千米深井膠體防滅火技術(shù)應(yīng)用研究

馮良兵，李煥東，郭佃鋒，姜士彥

（山東省天安礦業(yè)集團(tuán)有限公司，山東 曲阜 273155）

煤炭自然發(fā)火機(jī)率隨著開采深度的增加逐年升高，前期主要采取注水、灌漿、噴灑阻化劑、注惰氣等技術(shù)[1]抑制煤層自燃，近年來(lái)水玻璃膠體作為新興的防滅火技術(shù)材料，以其良好的防滅火效果,運(yùn)輸方便、無(wú)污染、成本低等優(yōu)勢(shì)得到了廣泛的應(yīng)用,取得了良好的效果[2]。膠體可以較好地包裹破碎的煤體、封堵裂隙效果較好、性能穩(wěn)定、耐高溫、對(duì)局部火源效果明顯[3-4]。

1 工作面概況及自然發(fā)火區(qū)域分析

1.1 工作面概括

星村煤礦3307 外工作面位于三采區(qū)中部西側(cè)，走向長(zhǎng)為260m（平距），傾向長(zhǎng)度為141.7m（平距），平均煤厚8.25m。2017 年2 月6 日該工作面開始回采，2017 年6 月回采結(jié)束。工作面采用軌道順槽進(jìn)風(fēng)、運(yùn)輸順槽回風(fēng)的全風(fēng)壓“U”型上行通風(fēng)方式，正常風(fēng)量900m3/min 左右。煤層鑒定為Ⅱ類自燃煤層，試驗(yàn)最短自然發(fā)火期為28 天。

1.2 工作面煤自燃分析

2017 年 3 月 10 日，3307 外工作面回風(fēng)流 CO 濃度逐漸上升到20ppm。通過對(duì)采空區(qū)及兩順頂板破碎煤體束管檢測(cè)氣體分析，結(jié)合工作面推采情況及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際，認(rèn)定為兩順頂板松散破碎的煤體，進(jìn)入采空區(qū)后與采空區(qū)漏風(fēng)供氧發(fā)生反應(yīng)，釋放熱能。熱能反過來(lái)促進(jìn)煤氧結(jié)合，最終反應(yīng)會(huì)迅速加劇，產(chǎn)生CO 氣體，產(chǎn)生火災(zāi)[5-6]。

采空區(qū)遺煤自燃性主要受煤自燃過程的氧化放熱性、采空區(qū)遺煤堆積厚度和塊度、采空區(qū)遺煤自燃氧化帶范圍、工作面推進(jìn)度以及采空區(qū)圍巖原始溫度等影響。分析認(rèn)為3307 外工作面采空區(qū)自然發(fā)火的原因?yàn)椴煽諈^(qū)兩順頂板不放頂煤，此區(qū)域內(nèi)漏風(fēng)供氧充分，遺煤進(jìn)入氧化帶,以及工作面初采，推采速度慢，采空區(qū)遺煤在氧化帶時(shí)間長(zhǎng)。

2 膠體防滅火技術(shù)研究

2.1 膠體材料防滅火機(jī)理

膠體材料是指促凝劑與水玻璃按一定比例與水混合后形成的膠狀體。膠體防滅火機(jī)理在于降低溫度，隔絕氧氣，使發(fā)火點(diǎn)放熱反應(yīng)終止，有效抑制了煤體的自燃，達(dá)到防滅火的目的[7]。

3307 外工作面現(xiàn)場(chǎng)注膠時(shí)，將100kg 水玻璃和40kg 小蘇打分別放入兩料桶內(nèi)，再分別加入400kg和460kg 水（即水玻璃配比20%，小蘇打配比8%），利用雙液泵注入破碎煤體。

2.2 膠體防滅火技術(shù)方案

采空區(qū)漏風(fēng)主要集中在進(jìn)風(fēng)順槽及回風(fēng)順槽靠采空區(qū)處，對(duì)兩順靠采空區(qū)側(cè)頂板及擋墻的封堵尤為重要[8]。同時(shí)，工作面架后放頂煤后，架后垮落的煤矸呈破碎狀態(tài)，形成良好的漏風(fēng)通道，溫度上升后，極易發(fā)生煤自燃情況。根據(jù)3307 外工作面的實(shí)際情況，通防工區(qū)采取了對(duì)兩順頂板超前打眼注膠，兩順擋墻周邊漏風(fēng)區(qū)域噴涂堵漏風(fēng)處理，其他異常區(qū)域局部打眼注膠的防滅火技術(shù)方案。

2.2.1 架間局部區(qū)域打眼注膠

切眼安裝支架前，通防工區(qū)對(duì)切眼頂板施工防火鉆孔，并注膠處理；支架安裝完畢后，利用支架側(cè)護(hù)板打開的位置施工防火鉆孔，并注膠處理；工作面回采過程中，檢測(cè)局部支架地點(diǎn)氣體異常時(shí)，由通防工區(qū)利用風(fēng)動(dòng)扳手或直接利用一次性鉆桿在氣體異常區(qū)域附近施工鉆孔，注膠處理。為保證注膠效果，盡量根據(jù)支架特點(diǎn)及頂板厚度在支架的架前、架間、架后分別施工鉆孔，架間鉆孔與水平夾角45°左右，深度3～5m，架前鉆孔與水平方向夾角80°左右，深度3～5m，架后鉆孔與水平方向夾角30°左右，深度以見巖石為準(zhǔn)。鉆孔施工完畢后，將一次性鉆桿使用棉紗纏繞，棉紗距離鉆桿末端1m 左右，然后砸入鉆孔內(nèi)，封堵好鉆孔，開始對(duì)鉆孔注膠。

