立交結(jié)構(gòu)巷道煤自燃成因及防治技術(shù)

岳寧芳，白銘波，高軍偉，王 釗，蔡國(guó)斌，金 彥

(1.西安科技大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710054；2.陜西陜北礦業(yè)韓家灣煤炭有限公司，陜西 榆林 719000)

0 引言

為滿足煤礦井下臨近水平巷道擁有獨(dú)立的通風(fēng)系統(tǒng)和運(yùn)輸系統(tǒng)，解決兩條巷道平交時(shí)風(fēng)流不能混合的問題，立交結(jié)構(gòu)在各大礦井應(yīng)用廣泛[1-2]。然而，對(duì)于設(shè)計(jì)在煤層中的立交工程結(jié)構(gòu)，上下巷道存在風(fēng)壓差，巷道垂直距離較近，在巷道施工過程中，巷道間的煤體周圍產(chǎn)生一定裂隙，形成漏風(fēng)通道，在礦山壓力緩慢持續(xù)的作用下，漏風(fēng)通道進(jìn)一步發(fā)育和擴(kuò)展，附近煤體具備氧化蓄熱的條件，極易在巷道頂板產(chǎn)生幾平方的起火點(diǎn)，給礦井防滅火工作帶來很大障礙[3-5]。

煤礦安全生產(chǎn)的過程中，一旦發(fā)生巷道火災(zāi)，危害極大。為有效防控巷道火災(zāi)，國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)礦井防滅火材料、工藝、設(shè)備等做了大量研究。例如，文虎等[6，8]模擬了水平巷道火災(zāi)三維瞬態(tài)溫度場(chǎng)和逆流層隨火源強(qiáng)度的關(guān)系，反映出巷道火災(zāi)對(duì)礦井通風(fēng)的影響，極大威脅井下作業(yè)人員的生命安全。史文波[7]通過研究灌漿的材料、方法及工藝參數(shù)等，針對(duì)不同發(fā)火情況，提出了黃泥灌漿的實(shí)際應(yīng)用方法；文虎等[8]提出了多功能灌漿注膠防滅火系統(tǒng)，將黃泥灌漿和膠體防滅火技術(shù)有機(jī)地給合在一起，提高了系統(tǒng)利用率。劉英學(xué)等[9]首次運(yùn)用燃燒學(xué)和熱力學(xué)的理論觀點(diǎn)，從3個(gè)方面探討了黃泥灌漿方法防止采空區(qū)遺煤自燃的作用機(jī)理，并通過應(yīng)用實(shí)踐研究肯定了該技術(shù)的防治效果。郭曉剛[10]對(duì)現(xiàn)有制漿設(shè)備進(jìn)行分析和比較，介紹了一種工藝簡(jiǎn)單、安全可靠、制漿能力大、易于控制灌漿量和水土比的新型黃泥制漿設(shè)備的制漿工藝；馬衍頌等[11]介紹了一種可以精確實(shí)現(xiàn)黃泥灌漿時(shí)水土比與制漿量的給料系統(tǒng)，將螺旋給料機(jī)、帶式輸送機(jī)、渦輪流量計(jì)、電動(dòng)調(diào)節(jié)閥通過電氣控制系統(tǒng)有機(jī)地組合起來，可實(shí)現(xiàn)水土比的精確供給；徐祿均等[12]對(duì)原有的黃泥灌漿控制系統(tǒng)以及水土比調(diào)節(jié)算法進(jìn)行優(yōu)化，從而更好地實(shí)現(xiàn)水土比調(diào)節(jié)?，F(xiàn)在，煤自燃火災(zāi)防控技術(shù)越來越成熟，邢偉等[13]對(duì)采空區(qū)進(jìn)行黃泥注漿，有效遏制了采空區(qū)內(nèi)溫度升高勢(shì)頭，消除了火災(zāi)隱患；郭興明等[14]采用注惰氣、注膠防滅火技術(shù)撲滅鮑店煤礦煤層巷道火災(zāi)。此外，王亞超等[15]采用粉煤灰膠體灌漿成功撲滅了新疆焦煤集團(tuán)艾維爾溝煤礦2130平硐煤自燃火災(zāi)。

