高分子复混溶胀胶体材料防治半前进式工作面煤炭自燃技术的研究

马中飞  教授级高工(江苏大学)  朱庆华  高级工程师(徐州矿务集团张集煤矿)
学科分类与代码：620．3010
[摘  要]  高分子复混溶胀胶体材料具有固水性强、脱水缓慢、脱水后遇水可再生、与煤粘附性强、能形成焦化层、流动性和渗透性好及无毒、无味、无腐蚀、高温无烟等特性。长期以来，半前进式工作面防治煤炭自燃技术措施中，一直未采用高分子复混溶胀胶体材料。徐州矿务集团公司张集矿在自燃煤层的7423工作面半前进式开采中，采用了高分子复混溶胀胶体材料封堵沿空留巷漏风、喷洒覆盖采空区遗煤、封闭联络巷道等为主的综合防灭火
技术与措施，取得了良好的效果，采空区漏风串降到4．35％，工作面开采期间杜绝了煤炭自燃隐患的出现，因此，高分子复混溶胀胶体材料防治半前进式工作面煤炭自燃技术是成功的。
    [关键词]  高分子复混溶胀胶体材料  半前进式工作面  防治煤炭自燃
Study On Controlling Coal Spontaneous Combustion at Semi—progressive Working Face by Macromolecular Mixed Soluble Expansive Colloidal Material
Ma Zhongfei，Prof (JiangsuUniversity)    Zhu Qinghua，Senior Engineer (Xuzhou Coal Mine Group Corp．Zhangji Coal Mine)
Abstract：Macromolecular mixed soluble-expansive colloidal-material has characteristics of strong hydration，slow dehydration，regenerative with water after dehydration，strongly adhesive to coal，easily to form coke-like layer，good fluidity and permeability，non-toxic，odorless，  non-corrosive，and smokeless under high temperature．For a long time，this material has not been applied in the technical measures for controlling coal spontaneous combustion at semi-progressive working face. As a result the control effect on spontaneous combustion is not good．When this material is used to seal the coal seam on spontaneous combustion at #7423 semi-progressive working face of Zhangji Coal mine，to cover the residual coal，and to seal Off connecting tunnels，favorable outcome is obtained．The golf leakage drops to 4．35％．The hidden danger Of spontaneous combustion of coal is eliminated. It proves that this material could be successfully used in controlling the spontaneous combustion at semi-progressive working face．
Key words：Macromolecular mixed soluble expansive colloidal material  Semi-progressive working face Spontaneous combustion control
1  引言
    半前进式采煤工作面系指“Z”形通风系统的回采工作面，其进风平巷或回风平巷为沿空留巷。进、回风平巷的风流方向相同，如用常规手段，必然造成供给工作面的风流通过沿空留巷漏向采空区，其防治煤炭自燃难度非常大。高分子化合物是指分子量很高的化合物，它有许多特殊性能，如溶液粘度高，通常只能呈粘稠的液态或固态，脱水后可再生等。2002年，徐州矿务集团张集煤矿，因接续紧张而在7423面采用了半前进式采煤法，笔者利用高分子化合物的特殊性能，研制了高分子复混溶胀胶体材料，并在该面采取以使用高分子复混溶胀胶体材料为主的综合防灭火技术与措施，取得了良好的效果。
2  张集煤矿及7423面概况
    张集煤矿改扩建生产能力为90万吨，主要开采山西组7层煤、9层煤，矿井开拓方式为立井多水平开拓，现生产水平为—700m水平，生产的采区有东一、东二及西三采区，矿井通风方式为两翼对角式，采煤方法主要采取后退式开采，落煤工艺有综采和炮采两种，全部跨落法管理顶板。矿井因发生过煤和瓦斯突出现象，于2001年下半年被定为煤和瓦斯突出矿井，9—’煤层为突出煤层，当前生产的西三、东二采区煤层瓦斯含量较高，瓦斯涌出量为0．4～18m3／min，东一采区瓦斯含量较低；煤尘有煤尘爆炸危险，爆炸指数为29．42％～38．99％；主采的7层煤、9层煤均有自燃发火倾向性，属自燃煤层。1990年以来，矿井因多种原因发生过5次自燃发火现象，其中，7层煤3次，9层煤2次。
