高強(qiáng)復(fù)合發(fā)泡材料在工作面防滅火中的應(yīng)用

菅躍榮

（山西晉神沙坪煤業(yè)有限公司，山西 忻州 034000）

0 引 言

煤炭自燃引起的礦井火災(zāi)是我國煤礦井下開采過程中常見的災(zāi)害之一，在我國國有重點(diǎn)煤礦中,因煤炭自燃而引起的火災(zāi)占礦井火災(zāi)總數(shù)的90%～94%[1]，而工作面漏風(fēng)造成采空區(qū)內(nèi)遺煤自燃是煤炭自然發(fā)火的主要原因之一，因此，對工作面進(jìn)行堵漏減少采空區(qū)漏風(fēng)量是防治工作面采空區(qū)遺煤自燃的有效手段之一[2-3]。本文以磁窯溝煤礦10202工作面為工程背景，介紹高強(qiáng)復(fù)合發(fā)泡材料封堵工作面各漏風(fēng)地點(diǎn)措施，以期減少采空區(qū)漏風(fēng)量，防止采空區(qū)發(fā)生遺煤自燃引起火災(zāi)事故。

1 工作面概況

10202工作面位于磁窯溝煤礦井田東南部，工作面主采10-2號(hào)煤層，煤層傾角2°～5°，平均厚度4.0 m，煤層自燃傾向性等級(jí)為Ⅱ級(jí)，自燃傾向性性質(zhì)為自燃。受煤層埋深、開采方式、現(xiàn)場生產(chǎn)條件等綜合因素影響，10202工作面在回采過程中存在漏風(fēng)地點(diǎn)主要有工作面上下隅角、相鄰工作面采空區(qū)裂隙及采空區(qū)上覆巖層地表裂隙等，針對以上漏風(fēng)情況，采取高強(qiáng)復(fù)合發(fā)泡封堵材料進(jìn)行封堵，減少采空區(qū)漏風(fēng)。

2 采空區(qū)火災(zāi)治理原理

采空區(qū)煤炭自然發(fā)火是由于采空區(qū)內(nèi)遺落的煤炭在一定條件下發(fā)生氧化而造成燃燒，其發(fā)生自燃必須同時(shí)具備3個(gè)條件[4-5]，①有持續(xù)通風(fēng)并提供充足的氧氣；②空間內(nèi)容易積聚熱量；③煤炭具有自燃傾向。其中條件③是內(nèi)因，無法采取措施進(jìn)行改變，因此，控制流通的空氣及氧氣濃度，減少采空區(qū)漏風(fēng)量是防止采空區(qū)煤炭自燃的關(guān)鍵。

煤礦井下通風(fēng)系統(tǒng)漏風(fēng)量Q1可用公式計(jì)算：

式中：△h為通風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)路中漏風(fēng)起點(diǎn)與終點(diǎn)之間的壓差，Pa；R1為漏風(fēng)風(fēng)路風(fēng)阻，kg/m7；n為風(fēng)流流態(tài)指數(shù)，在層流狀態(tài)時(shí)數(shù)值為1，在紊流狀態(tài)時(shí)數(shù)值為2，當(dāng)處于兩種狀態(tài)之間的過渡態(tài)時(shí)數(shù)值處于1～2。

根據(jù)式（1）分析可知，要減少或杜絕工作面漏風(fēng)量，使Q1趨近于0，可通過增大漏風(fēng)風(fēng)阻R1值或減小漏風(fēng)起點(diǎn)與終點(diǎn)之間的壓差值△h來實(shí)現(xiàn)，如采取注漿封堵漏風(fēng)或工作面采取均壓通風(fēng)等措施。

3 注漿封堵技術(shù)

3.1 注漿封堵材料

注漿封堵材料選用高強(qiáng)復(fù)合發(fā)泡封堵材料，它是一種含有大量封閉氣孔的新型輕質(zhì)封堵填充材料[6-7]，該材料是利用機(jī)械方式將泡沫劑通過發(fā)泡機(jī)發(fā)泡系統(tǒng)進(jìn)行充分發(fā)泡后與水泥漿液混合均勻，然后通過注漿泵和注漿管路輸送至施工地點(diǎn)進(jìn)行澆筑或制成模具，最后在自然養(yǎng)護(hù)后形成的。其主要特點(diǎn)是能夠在混泥土內(nèi)部形成大量封閉泡沫氣孔，從而減輕混泥土重量，并具有堵漏性能。

3.2 發(fā)泡封堵材料主要技術(shù)指標(biāo)

