微子鎮(zhèn)煤礦粉煤灰灌漿防滅火技術(shù)研究

劉 凱

(晉能控股煤業(yè)集團 三元微子鎮(zhèn)煤業(yè)，山西 長治 047500)

火災是危害礦井安全生產(chǎn)的主要災害之一，而煤層自燃是礦井火災發(fā)生的主要形式[1-2]。隨著淺部煤層儲量的逐漸減少，部分礦井下組煤的開采已成為主要進程，但下組煤多具有自燃發(fā)火傾向，受采空區(qū)殘煤、采空區(qū)漏風等因素影響，加之當前綜采工作面采高的不斷增大，煤層自燃現(xiàn)象發(fā)生頻率逐漸增大，極大地制約了礦井生產(chǎn)效率，因此在開采具有自燃發(fā)火傾向的煤層時，必須采取有效的防滅火措施，提高礦井安全性[3-4]。本文以微子鎮(zhèn)煤礦開采技術(shù)條件為基礎(chǔ)，采用理論分析方法對礦井主要發(fā)火原因進行了分析，綜合性地提出了礦井防滅火技術(shù)，為礦井綜采工作面的安全生產(chǎn)提供了技術(shù)指導。

1 礦井概況

微子鎮(zhèn)煤礦為低瓦斯礦井，主采煤層包括3號、15號煤層，由于3號煤層大部分區(qū)域已回采完畢，當前主采煤層為15號煤。15號煤厚度平均為3.84 m，埋深在175.7～337.8 m范圍內(nèi)，煤層結(jié)構(gòu)簡單，全區(qū)范圍內(nèi)穩(wěn)定可采，該煤層屬于自燃煤層，具有煤塵爆炸性。礦井采用中央并列式通風方式，工作面采用U型通風方式，礦井主斜井與副斜井為進風井，另單獨設(shè)有專用回風立井。

2 礦井發(fā)火機理及采空區(qū)三帶劃分

2.1 礦井發(fā)火機理分析

煤炭自燃是礦井火災發(fā)生的主要形式之一，由于煤炭自燃是一個復雜的反應過程，通過煤在低溫條件下與空氣中低含量的氧氣進行氧化作用，從而產(chǎn)生熱量，當熱量積聚達到一定條件后形成火災。根據(jù)煤炭自燃形成的原因，致災因素主要由煤層炭化程度、煤巖成分、含硫量、瓦斯含量、吸氧速度等煤體自身特性決定，此外，礦井通風情況、地質(zhì)構(gòu)造等因素也為煤層自燃創(chuàng)造了一定條件[5]。

微子鎮(zhèn)礦15號煤為自燃煤層，煤層揮發(fā)分平均值為17.57%，具有自燃危險性。煤層含硫量較高，原煤含硫量1.22%～4.76%，平均為2.55%，對煤自燃有一定促進作用。此外，15號煤煤層性脆、裂隙發(fā)育，參差狀斷口，將加快氧化速度，加之井田內(nèi)存在采空區(qū)和廢棄巷道等區(qū)域，這類區(qū)域由于長時間不通風，致使有毒有害氣體濃度增大后容易引發(fā)煤層自燃。

綜合上述分析，微子鎮(zhèn)礦15號煤發(fā)火因素主要為兩個：①井下廢棄巷道長時間不通風，致使有毒有害氣體濃度增大后容易引發(fā)煤層自燃；②采空區(qū)內(nèi)殘留煤體氧化容易引發(fā)自燃。

2.2 采空區(qū)自燃三帶劃分

為確定微子鎮(zhèn)礦綜采工作面采空區(qū)自燃“三帶”分布規(guī)律，以微子鎮(zhèn)礦15101工作面條件為例，采用布點測試采空區(qū)氣體成分方法進行判定。首先在工作面巷道內(nèi)預埋鋼管，鋼管長度設(shè)計為150 m，在布置鋼管范圍內(nèi)各安設(shè)4個測點，測點間距為50 m，監(jiān)測時間為20 d，期間內(nèi)工作面推進距離為142.5 m。

