閉、7#密閉連通小窯舊巷內(nèi)，鉆孔孔口下設(shè)5 m 套管，鉆孔編號依次為ZJ1～ZJ6、ZJ7～ZJ12。在9#進(jìn)、回風(fēng)井筒之間間隔6 m 施工6 個鉆孔，鉆孔終孔位置為3#密閉、7#密閉連通小窯舊巷內(nèi)，鉆孔孔口下設(shè)5 m 套管，鉆孔編號依次為ZJ13～ZJ15、ZJ16～ZJ18。施工探測鉆孔3 個，鉆孔編號依次為TC1～TC3，鉆孔布置位置如圖6。

圖6 鉆孔布置位置示意圖Fig.6 The sketch map of borehole layout

2）防滅火材料灌注情況。2019 年12 月1 日，開始對9#進(jìn)風(fēng)井筒兩側(cè)-3#密閉、7#密閉連通的小窯舊巷灌注無機(jī)速凝固化防滅火材料進(jìn)行封堵隔離。1 月18 日、19 日分別對ZJ14 和ZJ18 鉆孔灌注無機(jī)材料10.5 t 和28.5 t。2 月25 日—3 月1 日，對TC1鉆孔灌注防滅火材料43 t。累積灌注有機(jī)封堵發(fā)泡材料5 t、無機(jī)速凝固化防滅火材料628 t，ZJ1、ZJ7鉆孔灌注有機(jī)封堵發(fā)泡材料，其余鉆孔灌注無機(jī)速凝固化防滅火材料。其中：ZJ2～ZJ6、ZJ8、ZJ10、ZJ11、ZJ14 鉆孔已注滿，ZJ9、ZJ12、ZJ16、ZJ17、ZJ18 鉆孔未注滿，ZJ13、ZJ15 鉆孔尚未灌注防滅火材料。

3）灌注材料效果灌注防滅火材料后，鉆孔溫度變化情況如圖7。從圖7 可以看出，各鉆孔溫度呈下降趨勢，但仍有部分鉆孔溫度長時間保持100～120℃，分析認(rèn)為封堵尚未結(jié)束，仍存在漏風(fēng)通道，高溫溫度判為上部火點(diǎn)熱氣所致。后期仍將采取封堵措施，進(jìn)行封堵，直至阻斷漏風(fēng)通道，保持較低溫度。

圖7 南采區(qū)井筒火點(diǎn)后期治理鉆孔溫度變化曲線Fig.7 The curves of south mining area fire late governance drilling shaft temperature change

3.2.3 灌注液氮降溫惰化

根據(jù)2020 年1 月16 日，暫停南采區(qū)灌注防滅火材料，采用灌注液氮措施。1 月20 日，灌注液氮對火區(qū)進(jìn)行降溫惰化，其中：ZJ13 鉆孔灌注液氮23.36 t，TC1 鉆孔灌注液氮24.6 t，4#鉆孔灌注液氮23.12 t。灌注液氮前后部分鉆孔溫度變化示意圖如圖8。

圖8 灌注液氮前后部分鉆孔溫度變化示意圖Fig.8 The schematic of the infusion liquid nitrogen before and after of part drilling temperature changes

從圖8 可以看出，灌注液氮后TC2 鉆孔溫度基本保持不變，維持在100 ℃以下。ZJ13 鉆孔溫度有明顯下降趨勢，由110 ℃降至60 ℃以下，說明該處區(qū)域有封堵效果，氮?dú)夥e存時間長，惰化降溫效果較好。TC1 鉆孔溫度有上升趨勢，由90 ℃升高至200℃以上，說明該處區(qū)域仍存在通暢的漏風(fēng)通道，氮?dú)獠灰追e存，惰化效果較差。

4 結(jié) 論

1）煤田火區(qū)煤體燃燒過程中，煤體燃燒中心出現(xiàn)煤氧化學(xué)反應(yīng)釋放大量熱量，煤體上覆巖層外載能量與其內(nèi)能發(fā)生失穩(wěn)，上覆巖層重力失穩(wěn)，出現(xiàn)變形破壞，形成大量的熱破壞裂隙。在熱力風(fēng)壓作用下，通過裂隙場地表新鮮空氣為煤體燃燒提供充足的氧氣，同時燃燒產(chǎn)生的廢氣也通過這些裂隙排放到大氣環(huán)境中。

2）針對井筒大面積高溫火區(qū)，提出“區(qū)域隔離法”治理火區(qū)，實現(xiàn)對井筒火區(qū)的全面治理。

3）對火區(qū)鉆孔灌注防滅火材料，鉆孔溫度呈下降趨勢，但由于封堵仍未結(jié)束，存在漏風(fēng)通道，仍有部分鉆孔溫度長時間保持100～120 ℃，后期仍需采取封堵措施，進(jìn)行封堵。