易燃綜采面俯采過大斷層期間防滅火技術(shù)研究與探討

王帥領(lǐng)，王德明,，曹 凱，王少峰

(1.中國礦業(yè)大學(xué)安全工程學(xué)院,江蘇 徐州 221008;2.中國礦業(yè)大學(xué)煤礦瓦斯與火災(zāi)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 徐州 221008)

礦井火災(zāi)是煤礦井下重大災(zāi)害之一。我國煤礦自燃發(fā)火嚴(yán)重，我國國有重點(diǎn)煤礦中有56%以上的礦井都存在著自然發(fā)火危險(xiǎn)，由煤層自燃引起的火災(zāi)占礦井火災(zāi)總數(shù)的90%以上[1]。針對(duì)我國煤礦自燃發(fā)火的特點(diǎn)，國內(nèi)許多專家和技術(shù)人員進(jìn)行了很多煤自燃方面的研究,李增華教授提出了煤自燃的自由基理論[2]；西安科技大學(xué)建立了煤自燃升溫實(shí)驗(yàn)爐進(jìn)行煤自燃過程的模擬[3]；中國礦業(yè)大學(xué)采用程序升溫氧化裝置，通過研究活化能的氧化動(dòng)力學(xué)方法來研究煤自燃[4-5]。滅火技術(shù)的研究也一直是研究工作的重點(diǎn)之一。凝膠防滅火技術(shù)[6]、三相泡沫[7]防滅火技術(shù)是幾年來比較典型的以新型材料為基礎(chǔ)的防滅火技術(shù)，有效治理了許多礦山火災(zāi)。但易燃面俯采過大斷層防火方面的研究較少，缺乏相關(guān)的理論分析和治理技術(shù)。

礦井遇到大落差貫穿整個(gè)工作面的斷層時(shí)通常采取跳采的方式[8]，一方面有助于控制地質(zhì)災(zāi)害，減少過斷層期間火、水、頂板等方面的災(zāi)害發(fā)生；另一方面有助于保持礦井正常的出煤量。但一些工作面為保護(hù)層，要對(duì)上采煤層起到充分的卸壓作用[9]，消除卸壓盲區(qū)，必須采取割矸過斷層的方式；此外有些工作面有很多大落差貫穿整個(gè)工作面的斷層，另開且眼工程量太大，工作面搬家不易，也需要采用強(qiáng)推的方式過斷層。

工作面在過大斷層期間，工作面的推進(jìn)速度慢，采空區(qū)浮煤在“自燃帶”[10]滯留時(shí)間變長，引起自燃升溫進(jìn)而導(dǎo)致自燃發(fā)火。根據(jù)斷層和工作面情況，一些斷層還需要采用俯采通過，這就加大了防火難度[11]。俯采期間[12]，工作面與采空區(qū)的自然風(fēng)壓會(huì)加大采空區(qū)漏風(fēng)量，而注漿注水滅火技術(shù)也無法應(yīng)用，一旦采空區(qū)著火火風(fēng)壓會(huì)引起火區(qū)向采空區(qū)深部蔓延，滅火難度大，而現(xiàn)有的單一防火措施無法滿足要求。因此，易燃綜采面過大斷層俯采期間的防火技術(shù)研究是十分必要的。

1 現(xiàn)有的防滅火技術(shù)及特點(diǎn)

1.1 均壓防滅火技術(shù)

均壓通風(fēng)防滅火技術(shù)[10]就是采用風(fēng)窗、風(fēng)機(jī)、連通管、調(diào)壓氣室等調(diào)壓手段，改變通風(fēng)系統(tǒng)的壓力分布，減少漏風(fēng)通道兩端的壓差，減少漏風(fēng)，從而達(dá)到防滅火的作用。均壓防滅火技術(shù)是“以風(fēng)治火”的技術(shù)，方法簡單，效果明顯，被全國很多礦井采納。但在一些高瓦斯礦井，考慮到增阻和減阻調(diào)節(jié)會(huì)影響工作面或系統(tǒng)的風(fēng)量分配，并且風(fēng)窗及局部風(fēng)機(jī)的安裝也會(huì)對(duì)平巷的運(yùn)輸產(chǎn)生影響，在火災(zāi)預(yù)防中不被采用。

