寶鼎礦區(qū)花山煤礦多誘因大范圍火區(qū)治理關(guān)鍵技術(shù)

何顏遠(yuǎn)，龍傳富，于貴生，楊 平

（1.攀枝花煤業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，四川 攀枝花617068；2.中煤科工集團(tuán)沈陽研究院有限公司，遼寧 撫順113122；3.煤礦安全技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 撫順113122）

在煤礦火災(zāi)事故中，外因火災(zāi)占有較大比例，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，其通常情況下占重大惡性事故比例80%以上，且死于外因火災(zāi)事故的人數(shù)占總數(shù)的65%[1-2]，除老舊電氣機(jī)械設(shè)備異常運(yùn)行與不良保養(yǎng)及管理不善、火電焊明火源等因素外，近幾年，因化工材料使用與操作管理不當(dāng)引起的礦井火災(zāi)頻次增多，一旦發(fā)生火災(zāi)其產(chǎn)生的大量高溫?zé)熈髋c有害氣體，可嚴(yán)重危及井下工作人員的生命安全，給礦井帶來巨大災(zāi)難[3-4]。

2014 年6 月28 日，寶鼎礦區(qū)花山礦4238 工作面過斷層時因充填材料使用不當(dāng)引發(fā)工作面火災(zāi)，且火勢因礦井正壓通風(fēng)、多煤層聯(lián)合開采、復(fù)雜地質(zhì)條件等多誘因條件下，逐漸蔓延形成+1 030 m 水平四采大面積隱蔽陰燃火區(qū)，傳統(tǒng)單一的火災(zāi)防治辦法已不見成效[5]，為此以花山礦“6.28”外因火災(zāi)治理工程為例，深入介紹遠(yuǎn)距離封閉后縮封、無機(jī)材料充填、液態(tài)二氧化碳降溫冷卻[6]、注氮惰化、施工措施巷灌注粉煤灰漿[7]、陰燃火區(qū)外圍巷道充填等綜合滅火技術(shù)[8-10]、應(yīng)用過程及綜合治理效果，為其他礦區(qū)類似礦井火災(zāi)的治理提供借鑒。

1 礦區(qū)概況

1.1 礦區(qū)地形地質(zhì)概況

礦區(qū)地勢南高北低，海拔1 002～2 518 m，區(qū)內(nèi)沖溝密布、山勢較陡，局部陡崖發(fā)育，地形坡度多在25°，局部近60°，礦區(qū)地質(zhì)條件復(fù)雜，突出表現(xiàn)在：

1）大箐向斜（S4）從礦區(qū)北部沿江溝附近延展入礦井，地層走向NNE，傾角一般25°～40°，由北往南逐漸增大，局部達(dá)70°～90°。

2）褶曲多，褶曲多呈NNE 或NE 方向展布于礦區(qū)北西及東部邊緣大蕎地組的中下部，均向南傾伏，個別褶曲在局部地段傾向西。

3）斷層發(fā)育，以逆斷層為主，正斷層次之，平推斷層很少，規(guī)模較大的斷層多分布在礦區(qū)邊緣煤系地層的中、下部，以高角度的走向或斜交逆斷層為主。

1.2 礦區(qū)內(nèi)花山煤礦周邊小窯概況

礦區(qū)內(nèi)花山煤礦附近原有29 個小煤礦，目前均已全部關(guān)閉，其中與花山礦直接關(guān)聯(lián)的老窯共有10個，依次為天道勤工貿(mào)灰家所一礦、圣凱煤業(yè)灰家所煤礦、揚(yáng)帆工貿(mào)道中橋煤礦、揚(yáng)帆工貿(mào)老花山煤礦、志森工貿(mào)羅家屋基煤礦、攀威工貿(mào)有限責(zé)任公司干巴塘煤礦、揚(yáng)帆工貿(mào)半山煤礦、楊帆工貿(mào)三十九處煤礦、宜橙工貿(mào)大灣子煤礦、原沿江礦多經(jīng)公司小井，所述小窯主要位于花山礦四采區(qū)北翼、五采區(qū)東翼、六采區(qū)、七采區(qū)、九采區(qū)、三采區(qū)、+900 m 水平一、二采區(qū)等。