為此，針對(duì)某礦相近平交巷道(立交結(jié)構(gòu))出現(xiàn)煤自燃隱患問題，采用黃泥復(fù)合膠體和凝膠防滅火技術(shù)，成功消除巷道煤自燃風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)于煤礦巷道自然發(fā)火防治具有指導(dǎo)意義。

1 工程概況

某礦采用立井開拓方式，煤層厚度超過15 m的區(qū)域采用分層放頂煤采煤方法，即會(huì)在一個(gè)煤層中設(shè)計(jì)上下多條巷道。在井下輔運(yùn)大巷的風(fēng)巷出現(xiàn)一處煤自燃異常區(qū)域，具體位于礦井輔運(yùn)大巷和已經(jīng)封閉的A工作面風(fēng)巷交叉點(diǎn)，形成立交結(jié)構(gòu)。兩條巷道均設(shè)計(jì)在煤層中，兩巷設(shè)計(jì)間距最小為3.8 m，由于頂板問題進(jìn)行了挑頂，導(dǎo)致該區(qū)域巷道間距最小為1.5 m左右，風(fēng)巷密閉內(nèi)的CO濃度超過100×10-6，注漿反水溫度異常。根據(jù)巷道標(biāo)高分析，風(fēng)巷巷道口頂板標(biāo)高為+701.07 m，異常區(qū)域點(diǎn)巷道頂板標(biāo)高為+701.3 m，皮帶大巷處巷道頂板標(biāo)高為+696.1 m，回風(fēng)大巷回風(fēng)巷道密閉處頂板標(biāo)高為+696.4 m。具體層位關(guān)系如圖1所示。

圖1 巷道布置及異常區(qū)域示意

2 巷道交叉點(diǎn)煤自燃異常區(qū)域分析

2.1 煤自燃原因分析

煤自燃條件：煤自燃是煤氧化蓄熱升溫的結(jié)果，在礦井生產(chǎn)過程中，導(dǎo)致煤自燃需具備4個(gè)條件[16-17]。①具有自燃傾向性的煤呈破碎狀態(tài)存在；②煤體所在環(huán)境存在漏風(fēng)供氧；③良好的蓄熱環(huán)境；④以上3個(gè)條件共同作用時(shí)間大于煤自然發(fā)火期。

煤自燃異常的原因：根據(jù)煤自燃的充分條件分析，導(dǎo)致該立交結(jié)構(gòu)的風(fēng)巷出現(xiàn)煤自燃異常的原因主要包括以下4點(diǎn)。①巷道上下層間距只有1.5 m左右，礦井壓力較大，巷道松動(dòng)圈范圍大，立交結(jié)構(gòu)的兩巷存在裂隙相互溝通，這為浮煤自燃提供了良好的漏風(fēng)供氧通道；②風(fēng)巷所處煤層的煤自然發(fā)火期在35 d左右，自燃傾向性高；③1.5 m厚的浮煤以及輔運(yùn)大巷的噴漿處理為煤自燃提供了良好的蓄熱環(huán)境；④風(fēng)巷位置長(zhǎng)時(shí)間漏風(fēng)為自燃隱患的發(fā)生提供了充足的時(shí)間。

2.2 立交結(jié)構(gòu)區(qū)域煤自燃特點(diǎn)

立交結(jié)構(gòu)區(qū)域的煤自燃屬于巷道火災(zāi)的一種，該區(qū)域煤自燃特點(diǎn)包括以下3點(diǎn)。

巷道火災(zāi)具有隱蔽性：風(fēng)巷有獨(dú)立的通風(fēng)系統(tǒng)，巷道空間有持續(xù)穩(wěn)定通風(fēng)，即使巷道四周存在火點(diǎn)，在煤自然發(fā)火初期，自然發(fā)火產(chǎn)生的氣體順著風(fēng)流方向不斷稀釋，難以在巷道環(huán)境中檢測(cè)到煤自燃的氣體產(chǎn)物，導(dǎo)致異常點(diǎn)發(fā)現(xiàn)不及時(shí)，極易迅速發(fā)展為巷道火災(zāi)。

