高瓦斯環(huán)境下“固、液、氣”三位一體防滅火技術(shù)的應(yīng)用

盧 浩，何啟林，李金亮，陸 偉

(安徽理工大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，安徽 淮南 232001)

煤炭是我國(guó)的主要能源之一，在一次性能源消耗中其所占比例高達(dá)60%[1-4]。隨著煤炭開(kāi)采向西部、北部地區(qū)延伸，易自燃煤層越來(lái)越多，煤自燃事故在煤礦安全事故中的比重也在增大。煤自燃往往會(huì)引發(fā)瓦斯燃燒與爆炸等次生事故，造成嚴(yán)重的后果。據(jù)統(tǒng)計(jì)，近年來(lái)煤自燃事故共導(dǎo)致100余人死亡、70余人重傷[5-7]。針對(duì)煤炭自燃的問(wèn)題，我國(guó)科研人員研發(fā)了多種防滅火材料，主要有三相阻化泡沫、凝膠泡沫、無(wú)機(jī)固化泡沫、稠化砂漿等[8-16]。隨著礦井開(kāi)采強(qiáng)度提高，開(kāi)采深度增大，煤層自燃傾向性與煤層瓦斯含量逐漸增大，在煤層開(kāi)采過(guò)程中，若發(fā)生煤層自燃往往會(huì)出現(xiàn)火與瓦斯共存的情況，在滅火與救災(zāi)過(guò)程中極易發(fā)生瓦斯爆炸事故，因此，許多科研人員針對(duì)火與瓦斯共存的情況進(jìn)行了研究。湯平等[17]針對(duì)上覆采空區(qū)自然發(fā)火的情況，基于火與瓦斯耦合區(qū)域判別法提出了全斷面噴漿、注漿鉆孔兼作泄放瓦斯孔的防滅火措施；陳強(qiáng)盛[18]針對(duì)瓦斯燃燒和爆炸同時(shí)存在的情況，提出了利用低洼處進(jìn)行“水封”控制，以及從地面打孔灌注液態(tài)CO2的技術(shù)措施；魏海亮等[19]針對(duì)存在大量浮煤致使瓦斯?jié)舛炔粩嗌叩那闆r，提出了高位鉆孔抽放瓦斯及防滅火一體化技術(shù)、堵漏控氧、注氮相融合的治理技術(shù)體系；董強(qiáng)等[20]針對(duì)低透氣性自燃煤層瓦斯與火共存的問(wèn)題，提出了上隅角淺部插管抽放瓦斯與篩管注氮相結(jié)合的防滅火措施。為了更好地隔離易自燃區(qū)與瓦斯聚集區(qū)，達(dá)到堵漏、隔氧、降溫、滅火的目的，筆者提出三位一體聯(lián)合防滅火技術(shù)。以中興煤礦1413工作面為例，基于降氧抑爆、降溫封堵、隔爆吸能理論，設(shè)計(jì)工作面實(shí)施“固、液、氣”三位一體聯(lián)合防滅火的具體措施，從“堵、隔、滅”三個(gè)角度出發(fā)，保證瓦斯環(huán)境下火區(qū)安全系統(tǒng)高效治理，提高工作人員在滅火與救災(zāi)過(guò)程中的安全性，消除1413工作面的火災(zāi)隱患，使其恢復(fù)安全生產(chǎn)。

1 工作面概況

中興煤礦1413工作面是位于采區(qū)北翼的綜放工作面，所開(kāi)采煤層為4#煤層，屬于容易自燃煤層。該煤層平均傾角為5°，含夾矸1～2層。受地質(zhì)構(gòu)造應(yīng)力的影響，頂板巖石較為破碎，結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜。此外，在該工作面東側(cè)，另有1411工作面與其相鄰。