小窯煤礦對花山礦1#～40#煤層均存在不同程度采掘活動，經(jīng)多年開采，各煤礦間采空區(qū)出現(xiàn)連通、老窯水與煤礦導(dǎo)通、礦井間隔離煤柱遭到破壞、老巷與采空區(qū)裂隙增多等現(xiàn)象。

2 火災(zāi)誘因

1）小窯開采破壞嚴(yán)重?；ㄉ降V周邊29 個小煤窯前期均對礦井40 個煤層進(jìn)行過部分開采，一定程度上對花山礦正常生產(chǎn)、開拓部署及通風(fēng)系統(tǒng)造成了嚴(yán)重破壞，尤其是小窯煤礦生產(chǎn)技術(shù)嚴(yán)重落后，越界跨層開采現(xiàn)象時有發(fā)生，且小窯巷道與采空區(qū)呈立體交錯分布，遺留大量浮煤，開采過程也不采取任何災(zāi)害防治措施，嚴(yán)重亂采亂挖，地質(zhì)與礦井開采資料不全，很難確定鄰近小煤窯巷道布置與開采情況，當(dāng)小窯采煤工作面入侵到花山礦開采區(qū)域時，易與之開采巷道貫通或裂隙導(dǎo)通，加之通風(fēng)方式“一壓一抽”，漏風(fēng)難以控制，給滅火治災(zāi)過程帶來嚴(yán)重負(fù)面干擾。

2）地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜?；ㄉ骄飻鄬?、褶皺較為發(fā)育，大菁向斜（S4）貫穿整個礦區(qū)，且煤層傾角大，多煤層聯(lián)合開采，導(dǎo)致孔隙及裂隙等暢通，其危害性表現(xiàn)：①斷層是煤炭資源在形成過程中產(chǎn)生的一種地質(zhì)構(gòu)造，其形式及規(guī)模對后期鉆孔施工與注漿造成干擾；②褶皺結(jié)構(gòu)起到控制煤層中熱量傳播的作用，尤其是當(dāng)褶皺處于背斜時，火區(qū)產(chǎn)生的熱量在煤層中持續(xù)蓄積，導(dǎo)致降溫過程緩慢。

3）礦井正壓通風(fēng)方式?；ㄉ降V采用正壓通風(fēng)方式，對于克服周邊小窯礦井多，避免上覆采空區(qū)、老采空區(qū)及舊巷有毒有害氣體下泄至待采待掘工作面與巷道具有一定的積極作用，但對于花山礦“6.28”火災(zāi)的綜合治理來講較為不利，巷道內(nèi)正壓通風(fēng)，新鮮風(fēng)流順著裂隙等空間進(jìn)入火區(qū)，向火區(qū)持續(xù)供氧，使火處于持續(xù)燃燒狀態(tài)，絕氧措施難以到位，同時正壓通風(fēng)使漏風(fēng)直通礦井總回風(fēng)甚至地表，則火勢順著漏風(fēng)路線逐漸蔓延，且在途徑地點(diǎn)形成新火源點(diǎn)，逐漸發(fā)展成大面積隱蔽陰燃火區(qū)。