1.2 惰氣防滅火技術(shù)

惰氣防滅火技術(shù)就是指將高濃度的惰氣通過管道送入擬處理區(qū)，使得氧氣的含量相對(duì)降低，來防止煤炭氧化自燃[13]。通常采用的惰性氣體有氮?dú)夂投趸肌?/p>

CO2密度大于空氣，適合處理礦井中位置較低的火災(zāi)[10]，對(duì)仰采工作面的采空區(qū)和傾斜巷道下部火災(zāi)效果更好，抑爆性能較氮?dú)夂?；在西北缺水礦井，有時(shí)也用液態(tài)二氧化碳治理采空區(qū)火災(zāi)。但CO2應(yīng)用不當(dāng)會(huì)給工作面帶來災(zāi)害。

氮?dú)夥阑鸺夹g(shù)在預(yù)防礦井火災(zāi)中應(yīng)用較為廣泛。氮?dú)庥辛己玫牧鲃?dòng)性，容易到達(dá)采空區(qū)各處，降低采空區(qū)氧氣濃度[14]。在著火期間，良好的抑爆性能，又能夠防治采空區(qū)內(nèi)自燃誘發(fā)瓦斯爆炸。但氮?dú)饬己玫牧鲃?dòng)性也限制了惰化效果，采空區(qū)停留時(shí)間較短，氮?dú)饬鲃?dòng)受漏風(fēng)風(fēng)流控制，也不服從自然擴(kuò)散規(guī)律。

1.3 泥漿防滅火技術(shù)

泥漿防滅火技術(shù)通常采用預(yù)防性灌漿的防火方式。預(yù)防性灌漿[10]，就是指在火災(zāi)形成以前，將水、漿等材料按合適的比例制成一定濃度的泥漿，然后通過灌漿管路灌進(jìn)采空區(qū)。預(yù)防性灌漿措施可以起到隔氧、散熱、減少漏風(fēng)等作用，從而達(dá)到防止煤炭自然發(fā)火的目的。

泥漿灌注后，固相會(huì)逐漸沉淀，水涌向工作面，破壞工作面正常的回采環(huán)境，影響工作面生產(chǎn)。注入采空區(qū)的泥漿在流動(dòng)過程中還會(huì)出現(xiàn)“拉鉤”現(xiàn)象[12]。

1.4 凝膠防滅火技術(shù)

無機(jī)凝膠是由水玻璃的硅酸鈉水溶液和促凝劑反應(yīng)而成的膠凍狀硅酸溶液[6]。混合液在凝固前，流動(dòng)性較好，可以滲透到煤和巖石的裂隙中，而成膠后則固結(jié)在煤體中。該膠體有固水性、吸熱降溫性、密封堵漏性等特征，凝膠滅火安全性好，保水時(shí)間久；但是凝膠流動(dòng)性較差，在火區(qū)位置無法準(zhǔn)確探知的情況下，滅火效果受到很大限制。在埋藏較淺的火區(qū)，通常采用密集鉆孔灌注膠體的滅火方式。

1.5 三相泡沫防滅火技術(shù)

三相泡沫[7]是將不溶性的固態(tài)不燃物分散在水中，通入N2并添加極少量的添加劑通過泡沫發(fā)泡器充分?jǐn)嚢杌旌希纬闪斯腆w粉煤灰顆粒均勻附著在氣泡壁上的大量富集的含有氣-液-固三相的體系。三相泡沫滅火原理：阻隔煤氧結(jié)合，防止煤炭自燃；吸熱降溫，降低煤體和周圍環(huán)境的溫度；降低氧含量，抑制煤體自燃發(fā)展；潤濕煤體，增加煤體的濕度；抑制自由基的產(chǎn)生，阻斷鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。

三相泡沫良好的流動(dòng)性和向上堆積性，適合治理采空區(qū)隱蔽火源點(diǎn)和泥漿無法到達(dá)的高位火點(diǎn)。

1.6 阻化劑防滅火技術(shù)

