漏風(fēng)條件下工作面煤自燃封堵防滅火技術(shù)研究

周 鵬

（內(nèi)蒙古蒙泰不連溝煤業(yè)有限責(zé)任公司）

煤炭是我國的主要能源，煤自燃發(fā)火嚴(yán)重威脅礦井的安全生產(chǎn)［1-3］。煤炭自燃主要發(fā)生在綜采工作面的采空區(qū)，隨著機(jī)械化水平的提高，厚煤層放頂煤一次采全高的開采方式得到大量應(yīng)用，隨之帶來的是采空區(qū)的遺煤量增大，而采空區(qū)遺煤自燃問題，大部分都是由于漏風(fēng)引起的［4-7］，漏風(fēng)導(dǎo)致采空區(qū)大量遺煤持續(xù)保持良好的供氧狀態(tài)，最終發(fā)生煤氧化自燃，故良好的封堵是防治煤炭自燃的關(guān)鍵，也是防止有害氣體涌出，保障工作面安全推采的前提。

1 工作面概況

不連溝煤礦F6211 綜放工作面（以下簡稱工作面）位于東翼二盤區(qū)，西至6 煤輔運(yùn)大巷，北臨F6210輔運(yùn)順槽，南臨F6212備采工作面，煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，含夾矸7～8 層，煤層平均厚度19.4 m，6 煤自燃傾向性為I 類容易自燃，自然發(fā)火期為31 d。工作面傾向長度275 m，安裝液壓支架160臺(tái)。在推采過程中，由于漏風(fēng)導(dǎo)致采空區(qū)遺煤高溫氧化，采空區(qū)CO 氣體濃度升高并不斷涌入工作面，嚴(yán)重影響了工作面的安全生產(chǎn)。F6211 工作面回風(fēng)隅角CO 氣體濃度變化趨勢(shì)如圖1所示。

2 治理分析

2.1 煤自燃成因分析

（1）地表漏風(fēng)。工作面煤層埋藏淺，距地表200 m 左右，工作面放煤高度10 m 以上，推采過后，采空區(qū)頂板垮落下沉，最終與地表導(dǎo)通，形成大量漏風(fēng)通道。從2018年12月10日—2019年1月30日，工作面漏風(fēng)量由350 m3/min 左右上升至1 200 m3/min 左右，采空區(qū)大面積供氧充足。

（2）推采緩慢。工作面推采過程中遇2 條大斷層，破巖工程量大，設(shè)備磨損嚴(yán)重，導(dǎo)致工作面推采緩慢，氧化蓄熱時(shí)間長。

（3）采空區(qū)遺煤多。工作面初采90 m 未放頂煤，采空區(qū)遺煤量大；放頂煤期間采空區(qū)有一定量遺煤，進(jìn)、回風(fēng)巷在推采過程中不放或少放頂煤，上、下部部分范圍遺煤較多。

2.2 治理難點(diǎn)分析

（1）受地表漏風(fēng)影響，采空區(qū)CO 氣體從工作面全長范圍內(nèi)涌出，且從F6212輔運(yùn)施工的措施孔抽取CO 氣體數(shù)據(jù)來看，準(zhǔn)確定位遺煤氧化升溫區(qū)域難度較大。

（2）地表漏風(fēng)裂隙豐富，漏風(fēng)量大，整個(gè)采空區(qū)處于持續(xù)供氧、氧化的有利環(huán)境，在工作面持續(xù)推進(jìn)的過程中，必然會(huì)有新的氧化升溫區(qū)域出現(xiàn)，氧化點(diǎn)分散。

（3）目前工作面已回采超過500 m，傾向距離較長，采取采空區(qū)灌水或黃泥漿很難有效地覆蓋遺煤氧化區(qū)域，達(dá)到窒息火源的目的。

（4）最為關(guān)鍵的問題在于，由于地表向采空區(qū)的漏風(fēng)通道暢通且動(dòng)態(tài)變化，架后垮落煤巖漏風(fēng)裂隙豐富，導(dǎo)致采空區(qū)內(nèi)的大量CO 氣體不只是從回風(fēng)隅角涌出，而是從進(jìn)風(fēng)隅角開始到進(jìn)風(fēng)側(cè)工作面架間的新鮮風(fēng)流都有大量CO 氣體。工作面內(nèi)高濃度的CO 氣體影響到工人身體健康及工作面安全順利生產(chǎn)。

（5）在采空區(qū)氧化范圍廣，氧化點(diǎn)多，治理難度大，周期長的情況下，地表回填工作又暫時(shí)不具備實(shí)施條件，故為最大程度降低工作面CO 氣體濃度，唯一有效的辦法是將工作面全長架后遺煤充填，降低漏風(fēng)及氣體涌出，為工作面快速推進(jìn)創(chuàng)造條件。