7423工作面位于张集矿—700m东一采区，该工作面回采的7—’煤层厚度平均3～4m，工作面走向长500m，倾斜长143—205m，煤炭具有自然发火倾向，属自燃煤层，煤炭自然发火期为3～6个月，通过实验，该面煤炭低温氧化特性主要是：CO和C2H6在整个氧化阶段均出现，其浓度随温度的升高而升高；C2H4出现温度为90℃，可作为自燃温度的指标。该面瓦斯涌出较小，回采时的瓦斯涌出量为1．5m3／min。工作面采用半前进式回采工艺，综合机械化采煤方法，全部冒落法管理顶板，工作面皮带机道沿空留巷，材料道沿煤层实体布置，工作面通风系统为“Z”形，材料道进风，皮带机道回风，工作面供风量877m3／min。3  高分子复混溶胀胶体材料防治煤炭自燃技术
3．1高分子复混溶胀胶体材料配制及防灭火特性、机理分析
    配制的防治煤炭自燃用高分子复混溶胀胶体材料由聚丙烯酸类、聚丙烯腈等为主的高分子聚合物添加适量的阻燃剂、促焦剂、消烟剂、成模剂而成。经实验和分析，它具有如下特征：
    (1)水份进入分子结构中，形成坚固的三维网状结构，固水性强，脱水缓慢，脱水后遇水可再生，有效期长，克服了传统方法浆体或胶体易失水干裂而出现漏风反复现象；
    (2)与煤有较强的粘附性(挂壁性)；
    (3)能形成焦化层，隔氧阻燃功能好；
    (4)具有破坏燃烧自由基的功能；
    (5)吸水后呈粘稠的塑性体，有良好的流动性和渗透性，胶体粘度调节方便，不会堵管；
    (6)无毒、无味、无腐蚀、无烟性，克服了低分子凝胶成份的环境污染性、人体损害性、腐蚀性、有烟性。
    其防灭火机理是高分子复混溶胀胶体材料与水均匀混合后，吸水膨胀为高分子复1昆溶胀胶体(属弹性凝胶)，当高分子复混溶胀胶体渗透到煤和岩石裂隙时，该胶体充填包裹松散破碎煤(岩)体，使煤体形成隔氧阻化层，隔绝煤同氧气的接触。其防灭火过程为：高分子复混溶胀胶体包裹尚未氧化的煤炭时，大大地延缓了煤炭的氧化；遇到煤炭自燃的高温时，该胶体一方面不断被汽化，一方面高强度吸热，减缓了氧化反应，稀释了凝相区释出的可燃气体的浓度；遇到温度达250~C以上的凝聚相区时，产生大量的膨胀气泡层包裹覆盖在煤体
表面，使软化膨胀的煤体表面产生一层蜂窝状焦化层，达到隔热隔气的功效。
3．2  高分子复混溶胀胶体材料封堵沿空留巷漏风技术与措施
7423工作面通风防灭火系统见图1。
    沿空留巷堵漏风措施由沿空留巷巷旁支护墙和高分子复混溶胀灰胶带组成，如图2所示。巷旁支护墙在皮带机道沿空留巷采空区侧进行，巷旁支护墙由碎煤和水泥按一定比例混合后砌成，墙体断面为梯形，上窄下宽，平均墙宽为2m，墙高4m左右，砌墙工作纳入工作面循环作业中，墙体紧跟工作面液压支架，及时进行砌墙支护。高分子复混溶胀灰胶带位于巷旁支护墙的采空区侧，高度略大于巷旁支护墙高度，沿倾斜方向宽度为3～5m，它．由电厂的粉煤灰和高分子复混溶胀胶体材料在工作面皮带机道外口的注浆站按一定配比制成灰浆后，通过泥浆泵及注浆系统灌注到巷旁支护墙侧形成。高分子灰胶的成份配比，即粉煤灰：高分子复混溶胀胶体材料：水的比例为0．7：0．002：0．8。
注浆站建在东一轨道下山与皮带下山联络巷内，浆池规格为2mx2mX2m，注浆泵为NBB一250／6型泥浆泵，注浆管路直径为50mm，沿7423皮带机道沿空留巷巷旁支护墙上有每6m预留的注浆管，注浆工作在工作面整修班进行，每班4～5人，分别负责制浆、开泵、接管路、注浆等工作。
3．3  高分子复混溶胀胶体材料喷洒采空区遗煤技术与措施
    为防止采空区遗煤的煤炭自燃，向采空区喷洒高分子复混溶胀胶体材料。喷洒方法是，用高分子复混溶胀胶体材料按1：160的比例加水，制成混合液，每平方米喷洒10kg混合液。在工作面整修班，用农用喷雾器，接直径为4分的胶管，向采空区喷洒防灭火高分子复混溶胀胶体材料。
3．4  高分子复混溶胀胶体材料封闭联络巷道技术与措施
    (1)在7423工作面的材料道和联络巷内砌筑双墙加泥浆塞的防火墙(具体位置如图1所示)，防止向采空区漏风；泥浆由粉煤灰、高分子复混溶胀胶体材料按0．7：0．002加80％的水构成。
    (2)用高分子复混溶胀胶体作为封堵剂封堵7423工作面材料道的回风小井。即在小井下口巷道内用密棚把小井下口封住，然后，先用浮煤、浮矸加高分子复混溶胀胶体材料作封堵剂(水灰按30：1的比例)在小井下部充填一层2m厚的密封层，再充填矸石或浮煤等；在小井上口留出2m，再充填一层密封层。
3．5  其他配套措施
    (1)加快工作面推进，保证工作面月推进度不低于50m。
    (2)从回采工艺上采取措施，提高工作面煤炭回收率。
    (3)工作面开始生产后，及时对7423工作面的材料道外段进行封闭。   
    (4)巷旁支护墙始终紧跟工作面支架，防止风流从支架背后向采空区流风。
    (5)进行工作面沿空留巷巷旁支护时，严格按回采作业规程规定的要求施工，巷旁支护墙体高度、宽度符合有关规定和要求，并每隔6m在墙体内预埋一根5m长的2时钢管，用于采空区的注浆。
    (6)采空区喷洒高分子复混溶胀胶体时，严格按措施要求，对规定范围采空区内全面喷洒，确保防灭火效果。
    (7)由于工作面沿推进方向是下山布置，在工作面皮带机道内建立了可靠的排水系统，防止采空区出水淹埋巷道。
    (8)对7423面皮带机道经常进行清理、维护，防止巷道失修、通风断面变小，减少向采空区的漏风。