阻化劑根據(jù)阻化原理的不同分為物理阻化劑、化學(xué)阻化劑[10]。物理阻化劑是一些吸水性很強(qiáng)的無機(jī)鹽類，如MgCl2和CaCl2等。這些鹽類通過吸收空氣中水分來阻止氧氣和煤體的接觸，起到阻化的作用。化學(xué)阻化劑通過加入抗氧化物質(zhì)，來消除煤氧化過程中的自由基，從而阻止鏈鎖反應(yīng)的進(jìn)行。

阻化劑防火技術(shù)包括噴灑阻化劑防火技術(shù)和氣霧阻化防滅火技術(shù)[15]。阻化劑在防火中，需要用量大，實(shí)施工程中會(huì)對(duì)工作面回采速度產(chǎn)生影響。

2 發(fā)火危險(xiǎn)性分析

由于俯采過大斷層防火問題是過斷層和俯采兩方面造成發(fā)火危險(xiǎn)性的疊加和綜合，需要分別對(duì)大斷層和俯采所帶來的發(fā)火危險(xiǎn)性進(jìn)行分析。

2.1 過大斷層期間發(fā)火分析

2.1.1 工作面推進(jìn)速度慢

工作面過斷層時(shí)，對(duì)于落差小的斷層，傾斜割矸石較少，比較容易通過，不會(huì)對(duì)正?；夭蓭砗艽笥绊憽６鴮?duì)于大落差的斷層，落差是采高的幾倍，工作面從下盤向上盤開采，下盤頂板脫離巖體，幾乎有支架完全支撐，頂板壓力大，為了保障回采期間頂板支撐安全，防治冒頂事故發(fā)生，需要加強(qiáng)頂板管理和控制，而影響工作面的推進(jìn)速度；另一方面，巖石硬度相對(duì)較大，通常硬度系數(shù)超過5，綜采方式無法實(shí)施，需要采用炮采的方式過斷層，推進(jìn)速度明顯下降。此外，過斷層時(shí)，俯斜過斷層，地址條件復(fù)雜，災(zāi)害種類多，治理難度大，也會(huì)影響工作面推進(jìn)速度。

2.1.2 采空區(qū)“自燃帶”移動(dòng)速度慢

工作面通過大的斷層，由于落差是采高的幾倍。工作面回采要從下盤煤層底板過渡到上盤煤層頂板，傾斜采出幾倍采高的巖石；俯采傾角加大了工作面過斷層的距離，同時(shí)加上過斷層的俯采，造成漏風(fēng)量更大，自燃帶范圍加寬。采空區(qū)自燃帶的移動(dòng)速度很大程度上決定了煤自燃發(fā)火的危險(xiǎn)程度，采空區(qū)自燃帶的部分區(qū)域在煤自燃最短發(fā)火期內(nèi)沒能移出自燃帶的情況下，發(fā)火危險(xiǎn)性極大。

2.1.3 “散熱帶”內(nèi)的“自燃帶”

由于俯采過斷層，頂板垮落后上面未采煤體會(huì)留在采空區(qū)“冒落帶”[16]的不同位置。而采空區(qū)的風(fēng)速、氧濃度等參數(shù)獲取位置在“冒落帶”的下部，采高范圍內(nèi)，通常也是采高內(nèi)浮煤堆積的位置。但過大斷層不同，遺留煤體在采空區(qū)的位置發(fā)生了改變，按照傳統(tǒng)的采空區(qū)三帶測量方法，測量數(shù)據(jù)為采空區(qū)內(nèi)巖石的溫度場、濃度場等數(shù)據(jù)，而垮落堆積的煤體實(shí)際在“冒落帶”上部甚至“裂隙帶”，這部分煤體超過了氧化極限堆積高度，風(fēng)速較小，具有很好的熱量集聚自燃條件，發(fā)火危險(xiǎn)性大，理論上應(yīng)歸于 “自燃帶”。

2.2 俯采發(fā)火危險(xiǎn)性分析

2.2.1 采空區(qū)漏風(fēng)量大，發(fā)火危險(xiǎn)性高

由于其回采方向是由高處向低處推采，采空區(qū)位于工作面上部。在回采過程中，進(jìn)入采空區(qū)的漏風(fēng)風(fēng)流在進(jìn)風(fēng)巷風(fēng)流速壓、自然風(fēng)壓的作用下，空氣進(jìn)入采空區(qū)的深度較仰采面要大，且俯采工作面的采空區(qū)不宜積水，空氣干燥，使采空區(qū)內(nèi)的丟煤容易進(jìn)行氧化反應(yīng)[11]。