3 火災(zāi)蔓延過程與外圍陰燃火區(qū)狀態(tài)形成原因

3.1 火災(zāi)蔓延過程

花山礦4238 工作面位于+1 030 m 水平四采區(qū)，主采23#煤層，平均傾角39°，煤層總厚度為3.69 m，平均采高5.06 m，屬于自燃煤層。2014 年1 月，回采揭露F1斷層，造成18#～26#架間出現(xiàn)傾斜長15 m、高度約16 m、沿走向深度為8 m 的高冒區(qū)，結(jié)合現(xiàn)場情況，對斷層附近煤體注漿；對高冒區(qū)用錨索吊鐵道鋪底、木垛接頂方式聯(lián)合控制頂板。6 月17日—6 月26 日，高冒區(qū)先后共充填天固材料20 t，因短時間內(nèi)快速充填造成的熱量積聚，充填部位開始冒煙，及時用水降溫未果2 d 后，高冒充填區(qū)開始明火燃燒，雖采取調(diào)壓、控風(fēng)等措施，但7 月3 日，先后發(fā)現(xiàn)4238 回風(fēng)巷、4236 邊上山上口出現(xiàn)明火，且+1 218 m 車場巷道口已部分垮落，至7 月10 日，不得不對+1 030 m 水平四采火區(qū)實(shí)施遠(yuǎn)距離大范圍封閉。后期逐漸對火區(qū)回風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行縮封調(diào)整，通過鎖風(fēng)、縮封巷道逐步解放出+1 030 m 水平四采主石門、+1 030 m 水平四采上煤組片區(qū)巷道、4158 及4068 工作面，實(shí)現(xiàn)中煤組軌道上山半永久解放，也為后期進(jìn)行無機(jī)材料充填、液態(tài)CO2灌注創(chuàng)造條件。

3.2 外圍陰燃火區(qū)狀態(tài)形成原因

燃燒學(xué)中，陰燃被定義為在一定條件下發(fā)生的無可見光的緩慢燃燒現(xiàn)象，其是一種自維持、不斷傳播、異相反應(yīng)的放熱氧化過程，單位時間內(nèi)釋放的熱量也比較小，與有焰燃燒不同，其只是在氣固相界面處燃燒，不產(chǎn)生火焰，煤體成熾熱狀態(tài)，因此也稱為無焰燃燒或表面熾熱型燃燒。它具有一般燃燒過程特點(diǎn)，同時也具有自身特點(diǎn)，如反應(yīng)相對緩慢、產(chǎn)生更多有毒有害氣體、沒有火焰、潛伏期較長、不易察覺、廣泛存在于氧氣供給不足環(huán)境中，此外，在一定條件下，會向有焰火燃燒狀態(tài)轉(zhuǎn)變。

具體到花山礦+1 030 m 水平四采火區(qū)的陰燃狀態(tài)，認(rèn)為其產(chǎn)生的原因與火區(qū)采取遠(yuǎn)距離大范圍封閉措施后，火區(qū)與外界間漏風(fēng)壓差，在周邊小窯開采破壞、層間漏風(fēng)、正壓通風(fēng)方式等因素長時間作用下，在一定時間內(nèi)形成了弱平衡狀態(tài)，但外界向火區(qū)仍保持一定漏風(fēng)供氧，導(dǎo)致+1 030 m 水平四采23#煤層出現(xiàn)陰燃現(xiàn)象，且不斷呈緩慢蔓延模式擴(kuò)散。

4 前期大范圍火區(qū)綜合治理技術(shù)

1）火區(qū)逐步縮封?？s封火區(qū)，逐漸接近4238 工作面火區(qū)，實(shí)現(xiàn)火區(qū)進(jìn)風(fēng)側(cè)+1 030 m 與火區(qū)回風(fēng)側(cè)+1 380 m 水平回風(fēng)石門逐步縮封，為后期采取治災(zāi)措施創(chuàng)造條件，具體措施為：①縮封+1 138 m 水平石門15#～21#煤層區(qū)間，恢復(fù)通風(fēng)；②注漿充填4238、4246 回風(fēng)巷外段巷道，噴涂處理4236 小上山與4226 運(yùn)輸巷密閉、+1 138 m 水平石門至中煤組運(yùn)煤上山擋風(fēng)墻；③依次恢復(fù)南回風(fēng)上山、+1 138 m水平石門、中煤組軌道上山巷道通風(fēng)，再對+1 218 m與+1 274 m 水平中煤組車場及橋式車場密閉進(jìn)行處理；④對4236 邊上山下口注漿充填，并利用4238運(yùn)輸巷鉆孔向4238 工作面灌注液態(tài)CO2，并縮封+1 056 m 水平石門，采取以上措施后，火區(qū)各密閉觀測孔均為進(jìn)風(fēng)狀態(tài)。