巷道火災(zāi)發(fā)展迅速：煤自燃過程中，隨煤溫升高，巷道火災(zāi)高溫點(diǎn)逐步向有氧測(cè)移動(dòng)，一方面，由立交位置深部向淺部縱向發(fā)展；另一方面，一旦出現(xiàn)高溫點(diǎn)，高溫順著風(fēng)流方向發(fā)展，高溫區(qū)域不斷擴(kuò)大，當(dāng)火勢(shì)發(fā)展到一定程度，火點(diǎn)甚至?xí)骘L(fēng)發(fā)展。

巷道火災(zāi)具有難控性：井下巷道長(zhǎng)，傳統(tǒng)的定點(diǎn)監(jiān)測(cè)難以實(shí)現(xiàn)全巷道覆蓋。此外，因巷道火災(zāi)的隱蔽性，導(dǎo)致巷道火災(zāi)有足夠的時(shí)間發(fā)展，待自燃征兆顯現(xiàn)，巷道周圍煤體火點(diǎn)范圍和溫度均難以控制。同時(shí)，在巷道內(nèi)，傳統(tǒng)的水系材料難以堆積，使得巷道頂部及深部火點(diǎn)難以處理。

3 立交結(jié)構(gòu)巷道煤自燃區(qū)域治理

3.1 治理思路

結(jié)合立交結(jié)構(gòu)巷道煤自燃原因、特點(diǎn)及自然發(fā)火規(guī)律，通過煤火防控的主要技術(shù)分析，確定巷道煤自燃主要治理措施及目標(biāo)為“灌漿充填，消除隱患”。以“黃泥復(fù)合膠體”充填技術(shù)為主，大幅度降低異常區(qū)域空間；以“凝膠”防滅火技術(shù)為輔，封堵裂隙通道并充填剩余空間；實(shí)現(xiàn)異常區(qū)域段巷道的充填，降低異常區(qū)域自燃隱患的發(fā)生概率。第1階段，通過盤區(qū)換裝硐室和回風(fēng)大巷密閉兩處灌漿管路向輔運(yùn)大巷交叉處灌注凝膠，封堵漏風(fēng)、漏水裂隙通道。第2階段，通過盤區(qū)換裝硐室和回風(fēng)大巷密閉兩處灌漿管路向輔運(yùn)大巷交叉處灌注高濃度黃泥漿，對(duì)風(fēng)巷大巷頂部巷道進(jìn)行充填，最大限度充填黃泥漿，并添加材料使之盡快固化脫水。第3階段，由于黃泥漿的流動(dòng)性較好，根據(jù)異常區(qū)域?qū)游环治觯?dāng)漿液從風(fēng)巷盤區(qū)換裝硐室密閉排出后，基本實(shí)現(xiàn)異常點(diǎn)向下層位區(qū)域段的處理，對(duì)上段通過換裝硐室密閉注漿管路進(jìn)行灌注凝膠作業(yè)，充填上部區(qū)域。第4階段，一旦換裝硐室和風(fēng)巷兩處密閉注漿管路全部堵死后，可通過輔運(yùn)大巷向異常區(qū)域施工灌漿鉆孔進(jìn)行充填作業(yè)。

3.2 技術(shù)準(zhǔn)備

對(duì)風(fēng)巷煤自燃區(qū)域的治理主要采用大流量注膠充填工藝。利用煤礦現(xiàn)有的地面灌漿防滅火系統(tǒng)及防塵水管路系統(tǒng)，從地面漿池中配好黃土、水玻璃和水，注漿系數(shù)為1.3，地面水量控制在19～22 m3/h，水玻璃用量控制在2.71～3.00 m3/h。在井下風(fēng)巷異常區(qū)域附近用ZM-5/1.8D煤礦用注漿機(jī)把碳酸氫鈉按比例添加到管路中，再壓注到風(fēng)巷異常區(qū)域。該系統(tǒng)井下材料運(yùn)輸量少(只需運(yùn)送碳酸氫鈉)，注膠流量大(30～100 m3/h)。