選用的高強(qiáng)度復(fù)合發(fā)泡封堵材料的主要技術(shù)指標(biāo)為：①發(fā)泡倍數(shù)需達(dá)到5～10倍；②適用的環(huán)境溫度為15°以上；③漿液流動(dòng)時(shí)長為10～30 min，在90～200 min內(nèi)可凝固成型（時(shí)間可控制調(diào)節(jié)）；④發(fā)泡封堵材料發(fā)泡膨脹體積適中，封堵密閉性能好；⑤對采空區(qū)漏風(fēng)區(qū)域封堵密閉效果好，封堵質(zhì)量高，達(dá)到無漏風(fēng)、滲水要求；⑥發(fā)泡材料與封堵區(qū)域的煤壁或矸石之間有良好的濕潤附著能力；⑦材料具有阻燃性；⑧封堵材料抗壓和抗拉伸強(qiáng)度高，抗壓強(qiáng)度不低于0.3 MPa；⑨施工操作簡單、便捷，性價(jià)比高。

3.3 工作面采空區(qū)及上下隅角注漿封堵技術(shù)

因高強(qiáng)度復(fù)合硅酸鹽發(fā)泡材料膨具有脹性能良好、性價(jià)比、用量少、抗靜電、阻燃性能高、施工操作簡單等優(yōu)點(diǎn)[8]，選用該發(fā)泡材料對工作面上下隅角、采空區(qū)漏風(fēng)地點(diǎn)及橫川進(jìn)行充填密閉，快速封堵防止漏風(fēng)，有效減少或杜絕采空區(qū)漏風(fēng)，從而縮短了采空區(qū)氧化帶。

為防止在工作面回采過后其采空區(qū)后方橫川出現(xiàn)漏風(fēng)現(xiàn)象，利用高強(qiáng)度復(fù)合發(fā)泡封堵系統(tǒng)，對橫川使用袋墻構(gòu)筑密閉框架后使用高強(qiáng)度發(fā)泡混泥土構(gòu)筑堵漏強(qiáng)進(jìn)行密閉封堵。高強(qiáng)度發(fā)泡材料形成的墻體不僅能夠?qū)β╋L(fēng)地點(diǎn)起到堵漏作用，其高強(qiáng)度性能還能夠起到支撐頂板、增強(qiáng)煤柱支撐頂板能力的作用，具有很好的實(shí)用性能。

3.4 施工工藝流程

3.4.1 系統(tǒng)裝備及材料

高強(qiáng)復(fù)合發(fā)泡系統(tǒng)裝備主要由注漿泵、注漿管、攪拌機(jī)、空氣壓縮機(jī)和計(jì)量磅等組成。高強(qiáng)復(fù)合發(fā)泡材料主要由高強(qiáng)水泥、調(diào)凝劑、復(fù)合發(fā)泡劑及其他輔料等構(gòu)成。試驗(yàn)發(fā)泡產(chǎn)生的效果及形成的成型效果如圖1、圖2所示。

圖1 發(fā)泡材料發(fā)泡試驗(yàn)效果Fig.1 Effect diagram of foaming test foaming materials

圖2 發(fā)泡材料成型效果Fig.2 Forming effect diagram of foaming material

3.4.2 施工工藝流程

采用高強(qiáng)復(fù)合發(fā)泡材料對工作面采空區(qū)漏風(fēng)進(jìn)行封堵密閉時(shí)，其漿液配制及注漿施工工藝流程如圖3所示。

圖3 高強(qiáng)復(fù)合發(fā)泡材料封堵密閉施工工藝流程Fig.3 Sealing construction process of high strength composite foam material

4 應(yīng)用效果分析

4.1 檢測方法

為檢測工作面采空區(qū)封堵效果，采用示蹤技術(shù)對工作面采空區(qū)漏風(fēng)量進(jìn)行測量，其基本原理是利用示蹤氣體質(zhì)量守恒原理，即利用恒流釋放裝置放出示蹤氣體，在已知釋放的示蹤氣體濃度和流量的情況下，在巷道風(fēng)流下風(fēng)側(cè)設(shè)置多個(gè)氣體采集點(diǎn)，通過SF6氣體檢測儀對巷道風(fēng)流中的示蹤氣體濃度進(jìn)行檢測，若檢測到示蹤氣體濃度恒定不變，則表明通風(fēng)線路沿途未出現(xiàn)漏風(fēng)現(xiàn)象；若檢測到示蹤氣體濃度呈現(xiàn)下降趨勢，則表明沿途有漏風(fēng)現(xiàn)象。通過對前后風(fēng)流中氣體濃度的對比分析，利用公式（2）計(jì)算得出沿途漏風(fēng)量，并找出沿途各地點(diǎn)漏風(fēng)規(guī)律。