1413工作面采用“Y”型通風(fēng)系統(tǒng)，兩進(jìn)一回，旨在解決回采工作面上隅角瓦斯超限問(wèn)題，降低工作面的溫度并在一定程度上改善工作面環(huán)境。2019年2月初，采空區(qū)瓦斯抽采支管內(nèi)CO傳感器突然報(bào)警，檢測(cè)到預(yù)埋孔內(nèi)CO體積分?jǐn)?shù)超標(biāo)，故停止留墻末端的抽采工作。在隨后的2月2日至2月5日進(jìn)行人工檢測(cè)，結(jié)果表明CO體積分?jǐn)?shù)高達(dá)2.2×10-3，并且探查到存在一定量的CH4、C2H6，表明出現(xiàn)了遺煤自燃現(xiàn)象。為保證井下施工人員安全，需立刻構(gòu)建隔爆吸能密閉墻進(jìn)行封閉，以阻斷漏風(fēng)通道，并在此基礎(chǔ)上采取抑爆與多種滅火措施聯(lián)合滅火，確保在瓦斯環(huán)境下滅火工程的安全進(jìn)行。

2 “固、液、氣”三相聯(lián)合滅火

首先,在火源周邊建立具有堵漏、吸能和吸熱三位一體的防爆墻(固)，該防爆墻由板墻、磚墻及高固水滅火材料填充的密閉墻共同組成，以減少火區(qū)漏風(fēng)量，并起到隔絕火源、降溫、抵抗沖擊的作用；然后，向采空區(qū)持續(xù)注氮(氣)，惰化采空區(qū)環(huán)境；最后，采取噴注漿液封堵漏風(fēng)通道、高位鉆孔壓注高固水膠體(液)，進(jìn)行抑爆與滅火工作?！肮獭⒁?、氣”三相聯(lián)合防滅火技術(shù)的應(yīng)用，可更好地實(shí)現(xiàn)降氧抑爆、降溫封堵、隔爆吸能的作用。

2.1 快速構(gòu)筑防爆墻

由于1413工作面采空區(qū)CO氣體情況異常，因此通過(guò)采空區(qū)預(yù)埋束管對(duì)采空區(qū)內(nèi)氣體(CH4、CO等)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)和取樣化驗(yàn)，氣體成分分析結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 采空區(qū)氣體成分分析結(jié)果

由表1可以看出，瓦斯?jié)舛?CH4體積分?jǐn)?shù))接近爆炸界限，因此，為防止瓦斯爆炸產(chǎn)生的沖擊波和有毒有害氣體等造成更大的損失，需及時(shí)對(duì)1413工作面進(jìn)行密閉處理，快速構(gòu)筑防爆墻，以預(yù)防事故擴(kuò)大，確保礦井生產(chǎn)安全。該防爆墻的墻體具體施工位置如圖1所示。

圖1 1413工作面防爆墻施工位置示意圖

根據(jù)1413工作面的具體情況，建立“吸能、吸熱、封堵”三位一體的隔爆墻。首先，在需要封閉巷道處快速設(shè)立一道板墻與磚墻，中間充填高固水滅火材料形成密閉墻(如圖2所示)，該墻具有吸能和吸熱的性能，保障滅火人員工作期間的人身安全。施工的防爆墻體呈梯形狀，下底寬度不小于5 m，墻體每升高1 m，厚度收縮1 m，在墻體施工至2 m高時(shí)，呈矩形狀上升，且上頂寬度不小于2.5 m。在關(guān)閉通風(fēng)孔后，利用快速密閉材料(羅克休)迅速?lài)娡糠辣瑝Ρ砻婕跋锏乐苓?，確保墻體嚴(yán)密不漏風(fēng)。此外，防爆墻施工前后需在防爆墻內(nèi)分別設(shè)置CH4傳感器、CO傳感器、O2傳感器及溫度傳感器進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，便于及時(shí)了解礦井環(huán)境信息，保證施工安全。

圖2 防爆墻施工結(jié)構(gòu)圖

2.2 注氮

為達(dá)到治理火區(qū)快速降氧抑爆的目的，需要向采空區(qū)持續(xù)大量注氮。采用鉆孔式注氮方式，主要注氮設(shè)備是設(shè)置在東軌大巷內(nèi)的2臺(tái)可移動(dòng)制氮機(jī)(1 000 m3/min)。