微子鎮(zhèn)礦綜采工作面采空區(qū)依據(jù)空氣中氧氣濃度確定“三帶”劃分，圖1、圖2為兩巷道在工作面推進期間空氣中氧氣濃度變化情況圖。可以看出，當進風巷監(jiān)測點進入采空區(qū)約35 m時，氧氣濃度首次出現(xiàn)低于18%的現(xiàn)象，監(jiān)測點在采空區(qū)內(nèi)35～104 m范圍內(nèi)，氧氣濃度在8%～18%范圍內(nèi)震蕩，當監(jiān)測點進入采空區(qū)超過104 m，氧氣濃度降至8%以下；當回風巷監(jiān)測點進入采空區(qū)7 m時，氧氣濃度下降到18%以下，監(jiān)測點在采空區(qū)內(nèi)7～53 m范圍內(nèi)，氧氣濃度在8%～18%范圍內(nèi)震蕩，當監(jiān)測點進入采空區(qū)超過53 m，氧氣濃度降至8%以下。根據(jù)該監(jiān)測結(jié)果，將氧氣濃度值8%、18%作為采空區(qū)自燃“三帶”劃分臨界點，“三帶”范圍劃分結(jié)果如表1所示，綜采工作面進風巷氧化升溫帶寬度為69 m，回風巷氧化升溫帶寬度為46 m。

圖1 進風巷測點氧氣濃度變化圖

圖2 回風巷氧氣濃度變化圖

表1 微子鎮(zhèn)礦綜采工作面“三帶”劃分范圍

3 防滅火技術(shù)研究

結(jié)合微子鎮(zhèn)礦開采煤層特性及采空區(qū)三帶劃分依據(jù)，15號煤層采用以灌漿防滅火為主，配合阻化劑防火系統(tǒng)，保證礦井的安全生產(chǎn)。

3.1 灌漿防滅火技術(shù)

1) 技術(shù)原理。灌漿防滅火技術(shù)是自燃煤層防滅火的主要技術(shù)之一，在諸多礦井中取得了良好的效果。15號煤采用粉煤灰灌漿防滅火工藝，由粉煤灰、水、工業(yè)鹽、懸浮劑以及膠凝劑按照一定比例混合形成漿液，其能夠吸收煤層內(nèi)熱量，充填煤巖體內(nèi)節(jié)理裂隙，避免煤炭體與空氣的直接接觸。漿液中的懸浮劑能夠防止顆粒物沉淀，使?jié){液內(nèi)物質(zhì)含量均勻。膠凝劑主要為水溶性分子，能夠有效鎖住水分子，形成流動性較差的粘彈性膠體。

2) 灌漿配比分析。15號煤灌漿采用粉煤灰漿液，根據(jù)粉煤灰化學成分測試，結(jié)果如表2所示。從表中可以看出，粉煤灰中SiO2、Al2O3為主要成分，并且Fe2O3、MgO成分含量較低，能夠保證漿液穩(wěn)定維持膠體狀態(tài)。

表2 粉煤灰成分分析 %

由于15號煤采用機械制備方式灌漿，通過主井工業(yè)場地設(shè)地面集中灌漿系統(tǒng)來為井下各灌漿點注漿，因此必須保證漿液流動性較好不容易堵管，同時需保證漿液具有一定的濃稠度，保證灌漿效果。為確定合理的水灰比，對不同比例下漿液狀態(tài)進行了對比，在確保溫度相同的條件下，分別制備了水灰比分別為8∶1、7∶1、6∶1、5∶1、4∶1的漿液，并在地面進行了凝固時間對比試驗。當水灰比大于4∶1時，漿液凝固時間在20～30 min內(nèi)，最快為24 min；當水灰比為4∶1時，漿液凝固時間明顯縮短，凝固時間最快為12 min。因此，根據(jù)漿液凝固時間，考慮灌漿效果，將漿液水灰比定為5∶1。

3) 灌漿防滅火工藝。微子鎮(zhèn)礦通過主井工業(yè)場地設(shè)地面集中灌漿系統(tǒng)來為井下各灌漿點注漿，注漿防滅火設(shè)備選用KDZS-1型，制漿量≥60 m3/h。灌漿工藝如圖3所示。

圖3 埋管灌漿示意

15號煤采用埋管灌漿法對采空區(qū)進行注漿。首先在回采前，沿回風巷道在采空區(qū)預先鋪好灌漿管，工作面每回采7 d進行一次全面灌漿，工作面推進速度按照7 m/d計算，因此單次灌漿管鋪設(shè)長度為45 m。灌漿工作與回采工作緊密配合，工作面正常推進時，灌漿時間為6 h，當下隅角流出漿液則立即停止注漿。當工作面初采距開切眼距離小于30 m或工作面停采撤架前30 m時，增大灌漿力度，灌漿時間為10 h，防止自燃火災事故的發(fā)生和擴大。