式中：△Q為兩采集點(diǎn)之間沿途漏風(fēng)量；QA、QB分別為采樣點(diǎn)A和采樣點(diǎn)B處的風(fēng)量；q為示蹤氣體初始釋放時(shí)的速率；CA、CB分別為采樣點(diǎn)A和采樣點(diǎn)B處示蹤氣體濃度。

4.2 現(xiàn)場檢測方案

根據(jù)10202工作面巷道布置及現(xiàn)場通風(fēng)系統(tǒng)實(shí)際情況，在工作面采空區(qū)及回風(fēng)巷共計(jì)布置5個(gè)示蹤氣體采集點(diǎn)和1個(gè)SF6示蹤氣體釋放點(diǎn)，采樣點(diǎn)布置情況如圖4所示。

圖4 1 0202工作面漏風(fēng)量采樣點(diǎn)布置示意Fig.4 Layout of Air Leakage Sampling Points in 10202 Working Face

SF6示蹤氣體釋放點(diǎn)設(shè)置工作面，該位置距工作面進(jìn)風(fēng)巷口50 m左右，氣體連續(xù)釋放的流量設(shè)置為200 mL/min，在工作面距離氣體釋放點(diǎn)下風(fēng)流側(cè)50 m處設(shè)置第1個(gè)采樣點(diǎn)，隨后每間隔30 m設(shè)置1個(gè)采樣點(diǎn)，共在工作面布置4個(gè)采樣點(diǎn)，在工作面回風(fēng)巷距工作面50 m處再布置1個(gè)采樣點(diǎn)。在SF6氣體釋放30 min后開始從第1個(gè)采樣點(diǎn)向下依次采集檢測氣體濃度。

4.3 檢測結(jié)果分析

按照上述現(xiàn)場氣體檢測方案，采用GC-4000A型氣象色譜儀對各測點(diǎn)的氣體濃度進(jìn)行檢測，并利用公式（3）計(jì)算出工作面漏風(fēng)量和漏風(fēng)率，具體情況見表1，對進(jìn)入工作面采空區(qū)后又流出的風(fēng)量測定結(jié)果見表2。

表1 10202工作面各采樣點(diǎn)處SF6氣體測定濃度Table 1 Determination of SF6 gas concentration at each sampling point of 10202 working face

表2 工作面各區(qū)段風(fēng)量測定結(jié)果Table 2 Measurement results of air volume in each section of working face

式中：q為示蹤氣體釋放速率，mL/min；αi為工作面第i段處的漏風(fēng)率，%；Ci+1為各采樣點(diǎn)處檢測的示蹤氣體濃度，%；Q為工作面總進(jìn)風(fēng)量，m3/min。

根據(jù)表2數(shù)據(jù)分析可知，工作面漏風(fēng)量表現(xiàn)為中部區(qū)段大，向外逐漸減小現(xiàn)象，這主要是因?yàn)楣ぷ髅嬷胁繀^(qū)域比兩端頭空間區(qū)域的負(fù)壓大，漏入到工作面采空區(qū)內(nèi)的風(fēng)流從工作面中部流出，但工作面風(fēng)流沿程整體漏風(fēng)量由原來的130 m3/min下降至64 m3/min，地表裂縫漏風(fēng)量由原來的95 m3/min降低至25 m3/min；采取堵漏措施后，增加了采空區(qū)后方風(fēng)阻，從而延長了工作面漏風(fēng)區(qū)段的長度，由此表明工作面采用高強(qiáng)度復(fù)合發(fā)泡封堵材料進(jìn)行堵漏后，能夠有效減少采空區(qū)漏風(fēng)量，對采空區(qū)遺煤自燃起到很好的抑制作用。

5 結(jié) 語

磁窯溝煤礦10202工作面通過采用高強(qiáng)度復(fù)合發(fā)泡材料對工作面通風(fēng)系統(tǒng)沿程漏風(fēng)地點(diǎn)進(jìn)行封堵后，相比采取措施前采空區(qū)漏風(fēng)量大幅度降低，工作面風(fēng)流沿程整體漏風(fēng)量由原來的130 m3/min下降至64 m3/min，地表裂縫漏風(fēng)量由原來的95 m3/min降低至25 m3/min，有效抑制工作面采空區(qū)遺煤氧化自燃，對工作面采空區(qū)火災(zāi)防治起到了良好的效果，為類似條件下礦井火災(zāi)防治提供了技術(shù)參考，具有一定的推廣應(yīng)用價(jià)值。