2.2.1 注氮管路鋪設(shè)路線

注氮機(jī)→1413煤庫(kù)聯(lián)絡(luò)巷→1413運(yùn)輸巷聯(lián)絡(luò)巷→1413留巷(靜壓水管與壓風(fēng)管路)→1413留墻預(yù)埋孔→1413采空區(qū)。

2.2.2 初始注氮地點(diǎn)

根據(jù)O2體積分?jǐn)?shù)變化情況，在1413工作面選取4個(gè)注氮點(diǎn)，如圖3所示。首先對(duì)預(yù)留巷中部的1號(hào)和留巷尾部的2號(hào)注氮點(diǎn)進(jìn)行注氮，然后依次對(duì)3號(hào)、4號(hào)注氮點(diǎn)進(jìn)行注氮，3號(hào)注氮點(diǎn)為留墻隅角，4號(hào)注氮點(diǎn)為進(jìn)風(fēng)隅角(下隅角)。

圖3 1413工作面采空區(qū)注氮點(diǎn)布置圖

2.2.3 后期注氮位置

通過(guò)留巷內(nèi)埋設(shè)在采空區(qū)的抽采管測(cè)得采空區(qū)O2體積分?jǐn)?shù)下降到8%以下時(shí)，采空區(qū)已失爆。根據(jù)探測(cè)結(jié)果，注氮口的位置需集中在火區(qū)附近，從開(kāi)切眼向外每隔50 m布置1個(gè)注氮孔，共布置5個(gè)注氮孔，滅火期間持續(xù)注氮，確?；饏^(qū)周?chē)幱谝直瑺顟B(tài)。

2.3 噴注漿液與膠體滅火材料

2.3.1 噴注漿液堵漏

為了對(duì)煤體進(jìn)行降溫和封堵，首先對(duì)1413材料巷留墻進(jìn)行噴漿，以壓縮空氣為動(dòng)力進(jìn)行噴漿堵漏，噴漿厚度不小于30 mm。然后利用1413材料巷密閉預(yù)留管對(duì)1413終采線進(jìn)行注漿，通過(guò)在1413運(yùn)輸巷預(yù)埋管及1411材料巷打鉆對(duì)1413采空區(qū)靠近運(yùn)輸巷側(cè)全面噴注漿液進(jìn)行堵漏，以達(dá)到密閉及減少漏風(fēng)的目的。1413工作面噴注漿液堵漏布置如圖4所示。

圖4 1413工作面噴注漿液堵漏示意圖

噴注漿液堵漏是此次滅火工作的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，可以極大地降低火區(qū)周?chē)鶲2體積分?jǐn)?shù)，阻止空氣向火區(qū)擴(kuò)散，抑制遺煤的進(jìn)一步自燃，破壞可燃?xì)怏w爆炸條件，防止火災(zāi)擴(kuò)大。

2.3.2 注高效固水強(qiáng)塑性防滅火膠體滅火

為達(dá)到“降溫、隔氧”的目的，需要注高效固水強(qiáng)塑性防滅火膠體進(jìn)行滅火。為了防止災(zāi)害擴(kuò)大，在開(kāi)切眼向終采線方向200 m范圍內(nèi)，從留墻的埋管向采空區(qū)注高效固水強(qiáng)塑性滅火膠體材料，以達(dá)到在開(kāi)切眼附近采空區(qū)形成一道固水隔離墻的目的，如圖5所示。通過(guò)采空區(qū)預(yù)埋管孔向采空區(qū)注膠，直至泵的壓力不再變化。

圖5 1413工作面固水隔離墻示意圖

膠體具有一定的流動(dòng)性，在包裹遺煤之前其黏性與水相似，但隨著膠體的不斷注入，固體滅火材料會(huì)深入煤層縫隙及采空區(qū)深部，最終包裹遺煤，起到滅火作用。該膠體材料主要優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在：①具備較好的固水效用，在進(jìn)行滅火工作時(shí)，不會(huì)因?yàn)樗簹獾拇罅慨a(chǎn)生而惡化工作環(huán)境；②無(wú)毒無(wú)污染，可以大量吸水保水；③該膠體含水量達(dá)到98%以上，材料成膠后具有較好的堆積性能及強(qiáng)塑性；④固化時(shí)間可控，可將膠體充分壓注到著火區(qū)域，能夠較好地充填著火煤體裂隙與孔洞，使其性能發(fā)揮最大化；⑤具有較好的包容性，可包裹著火煤炭，促使燃燒體表面焦化，形成隔熱、隔氣的焦化層，以此來(lái)提高膠體的阻燃效果；⑥由于膠體本身的強(qiáng)塑性及良好的吸熱降溫性能，可以起到降低煤層溫度的作用。