檢測(cè)架間氣體局部區(qū)域較為嚴(yán)重時(shí)，通防工區(qū)采取了長(zhǎng)短鉆桿相結(jié)合的方式對(duì)異常區(qū)域多打眼，多注膠，以保證氣體異常區(qū)域頂煤全部被膠體包裹，頂板向下滴落膠體為標(biāo)準(zhǔn)。

2.2.2 兩順頂板及擋墻的膠體封堵處理

1）兩順擋墻封堵。隨工作面正常推進(jìn)，在工作面兩順每隔10～15m 各施工一道擋墻，由綜采工區(qū)負(fù)責(zé)掛設(shè)柔膜袋，通防工區(qū)負(fù)責(zé)向袋內(nèi)充填LFM充填料。充填袋采用風(fēng)筒布材料制作，墻體不漏風(fēng)。充填擋墻施工完畢后，通防工區(qū)負(fù)責(zé)對(duì)擋墻與巷道接觸部分噴涂膠體，減少墻體周邊漏風(fēng)。

2）兩順頂板注膠封堵處理。在兩順靠工作面采空區(qū)處以外施工鉆孔，鉆孔超前施工，以超前煤壁向外10m 為準(zhǔn)。采用三花眼的形式布置鉆孔，鉆孔沿順槽方向朝向采空區(qū)，與水平方向夾角80°左右，深度不小于3m 或見巖石。

3）對(duì)架后垮落煤體，利用一次性鉆桿向煤體內(nèi)插管注膠，人員站在端頭架安全支護(hù)范圍以內(nèi)，然后對(duì)垮落煤體噴涂處理，保證垮落煤體里外全部被處理一遍。

4）為增加進(jìn)風(fēng)順槽采空區(qū)。

2.3 注膠施工工藝

2.3.1 雙液泵注膠工藝

提前配備好水玻璃溶液和小蘇打溶液，水玻璃按照水料質(zhì)量比為4:1 的比例配置，小蘇打按照水料質(zhì)量比為23:2 的比例配置，兩桶溶液配置完畢后將雙液泵壓風(fēng)連接好，保證泵能正常運(yùn)行，泵有兩個(gè)出液口，將兩路膠管分別與出液口連接，膠管延接至注膠位置后，利用混合器將兩路出液膠管混合為一根10m左右的膠管，將混合后的膠管與注膠鉆桿連接，開啟氣動(dòng)泵對(duì)鉆孔注膠。雙液泵注膠工藝如圖1 所示：

圖1 雙液泵注膠工藝示意圖

2.3.2 注漿站注膠工藝

使用雙液泵注膠時(shí)最大注膠量為4m3/h，當(dāng)井下現(xiàn)場(chǎng)使用氣動(dòng)泵不能滿足現(xiàn)場(chǎng)注膠需要時(shí)，及氣動(dòng)泵的注膠流量不能滿足大面積注膠封堵時(shí)，通防工區(qū)采取了井上注漿站與井下氣動(dòng)泵相互配合的方式，將井下注膠流量控制在20～30m3/h。

1）井上注漿站。在注漿站攪拌池內(nèi)添加水玻璃和水，將水玻璃濃度控制在15%左右，即在攪拌池內(nèi)添加1 噸水玻璃，5 噸水，溶液配制完畢后，按照25 分鐘供給1 攪拌池水玻璃溶液，即水玻璃的供給量為15 m3/h 左右。

2）井下部分。工作面需要注膠位置安設(shè)一多出口混合器，井下氣動(dòng)泵向多出口混合器處供給小蘇打溶液，井上注漿站通過注漿管路向多出口混合器處供給水玻璃溶液，兩種溶液在多出口混合器處混合。注漿站供給的水玻璃溶液到達(dá)多出口混合器后，開啟井下雙液泵注入小蘇打溶液，根據(jù)膠體成膠的小蘇打配制比例及井上下溶液的供給流量，即每20m3 漿注32 袋左右（25kg/ 袋）。利用多出口混合器將混合后的膠體注入鉆孔內(nèi)，正常情況下混合器向外分發(fā)8 只Ф13mm 的膠管，可以向8 個(gè)不同的頂板鉆孔注膠體，增加了單位之間的注膠量和注膠面積。

3 結(jié) 論

根據(jù)星村礦3307 外工作面在生產(chǎn)過程中利用膠體對(duì)工作面進(jìn)行防滅火處理，并制定了井上下配合大流量注膠的施工工藝，保證了3307 外工作面安全順利回采。本文的研究成果對(duì)其他具有相似條件的礦井的防滅火工作具有較好的借鑒和指導(dǎo)意義。