2）火區(qū)內(nèi)液態(tài)惰性氣體降溫與注漿充填治理技術(shù)。縮封接近4238 火區(qū)后，分別對4236 穿層石門塌陷點(diǎn)、4238 回風(fēng)巷外段巷道、4236 運(yùn)輸巷與4238 回風(fēng)巷間外段隔離煤柱等3 處地點(diǎn)進(jìn)行充填，累計(jì)填埋沙子50 m3、灌注水泥27 t、無機(jī)材料232 t，基本實(shí)現(xiàn)前述3 個地點(diǎn)的充填隔離目的。另外，考慮到盡快降低4238 工作面火區(qū)內(nèi)溫度（滅火的3 種主要方法，即隔離、窒息與冷卻），由+1 030 m 水平石門向4238 運(yùn)輸巷施工2 個灌注液態(tài)二氧化碳鉆孔，前后3 輪累計(jì)注液態(tài)CO22 170 t 以上。

3）大范圍火區(qū)隔離分區(qū)治理技術(shù)。通過初期的綜合治理，+1 030 m 水平四采火區(qū)逐漸蔓延形成4238 工作面火區(qū)、4238 回風(fēng)巷與4246 回風(fēng)巷、4236邊上山等3 個區(qū)域，針對火區(qū)分布狀態(tài)，針對性地提出火區(qū)分區(qū)隔離治理技術(shù)方案并在2018 年以后實(shí)施。該方案的核心是沿24#層掘進(jìn)1 條滅火措施巷（基本與4238 回風(fēng)巷上下重合，長度相當(dāng)），待其到位后，施工火區(qū)觀測孔與注漿孔，并大致按照先觀測孔后注漿孔、先4238 與4246 回風(fēng)巷后4236 運(yùn)輸巷與4236 邊上山順序共分11 輪進(jìn)行施工，包括隔離煤柱鉆孔與探查鉆孔，累計(jì)施工鉆孔143 個，其中，有效孔97 個，24#層措施巷鉆孔布置如圖1。鉆孔根據(jù)注漿效果逐步補(bǔ)充施工，在4238 工作面與火區(qū)回風(fēng)側(cè)方向3 條巷道達(dá)到預(yù)計(jì)充填效果后，全斷面充填24#層措施巷及關(guān)聯(lián)巷道，減少正向漏風(fēng)強(qiáng)度。4238回風(fēng)巷、4236 運(yùn)輸巷、4246 回風(fēng)巷及相關(guān)聯(lián)絡(luò)巷實(shí)際灌漿總量為27 321 m3，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于灌漿量23 000 m3；24#層措施巷、24#層聯(lián)絡(luò)下山至+1 138 m 水平石門密閉區(qū)域?qū)嶋H灌漿總量為5 372 m3，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于預(yù)計(jì)灌漿量約為2 856 m3，從注漿量角度，4238 與4246 回風(fēng)巷、4236 運(yùn)輸巷、24#層措施巷及聯(lián)絡(luò)巷達(dá)到了全斷面充填隔離要求。半年時間，4238 工作面火區(qū)氧氣體積分?jǐn)?shù)在5%以下；出水溫度在21～23℃之間，長期監(jiān)測一直無CO、C2H4、C2H2等標(biāo)志氣體；空氣溫度在26～28 ℃之間，則判定4238 工作面火已熄滅，同時說明3 條大巷及關(guān)聯(lián)巷道注漿充填實(shí)現(xiàn)了大范圍火區(qū)隔離，即4238 工作面已與回風(fēng)方向蔓延火區(qū)隔離，接下來火區(qū)治理工作重點(diǎn)是熄滅外圍陰燃火區(qū)。