3 工作面封堵防滅火治理

3.1 治理方案

方案中針對(duì)工作面全長的防滅火注漿治理主要分兩步：第一步，工作面推進(jìn)15 m 不放頂煤，后放頂煤推采4 m 左右后停采；第二步，工作面全長架間打鉆灌注普瑞特Ⅱ防滅火材料。工作面全長276 m 左右，共有160臺(tái)液壓支架。通過工作面架間向采空區(qū)打設(shè)注漿鉆孔，設(shè)計(jì)在2 臺(tái)液壓支架架間布置1 個(gè)注漿鉆孔，鉆孔終孔點(diǎn)控制在距后尾梁10 m 的位置，終孔高度在煤層底板以上4 m。打鉆設(shè)計(jì)如表1、圖2、圖3所示。

3.2 普瑞特固化泡沫封堵技術(shù)

（1）技術(shù)特點(diǎn)。普瑞特固化泡沫封堵材料采用創(chuàng)新性的發(fā)泡技術(shù)，發(fā)泡和固化過程均不產(chǎn)生熱量；發(fā)泡后，初期呈乳化狀泡沫，具有良好的流動(dòng)性，有利于擴(kuò)散，可在破碎巖體內(nèi)達(dá)到理想的充填效果，固化后能夠全面填充注漿位置周圍煤巖裂隙；固化泡沫體阻燃性好，在上千度的高溫火源下泡沫不坍塌，不燃燒，也不助燃；最終形態(tài)為固化泡沫體，固化后的泡沫閉孔率高，透氣率低，泡沫與煤巖體固結(jié)成一體，能夠有效充填空洞裂隙，具有良好的封堵漏風(fēng)性能［8-11］。普瑞特固化泡沫主要技術(shù)參數(shù)如表2所示。

（2）應(yīng)用工藝。普瑞特固化泡沫由A 料和B 料組成，按體積比1∶1 通過混合槍進(jìn)行混合反應(yīng)，通過鉆孔壓注進(jìn)入充填封堵區(qū)域，在很短時(shí)間內(nèi)發(fā)生聚合反應(yīng)，并逐漸固化。普瑞特Ⅱ型固化泡沫的制備系統(tǒng)工藝流程如圖4所示。

3.3 應(yīng)用效果

工作面采用全長架后打鉆注漿治理措施，通過鉆孔注入的普瑞特固化泡沫，發(fā)泡后以泡沫狀向采空區(qū)破碎煤巖裂隙內(nèi)流動(dòng)和擴(kuò)散，全面覆蓋充填注漿周圍煤巖裂隙上、中、下位置，固化后粘附在煤巖體表面，與煤巖體形成密實(shí)的固結(jié)體，有效地阻斷了漏風(fēng)通道，固化泡沫體中含有一定量的水分，對(duì)高溫氧化點(diǎn)起到了吸熱降溫的作用，在采空區(qū)內(nèi)形成了一道防火墻，控制了煤自燃區(qū)域擴(kuò)大蔓延的現(xiàn)象，避免了火災(zāi)事故，保證了工作面繼續(xù)安全推采。工作面治理前后CO氣體變化曲線如圖5、圖6所示。

4 結(jié)論

（1）F6211 工作面煤層厚，采空區(qū)遺煤量大，加之地表漏風(fēng)明顯，采空區(qū)遺煤長時(shí)間的供氧、蓄熱，最終工作面采空區(qū)深部發(fā)生遺煤氧化自燃，采空區(qū)內(nèi)部氧化產(chǎn)生的大量CO 等有害氣體涌入工作面，嚴(yán)重影響工作面作業(yè)安全。

（2）通過對(duì)工作面遺煤自燃成因及治理難點(diǎn)的分析，氧化自燃區(qū)域較為復(fù)雜且隱蔽，針對(duì)氧化區(qū)域的治理很難達(dá)到較好的治理效果。同時(shí)結(jié)合明顯的地表漏風(fēng)問題，提出了工作面封堵漏風(fēng)的治理方案，在封堵的前提下防止大量有害氣體涌出，最終能保證工作面的安全作業(yè)，快速推進(jìn)。

（3）治理施工采用普瑞特固化泡沫封堵技術(shù)，該材料主要解決了發(fā)泡充填材料的反應(yīng)發(fā)熱問題，避免對(duì)遺煤帶來自燃隱患，針對(duì)遺煤自燃區(qū)域的充填封堵效果突出，施工工藝簡單、快捷。

（4）該防滅火技術(shù)在F6211工作面全長的封堵治理施工，最終工作面的CO 氣體得到有效的控制，工作面在安全的環(huán)境下持續(xù)生產(chǎn)。此次防滅火治理也為類似工作面的煤自燃防治工作提供了新的材料、技術(shù)手段和寶貴的經(jīng)驗(yàn)。