新型高分子材料防滅火技術(shù)研究與安全評估

秦存利 劉袁昊 李 軍

（山東科技大學(xué)安全與環(huán)境工程學(xué)院，山東 青島 266590）

凝膠防滅火技術(shù)是一種新型防滅火方法。該方法可降溫、堵漏、阻化等，能有效解決注水、灌漿的泄漏；該方法適應(yīng)性強，能快速地控制火勢[1-4]。該技術(shù)具有以下特點：（1）滅火速度快。膠體擁有獨特的滅火性能，無論工作面火勢大小，都能快速滅火。（2）膠體在煤體中膠凝固化，將漏風(fēng)通道堵住，有害氣體消失比較快[5-7]。（3）高溫環(huán)境下，膠體不會產(chǎn)生大量蒸汽，不會發(fā)生水蒸氣傷人和水煤氣爆炸事故。（4）火區(qū)啟封時間短。注膠滅火完成后，即可啟封火區(qū)。（5）復(fù)燃性低。膠體滲透的地方都不會復(fù)燃[8]。

基于以上特點，東灘煤礦1309 綜放工作面停采撤面期間，在停采工作面軌道運輸順槽、皮帶運輸順槽端頭采取打設(shè)隔離墻、噴涂封閉材料，以及在兩端頭及架間施工防滅火鉆孔壓注膠體的方式進(jìn)行防滅火預(yù)處理，并進(jìn)行了毒害氣體檢測與安全評估，保障了工作面的安全高效生產(chǎn)。

1 礦井概況

可采與局部可采煤層7 層（2、3、6、15上、16上、17、18上），平均煤層總厚12.92 m。其中主采煤層為3（局部分為3上、3下）、16上、17 煤，共厚10.58 m，占可采總厚的82%，特別是3 煤，厚度變化小、穩(wěn)定，是該礦開采的主要煤層，平均厚度8.5 m?，F(xiàn)開采煤層為3 煤層，采煤方法為一次采全高和綜合機械化放頂煤開采法，全部冒落法管理頂板。礦井確定為低瓦斯礦井，瓦斯相對涌出量為0.12 m3/t，絕對涌出量為1.64 m3/min；二氧化碳相對涌出量為1.13 m3/t，絕對涌出量為15.38 m3/min。

2 注膠防滅火工藝

（1）凝膠配比

一是水玻璃溶液。水玻璃同水的質(zhì)量比為15%，由北風(fēng)井制漿站配制，配制完成后通過注膠管路向井下輸送。二是添加小蘇打溶液粉末。小蘇打粉末同水玻璃溶液水的質(zhì)量比在3%～5%之間，在施工地點向注膠泵溶箱內(nèi)添加小蘇打粉末并攪拌均勻后壓注到注膠干管中。

（2） 注凝膠設(shè)備

注膠泵采用ZHJ-5/1.8G 型滅火注漿機，設(shè)備如圖1。

圖1 注膠設(shè)備

該設(shè)備是一種用來輸送凝膠（水+基料+促凝劑）的泵組，可通過頂部加料口將小蘇打溶液與水玻璃溶液混合后，經(jīng)出液口輸送到用膠地點。

（3）注凝膠管路流線

北風(fēng)井制漿站→北風(fēng)井井底車場→北翼北總回→東翼總回→一采行人上山→1309 軌道運輸順槽、皮帶運輸順槽行人聯(lián)巷→注漿機（混合小蘇打）→1309 軌道運輸順槽、皮帶運輸順槽（注膠地點）。

（4）注凝工藝流程

水玻璃凝膠防滅火工藝流程圖如圖2。

圖2 水玻璃凝膠防滅火工藝流程圖

北風(fēng)井制漿站人員用量杯盛取11 mL 水玻璃溶液（密度為1.36 t/m3）與40 mL 水混合，取4 g 小蘇打溶于60 mL 水中，待兩種溶液混合后，成膠時間控制在2 min 之內(nèi)即為合格。每池水玻璃做好配比試驗記錄，詳細(xì)記錄配膠參數(shù)及成膠時間。

制漿池水玻璃溶液質(zhì)量配比為15%，每池加水玻璃溶液為5000 kg，加水33 m3，配置水玻璃溶液為36.6 m3。

（5）管路沖水

注膠前對1309 停采面沿線注膠系統(tǒng)管路進(jìn)行沖水工作，注膠結(jié)束后，將水沖至1309 皮帶運輸順槽停采線內(nèi)，沖水量為管路容積的2 倍（272 m3）。注膠期間，連接通1309 運順密閉停采線注膠管路不再拆除，以便隨時進(jìn)行管路卸壓沖水，注膠結(jié)束后將1309 運順停采線管路拆除。