為了高效快速滅火，設(shè)計(jì)注固水材料鉆孔。在火源上方0.5 m處施工13個(gè)高位鉆孔，鉆孔終孔位于距工作面底板上方3.1 m的垮落帶區(qū)域，水平間距0.5 m；第二排、第三排鉆孔與第一排鉆孔垂直間距0.6 m，鉆孔之間的水平間距仍為0.5 m。滅火鉆孔終孔位置布置圖如圖6所示。

圖6 火源位置及注固水材料鉆孔布置剖面示意圖

第二排、第三排鉆孔全部處在比較破碎的遺煤之中，為了確保能夠?qū)⒚旱目锥磁c裂縫完全包裹，達(dá)到隔氧降溫的目的，在每一個(gè)鉆孔施工完成后，需要立即安置金屬花管，采用注漿泵將高效固水強(qiáng)塑性防滅火膠體材料通過(guò)軟管與鉆孔花管壓注到著火區(qū)域，直到滅火膠體從鉆孔溢出。充填效果如圖7所示。

圖7 固水材料充填效果示意圖

高效固水強(qiáng)塑性防滅火膠體材料注入煤體后，通過(guò)埋在火區(qū)周?chē)氖鼙O(jiān)測(cè)系統(tǒng)(見(jiàn)圖3)對(duì)火區(qū)環(huán)境的變化情況進(jìn)行持續(xù)監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示在最初的1 h內(nèi)，火區(qū)中心溫度驟然下降，表明該防滅火膠體材料的注入達(dá)到了較好的效果。在滅火膠體材料注入36 h后，著火中心區(qū)煤體溫度恢復(fù)正常，表明此次煤自然發(fā)火區(qū)火勢(shì)徹底被熄滅。煤炭自燃中心區(qū)溫度變化如圖8所示。

圖8 煤炭自燃中心區(qū)溫度變化圖

根據(jù)火區(qū)情況，制訂注氮降氧、噴漿堵漏的方案，通過(guò)抽氣束管對(duì)火區(qū)周?chē)鷼怏w進(jìn)行監(jiān)測(cè)，在注氮6 h后，火區(qū)周?chē)?0 m范圍內(nèi)O2體積分?jǐn)?shù)小于8%；在確定火源位置基礎(chǔ)上，制訂覆蓋火源的鉆孔布置方案，利用注高效固水強(qiáng)塑性防滅火材料降溫隔氧，使此次煤炭自燃火區(qū)火勢(shì)徹底被熄滅。在確定火勢(shì)熄滅后，持續(xù)監(jiān)測(cè)曾著火地區(qū)周?chē)煽諈^(qū)氣體體積分?jǐn)?shù)與溫度，保證隨后工作面支架回撤與封閉工作安全進(jìn)行。

3 結(jié)語(yǔ)

1)針對(duì)高瓦斯環(huán)境下的火區(qū)治理問(wèn)題，提出了“固、液、氣”三相聯(lián)合防滅火的措施，基于快速堵漏、降氧抑爆、降溫滅火思路，從“堵、隔、滅”3個(gè)方面進(jìn)行聯(lián)合滅火。

2)提出設(shè)置“吸能、吸熱、加固”三位一體的隔爆墻，提高井下工作的安全性，較好地完成了此次滅火工作。

3)中興煤礦1413工作面滅火實(shí)踐證明，三相聯(lián)合防滅火技術(shù)方案具有系統(tǒng)、快速、高效的優(yōu)點(diǎn)，可為類(lèi)似高瓦斯環(huán)境下的火區(qū)治理提供參考。