2.2.2 采空區(qū)丟煤自燃積聚熱量條件好

俯采工作面采空區(qū)內(nèi)的丟煤在氧化過程中生成的熱量在其熱膨脹和上升力的作用下，易于積存在采空區(qū)，為煤炭自燃創(chuàng)造了條件[11]。

2.2.3 采空區(qū)灌漿措施不易實(shí)施

在進(jìn)行采空區(qū)灌漿時(shí)，其灌漿量超過采空區(qū)承受能力，就會(huì)發(fā)生泥漿淹面事故。并且，由于注漿易形成“拉溝”的缺點(diǎn)，即使進(jìn)行采空區(qū)灌漿，其泥漿只覆蓋采空區(qū)底板小范圍的丟煤，采空區(qū)大量的頂板落煤得不到泥漿覆蓋。

2.2.4 采空區(qū)火源點(diǎn)位置較深，不易治理

采空區(qū)一旦發(fā)生火災(zāi)，火風(fēng)壓方向與風(fēng)流方向一致，火源向采空區(qū)深部蔓延，工作面一旦出現(xiàn)冒煙現(xiàn)象，火區(qū)面積已經(jīng)足夠大，難以治理。

俯采過斷層具有大斷層和俯斜開采帶來的防火難題，發(fā)火危險(xiǎn)地點(diǎn)多，治理難度大，單一的防火技術(shù)難以滿足要求。

3 大斷層易燃綜采面俯采期間綜合防火技術(shù)

通過研究上述俯采過大斷層發(fā)火的特點(diǎn)，借助現(xiàn)有各項(xiàng)防火技術(shù)的優(yōu)勢，提出了適合易燃綜采面俯采過大斷層期間的綜合防火技術(shù)。該項(xiàng)技術(shù)利用了新型滅火材料三相泡沫的高發(fā)泡倍數(shù)和良好的堆積性及凝膠的堵漏、固水作用，發(fā)揮了氮?dú)獾臄U(kuò)散和窒息特性，通過阻化劑對(duì)危險(xiǎn)區(qū)域進(jìn)行了重點(diǎn)處理。

3.1 進(jìn)風(fēng)巷埋管注氮措施

氮?dú)饩哂辛己玫臄U(kuò)散性，進(jìn)風(fēng)巷注入采空區(qū)的氮?dú)?，逆著煤層底板傾斜方向流向上隅角，對(duì)采空區(qū)隔氧,氮?dú)饪朔合嘟橘|(zhì)流動(dòng)性的缺點(diǎn)，不會(huì)因?yàn)楦┎啥鸬獨(dú)饬骰毓ぷ髅嬗绊懝ぷ髅娴陌踩Ａ硪环矫?，在上下隅角堵風(fēng)效果好的條件下，進(jìn)風(fēng)巷大流量注氮?dú)膺€能起到一定的增壓作用，提高采空區(qū)壓力，減少了工作面與采空區(qū)之間壓差，減少漏風(fēng)。

3.2 回風(fēng)巷埋管大容量注三相泡沫

三相泡沫發(fā)泡倍數(shù)高，產(chǎn)生速度快，持續(xù)大流量的灌注三相泡沫8h左右，可以產(chǎn)生泡沫300m3，在泡沫未破裂期間起到了很好的堵漏和充填作用；三相泡沫灌注期間要保持一定的干度和持續(xù)性，連續(xù)的灌注時(shí)間，使泡沫破裂后迅速補(bǔ)充，后面的泡沫推擠著前面產(chǎn)生的泡沫流動(dòng)、堆積，使得發(fā)揮泡沫良好性能，更大地充填豎向和橫向空間，有助于控制“冒落帶”上部遺煤自燃。俯采過程中，低水分的泡沫不會(huì)對(duì)工作面回采環(huán)境的造成太大影響。氣相介質(zhì)為窒息性很好的氮?dú)?，本身也是良好的滅火材料，隨之泡沫的逐漸破壞，包裹在泡沫里的氮?dú)饩徛尫?，引起回風(fēng)側(cè)采空區(qū)壓力增大，降低采空區(qū)內(nèi)氧氣含量，減少熱量集聚。