3.3 技術(shù)步驟

立交結(jié)構(gòu)巷道煤自燃區(qū)域治理具體方案步驟可分為“一堵、二灌、三填、四補(bǔ)”，即堵裂隙通道、灌漿充填空間、剩余空間充填、補(bǔ)鉆孔灌注應(yīng)急。

凝膠堵漏：凝膠灌注封堵示意圖，如圖2所示。首先，對(duì)輔運(yùn)大巷異常區(qū)域頂部進(jìn)行二次噴漿處理，在此封堵漏風(fēng)漏水通道，加固頂板。然后，通過盤區(qū)換裝硐室和回風(fēng)大巷上A工作面密閉預(yù)埋的灌漿管路，向異常區(qū)域灌注凝膠，封堵漏風(fēng)漏水通道。

圖2 凝膠灌注封堵示意

黃泥凝膠充填:通過凝膠的封堵充填后，即可對(duì)巷道空間進(jìn)行充填，充填采用黃泥漿液灌注方案，在黃泥漿液中添加水玻璃，井下添加工業(yè)堿，加快黃泥漿液的凝固。黃泥凝膠充填示意圖,如圖3所示。

圖3 黃泥凝膠充填示意

凝膠充填技術(shù):為防止黃泥漿溢出，封堵排水通道，需要對(duì)上部區(qū)域進(jìn)行凝膠充填，如圖4所示。

圖4 凝膠充填示意

鉆孔補(bǔ)注應(yīng)急:為防止兩路注漿管路因灌注黃泥凝膠和凝膠封堵，需要設(shè)計(jì)鉆孔對(duì)為灌注滿的區(qū)域進(jìn)行補(bǔ)注。補(bǔ)注鉆孔采用礦方鉆機(jī)進(jìn)行50鉆孔施工，下全套管，套管可采用一次程控鉆孔，鉆孔終孔位置必須在巷道頂板區(qū)域，從而提高灌漿效率,如圖5所示。

圖5 補(bǔ)注鉆孔施工示意

3.4 效果分析

2018年7月25日治理工作開始，至2018年9月4日結(jié)束灌漿工作，灌漿工程持續(xù)時(shí)間為46 d，累計(jì)灌注時(shí)間400 h，灌注水玻璃凝膠累積灌注量約4 300 m3，施工補(bǔ)注鉆孔4個(gè)。期間對(duì)風(fēng)巷密閉墻觀察孔O2、CO進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，得到圖6。從圖6可以看出，對(duì)風(fēng)巷煤自燃異常區(qū)域采取治理措施過程中，異常區(qū)內(nèi)的O2及CO濃度均隨時(shí)間變化而快速減小，截止2018年9月4日，O2濃度降低至0.11%，CO濃度降低至5×10-6，說明漏風(fēng)量減小了，實(shí)現(xiàn)了堵漏風(fēng)的目的，灌漿取得了一定的效果，為后期防滅火工作做了鋪墊；同時(shí)，高溫異常區(qū)域得到了根治，實(shí)現(xiàn)了凝膠的包裹，對(duì)該區(qū)域防復(fù)燃起到了關(guān)鍵作用。

圖6 觀測(cè)孔O2、CO氣體變化情況

4 結(jié)論

(1)以煤自燃4個(gè)基本條件為基礎(chǔ)，分析了立交結(jié)構(gòu)巷道煤自燃發(fā)展的成因及防控難點(diǎn)。

(2)針對(duì)某礦立交結(jié)構(gòu)巷道煤自燃區(qū)域，制定了以“黃泥復(fù)合膠體”充填技術(shù)為主，以“凝膠”防滅火技術(shù)為輔的治理方案。

(3)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施“一堵、二灌、三填、四補(bǔ)”的技術(shù)措施，使得風(fēng)橋異常區(qū)的情況得到控制，實(shí)現(xiàn)了堵漏風(fēng)、防復(fù)燃的目的，治理效果良好，對(duì)巷道煤自燃火災(zāi)防控具有重要意義。