（6）管路連接與注膠

注膠泵采用Φ13 mm 或Φ10 mm 高壓膠管接通地面配制好的水玻璃溶液，注膠泵出口至材料添加點采用Φ32 mm 高壓膠管連接。注膠地點干管上發(fā)出1 個分流器，分流器與鉆孔選用Φ25 mm 膠管連接。根據(jù)現(xiàn)場情況進(jìn)行調(diào)整連接鉆孔個數(shù)，其中分流器留有1個出口觀察，進(jìn)行卸壓、觀察成膠質(zhì)量。

電話通知制漿站輸送水玻璃溶液，正式開始注膠前，施工人員向注膠泵溶箱內(nèi)添加小蘇打粉末并攪拌，待攪拌均勻后開啟注膠泵將混合后的水玻璃溶液壓注到注膠干管中。水玻璃溶液流量控制在10～15 m3/h，注膠泵流量控制在5 m3/h，小蘇打添加量為每小時5%（約12 袋），計15～20 m3/h。注膠現(xiàn)場每2 h 做一次成膠試驗，根據(jù)現(xiàn)場成膠情況調(diào)整小蘇打添加量，確保成膠質(zhì)量。

（7）SF-1 賽福特材料快速密閉

兩種液體經(jīng)設(shè)備加壓用噴槍送到預(yù)填點，液體膨脹，填充煤巖空間及裂隙，具有很強的粘結(jié)性，并能與煤（巖）塊體混凝土等多種材料粘結(jié)，固化成整體，具有極強的密封堵漏（風(fēng)、水）性及抗壓、抗剪切的強度。

A、B 料按1:1 配比；23（±2） ℃條件下反應(yīng)時間在5～30 s 可調(diào)；反應(yīng)特性：根據(jù)不同的要求制得不同的發(fā)泡倍數(shù)；抗壓強度大于0.5 MPa；粘結(jié)強度大于0.5 MPa。

將泵固定接氣源，將吸漿管插入A、B 料箱內(nèi)，輸排管連接注射槍，從槍接出輸漿管，至充填地點，流程如圖3。

圖3 工藝流程圖

（8）LFM 輕型充填材料

水灰比1:0.4～0.8，一噸LFM 輕型充填材料可充填7～10 m3的空間；充填體耐壓強度0.3～1 MPa；初凝時間為20 s～120 s，1 h 后產(chǎn)生強度。材料如圖4。

圖4 LFM 輕型充填材料

按照水灰比1:1.5 的比例混合，利用氣動泵將混合材料經(jīng)注射管噴灑到煤表。充填材料流程如圖5。

圖5 LFM 輕型充填材料防滅火工藝流程圖

3 安全性與環(huán)保性檢測方案

為了準(zhǔn)確地測定防滅火材料在現(xiàn)場產(chǎn)生的氣體情況，取樣點盡量避開斷層、褶皺、裂隙帶等地質(zhì)構(gòu)造帶，盡量保持注膠后的狀態(tài)。根據(jù)井下實際狀況，布置取樣點，間距不小于50 m。取樣位置如圖6。

圖6 取樣位置確定

對1309 工作面兩端頭20 組支架所組成的2-1#與2-2#區(qū)域以及注膠花管外漏端進(jìn)行氣體檢測，并取氣體回實驗室進(jìn)行檢測。在噴涂SF-1 賽福特快速密閉材料和LMF 輕型充填材料期間，工作人員需要現(xiàn)場對1#和3#區(qū)域氣體進(jìn)行檢測，并用儀器取氣體帶回實驗室檢驗。

4 氣體檢測數(shù)據(jù)及評價分析

在注水玻璃凝膠施工過程中，氣體檢測數(shù)據(jù)見表1。

表1 氣體檢測數(shù)據(jù)表

續(xù)表

根據(jù)表1 中數(shù)據(jù)分析得出，水玻璃凝膠材料在原材料存放區(qū)、混成料區(qū)、注膠位檢測的氣體值：一氧化碳最高值為0.03，二氧化碳最高數(shù)值為0.12%，二氧化氮最高數(shù)值0.040，氨最高數(shù)值0.68，二氧化硫＜0.6，硫化氫＜0.55，氧氣最低值21.2%，甲烷最高值0.045%，均未超過相關(guān)規(guī)定，符合《煤礦安全規(guī)程》第一百三十五條對井下氣體的要求。