3.3 加強(qiáng)進(jìn)風(fēng)巷堵風(fēng)措施

在預(yù)防采空區(qū)自燃中，有效堵風(fēng)能夠很大程度上減少自燃范圍，縮小自燃發(fā)火危險(xiǎn)性。尤其是頂板較穩(wěn)定的砂巖和石灰?guī)r[16]，直接頂垮落后，采空區(qū)漏風(fēng)比較嚴(yán)重，沒法做到有效充填,而砂巖的周期來壓步距要達(dá)到20m，過斷層期間，老頂沒有垮落，直接頂?shù)乃缮⒋髩K巖體空隙率大，漏風(fēng)量大。必須采取有效的堵漏措施，減少危險(xiǎn)區(qū)域范圍。凝膠堵漏材料需要一定的膠凝時(shí)間，直接注入會(huì)沿著傾斜方向流向工作面。

進(jìn)風(fēng)巷構(gòu)筑沙袋墻是理想的堵漏方式，每隔3m在進(jìn)風(fēng)巷打一道沙袋墻，沙袋墻間注入凝膠，凝膠材料能夠有效充填沙袋墻間的裂隙，漏風(fēng)量可以得到很大的控制。

3.4 減少斷層前的遺煤量和阻化處理

綜采方式一次采全高，丟煤較少，垮落后碎煤小于極限堆積高度，理論上沒有發(fā)火危險(xiǎn)性；但隨著底板起伏和煤層高度的不均勻性，采出率降低，留煤多。根據(jù)頂板巖性分析和三帶測量情況，初步估算工作面推進(jìn)到距離斷層“自燃帶”范圍時(shí)，要對(duì)遺煤厚度超過0.3m的區(qū)域進(jìn)行阻化處理，并加大阻化劑用量，破壞煤體中的易氧化活性基團(tuán)。有條件的情況下，物理化學(xué)阻化劑的相互配合，作用互補(bǔ)。

另外，在瓦斯涌出量不大的工作面，過斷層期間，還可以通過回風(fēng)巷增阻的措施減少采空區(qū)漏風(fēng)，配合上述防滅火措施。

4 結(jié)語

1) 易燃綜采面俯采過大斷層期間發(fā)火危險(xiǎn)性高，治理難度大。俯采過斷層防火問題是過大斷層和俯采帶來的防火問題的綜合。工作面過大斷層期間，工作面推進(jìn)速度變慢，采空區(qū)部分遺煤在“自燃帶”滯留時(shí)間過長；加上工作面俯斜開采，會(huì)造成采空區(qū)漏風(fēng)量增加，“自燃帶”范圍變寬，而常用的注漿、注水滅火措施又無法應(yīng)用，一旦著火，采空區(qū)火風(fēng)壓會(huì)引起漏風(fēng)增加，火區(qū)向深部蔓延，治理難度大。

2) 首次提出由于俯采過大斷層引起采空區(qū)“散熱帶”內(nèi)形成 “自燃帶”。由于斷層上下盤距離較大，過斷層時(shí)，頂板上方的煤體冒落后，會(huì)處于采空區(qū)“冒落帶”的上部，甚至“裂隙帶”。采空區(qū)“散熱帶”的這部分遺煤具有較大的松散堆積厚度、風(fēng)速較小、供氧充分，發(fā)火危險(xiǎn)性大。

3) 提出了易燃綜采面俯采過大斷層時(shí)的綜合防滅火技術(shù)。該項(xiàng)綜合防滅火技術(shù)充分發(fā)揮新型滅火材料三相泡沫的堆積性和凝膠的堵漏作用，并有效利用了氮?dú)獾闹舷⒑蛿U(kuò)散特性，還通過阻化劑對(duì)重點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行了預(yù)處理；該技術(shù)可以為易燃綜采面俯采過斷層期間的防火研究和應(yīng)用方面提供理論指導(dǎo)。

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