    (9)当班的采空区注浆工作结束前，注浆施工负责人始终能够按要求安排人员用清水冲洗注浆管路，防止了管路被泥浆堵塞。
    (10)严格按查火制度，每周对7423212作面的上隅角、回风流和防火墙内外的CH4，C02，CO气体浓度和温度等情况进行一次全面的检查，发现问题，及时汇报处理，防止发生自燃发火事故。
    (11)加强对该地区的通风设施管理，对进回风联络巷内的风门，安排专人看管，保证通风系统的稳定、可靠。
4  防灭火效果
4．1防火堵漏效果
为测定防火堵漏效果，于2002年9月，采用了SF6示踪气体法测定。SF6示踪气体释放点在工作面进风侧5m和回风侧5m处，取样点在皮带机道，每100m设置一个，共布置5个。定点、定量释放纯SF6示踪气体30rain后，在上述5个采样点同时采集气样。然后分析各采样点的SF6浓度，并计算漏风量，计算结果如下表所示。不难看出，工作面总漏风率为4．35％，说明防火堵漏效果较好。
防火堵漏风效果测定表
┌─────┬────┬─────┬────┬────┬────┬────┐
│  项目    │采样点1 │采样点2   │采样点3 │采样点4 │采样点5 │备  注  │
├─────┼────┼─────┼────┼────┼────┼────┤
│SF6浓度   │        │          │        │        │        │        │
│  (ppm)   │0．088 1│0．086 7  │0．086 0│0．085 5│0．084 6│        │
├─────┼────┼─────┼────┼────┼────┤        │
│  风量    │        │          │        │        │        │        │
│(m3／m[n) │841．9  │856．1    │862．3  │867．7  │  877   │7423面  │
│          │        │          │        │        │        │总风量  │
├─────┼────┼─────┼────┼────┼────┤        │
│  漏风量  │        │          │        │        │        │为877   │
│(m3／min) │        │    14．2 │    6．2│    5．4│    9．3│        │
│          │        │          │        │        │        │m~／min │
├─────┼────┴─────┴────┴────┴────┤        │
│总漏风量  │                                                  │(风速蓑 │
│          │    35．1                                         │测定)   │
│(m3／min) │                                                  │        │
├─────┼─────────────────────────┤        │
│总漏风率  │    ^                                             │        │
│          │    4．35                                         │        │
│    (％)  │                                                  │        │
└─────┴─────────────────────────┴────┘
4．2  煤炭自燃防治效果
    7423面自2002年3月22日开始回采，通过采取高分子复混溶胀胶体材料为主的综合防灭火技术措施，至2002年11月28日回采结束为止，杜绝了煤炭自燃隐患的出现，使该面安全回采煤炭46．9万吨，而且缓解了矿井生产接续紧张的局面，赢得了生产主动·的局面，取得了良好的社会经济效益，有力地促进了矿井安全生产。
5  结  论
    理论结合实际，采用高分子复混溶胀胶体材料成功地防治张集矿7423面半前进式开采的煤炭自燃事故，保障了安全生产。该材料表明：高分子复混溶胀胶体材料具有固水性强、脱水缓慢、脱水后遇水可再生、与煤粘附性强、能形成焦化层、流动性和渗透性好及无毒、无味、无腐蚀、高温无烟等特性。它改变了半前进式开采的煤炭自燃防治效果差的状况。这也说明，在类似条件下，只要采取以高分子复混溶胀胶体材料为主的煤炭自燃综合防治技术措施，采用半前进式开采方法是可行的。
(收稿：2002年12月；第一作者地址：江苏省镇江市学府路301号；江苏大学生物与环境工程学院安全工程系；邮编：212013；第二作者地址：江苏省徐州市；徐州矿务集团张集煤矿；邮编：221147)
参考文献
1 严瑞主编．水溶性高分子．北京：化学工业出版社，1998
2潘祖仁．高分子化学．北京：化学工业出版社，1997
3钱鸣高．矿山压力及其控制．北京：煤炭工业出版社，1991
4王省身．矿井火灾防治．徐州：中国矿业大学出版社，1990
5薛思．阻燃科学及应用．北京：国防工业出版社，1988