除灌漿外，為提高防滅火效果，15號煤工作面回采過程中同時采用阻化劑防火系統(tǒng)防治火災。阻化劑防滅火技術(shù)是指利用阻化原理將具有阻化性能的藥劑送入擬處理區(qū)，從而達到防滅火的目的。阻化劑選擇的好壞，不僅影響阻化效果和經(jīng)濟效益，而且對井下安全也有重要的影響。阻化劑必須滿足阻化率高、阻化壽命長、安全性好、費用低、設(shè)施腐蝕性小、供應充足、運輸方便等特點。氯化鈣(CaCl2)是常用的阻化劑，其成本較低，腐蝕性弱，供應穩(wěn)定、成本低，阻化劑濃度控制在18%.防火系統(tǒng)采用移動式噴灑壓注系統(tǒng)，在工作面回風巷內(nèi)靠近工作面安裝阻化劑藥箱，嚴格按照濃度要求添加清水，配成溶液攪拌均勻后，用高壓泵將阻化液沿巷道高壓膠管壓至工作面，原理如圖4所示。高壓膠管直徑為32 mm，鋪設(shè)在刮板輸送機電纜槽下方，與D25 mm的膠管和噴槍相連。1臺泵配1支噴槍，由專人手持噴槍，從支架間隙向采空區(qū)噴灑，每間隔5組支架噴1次，每次噴灑至少6 min，流量不小于70 L/min。噴灑阻化劑周期為3 d一次。

圖4 移動式噴灑系統(tǒng)工藝圖

3.2 實施效果

為驗證防滅火技術(shù)措施實施效果，往往通過監(jiān)測采空區(qū)指標性氣體含量確定。根據(jù)《煤自然發(fā)火標志氣體指標檢驗報告》，將CO、C2H4和C2H2作為煤層自燃發(fā)火指標氣體。當煤層已經(jīng)開始發(fā)生氧化作用時，將產(chǎn)生CO氣體，并且濃度逐漸升高；當煤層進入加速氧化階段時，將產(chǎn)生C2H4氣體，并且周圍煤體溫度將達到80～90.0 ℃或以上；當煤層進入劇烈氧化反應階段(即發(fā)生自燃)，將產(chǎn)生C2H2氣體，并且煤層局部溫度可達到233.0 ℃。

微子鎮(zhèn)礦綜合防滅火技術(shù)實施后，從2020年3月初開始到11月底，累計注黃泥漿4 411.44 m3，累計噴灑阻化劑626.4 m3，完成15101工作面采空區(qū)防滅火工作。為驗證該方案防治效果，在工作面回風巷內(nèi)布置4個監(jiān)測點，根據(jù)測點處溫度與回風流中CO、C2H4和C2H2等氣體濃度，確定采空區(qū)是否存在自燃情況。監(jiān)測點間距為45 m，每個測點監(jiān)測時間為70 d，期間根據(jù)采空區(qū)溫度及標志性氣體指標變化情況確定自燃發(fā)火情況。15101工作面回采期間，未采取防滅火措施前，回風流中CO濃度在6.8×10-6～2.4×10-5范圍內(nèi)，采空區(qū)周邊巷道溫度最高達到43 ℃。采取防滅火措施后，回風流中CO濃度穩(wěn)定在3.7×10-7～1.3×10-6范圍內(nèi)，采空區(qū)周邊巷道溫度在25～26 ℃范圍內(nèi)，回風流中未監(jiān)測到C2H4和C2H2等氣體存在，表明該方案取得了較好的防滅火效果。

綜上所述，本文以微子鎮(zhèn)礦15號煤地質(zhì)條件為基礎(chǔ)，采用理論分析方法，對自燃煤層礦井綜合防滅火技術(shù)進行了研究，主要結(jié)論有：15號煤發(fā)火因素主要為兩點：①井下廢棄巷道長時間不通風，致使有毒有害氣體濃度增大后容易引發(fā)煤層自燃；②采空區(qū)遺煤過多容易引發(fā)自燃。采用布點測試采空區(qū)氣體成分方法對采空區(qū)“自燃”三帶進行了劃分，綜采工作面進風巷氧化升溫帶寬度為69 m，回風巷氧化升溫帶寬度為46 m。提出采用粉煤灰灌漿防滅火技術(shù)對煤層自燃進行治理，對該技術(shù)工藝進行了設(shè)計。根據(jù)防滅火方案實施前后標志性氣體指標情況，該防滅火技術(shù)取得了較好的實踐效果。