圖1 24#層措施巷鉆孔布置Fig.1 Schematic diagram of borehole arrangement in measure roadway of 24# coal seam

5 現(xiàn)階段陰燃火區(qū)治理關(guān)鍵技術(shù)

5.1 陰燃火區(qū)窒息封堵技術(shù)

為最大程度地實(shí)現(xiàn)陰燃區(qū)域窒息，且考慮下一步由地面向中煤組軌道上山大量灌漿密閉承壓問題，則對陰燃區(qū)域進(jìn)風(fēng)側(cè)進(jìn)行強(qiáng)化漏風(fēng)封堵，且對密閉提出更高要求，分別在中煤組軌道上山與+1 138 m水平車場建立2 道混凝土承壓密閉墻，根據(jù)密閉防滅火技術(shù)規(guī)范，結(jié)合煤礦井下防水閘門設(shè)計(jì)規(guī)范，對2 道承壓密閉墻相關(guān)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，經(jīng)計(jì)算，閉墻采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)；頂、底、圍巖掏槽深度1 m；墻體厚度3 m，承壓密閉墻技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 承壓密閉墻技術(shù)參數(shù)Table 1 Technical parameters of confined wall

期間，配合高強(qiáng)度壓注常規(guī)氮?dú)獾戎舷⒋胧刂?020 年5 月底，累計(jì)注氮約3.41×106m3。

5.2 注漿充填隔離技術(shù)

隔離手段的核心思路是對中煤組軌道上山2 道混凝土承壓密閉墻以上至+1 274 m 水平車場全部充填粉煤灰復(fù)合膠體，將陰燃火區(qū)與周邊區(qū)域最大程度地隔離。

考慮到碹頭高處位于+1 200 m 水平，本著經(jīng)濟(jì)治災(zāi)思想，粉煤灰復(fù)合膠體只充填中煤組軌道上山+1 138 m 水平至+1 218 m 水平，同時配合大骨料堆積隔離材料凝結(jié)快、凝固后承壓強(qiáng)度高特點(diǎn)，即2種材料交替注漿充填方法充填隔離火區(qū)，外圍隔離火區(qū)治理示意圖如圖2。

圖2 外圍隔離火區(qū)治理示意圖Fig.2 Schematic diagram of management of peripheral isolated fire area

截止2020 年5 月底，中煤組軌道上山充填粉煤灰接近300 t，目前充填隔離作業(yè)仍在進(jìn)行中，通過近3 個月的連續(xù)分析，25#層南翼回風(fēng)上山密閉氣體化驗(yàn)數(shù)據(jù)CO 體積分?jǐn)?shù)由原來的2×10-5～5×10-5降至1×10-5，說明外圍陰燃火區(qū)隔離效果已初步顯現(xiàn)。

6 結(jié) 論

1）寶鼎礦區(qū)花山井田采取遠(yuǎn)距離封閉與主動滅火、分區(qū)隔離治火相結(jié)合的基本思路治理+1 030 m水平大范圍陰燃火區(qū)經(jīng)實(shí)踐證實(shí)是可行的。

2）+1 030 m 水平大范圍陰燃火區(qū)經(jīng)采取遠(yuǎn)距離封閉后縮封、無機(jī)材料充填、液態(tài)CO2降溫冷卻、注氮惰化、施工措施巷灌注粉煤灰漿、陰燃火區(qū)外圍巷道充填等綜合滅火技術(shù)高強(qiáng)度、長時間治理，火區(qū)火已逐漸熄滅，CO 體積分?jǐn)?shù)控制在1×10-5以下，期間，累計(jì)注無機(jī)材料292 t；注液態(tài)CO22 350 t；注N23.41×106m3；注粉煤灰3.1×104t，目前火區(qū)治理處于收尾階段，該火區(qū)的成功治理為礦井下水平采掘接替創(chuàng)造了有利條件。