矿井综合防灭火技术在煤自燃火灾中的应用

　　摘要：针对现有的矿井防灭火技术进行了分类比较，各有自己的优缺点。根据煤矿现场实际。体现“以防为主，防治结合”的思想，充分发挥各防灭火技术的优点，采取以胶体防灭火技术为主，其他防灭火技术为辅的手段，形成矿井综合防灭火技术及其装备，实施防灭火工程。通过煤矿现场的实际应用，取得了良好的效果。

　　关键词：综合防灭火技术；胶体；应用

　　我国煤炭自燃火灾十分严重，在开采煤层中，大约有50%的矿井存在自然发火危险。据统计，我国煤矿自燃火灾约占矿井火灾的70%，一些自然发火严重的矿区，如兖州、抚顺、鹤岗、窑街、义马、淮南、六枝等，其自然发火占矿井火灾次数的90%以上。而煤层自燃火灾防治是一项复杂的系统工程，它不仅要求矿井有合理的开拓系统和开采方法、合理的矿井、采区和工作面通风系统，可靠的专项防治措施和管理制度，还必须掌握相应的防灭火技术，具有完善的防灭火系统及装备。

　　1井下常用的防灭火技术

　　目前煤矿井下常用的防灭火技术主要有：堵漏、均压、惰气、惰泡、三相泡沫、阻化剂、雾化阻化剂、惰化阻化剂、用水灭火、灌浆、胶体防灭火技术等，这些技术按其主要作用和功能可归纳为以下几类：

　　1.1控制漏风技术

　　主要目的是：减少或杜绝松散煤体氧气的供给。技术手段有：水泥喷浆；泡沫喷涂；纳米改性弹性体材料涂抹；均压。

　　水泥喷浆工作量大，回弹多，抗动压性差，堵漏效果不十分理想；泡沫堵漏性能好，抗动压性好，但其成本较高，高温时分解，释放出有害气体；纳米改性弹性体材料具有气密性好、伸长率大等性能，可刮、涂、抹在煤岩体、木材及闭墙漏风处，操作简单，使用方便，可根据施工需要调整固化时间，固化后表面形成弹性体。

　　闭区均压可减少向封闭区域内的漏风，开区均压则可降低采空区周边的压差，减少向采空区浮煤漏风，从而降低自燃危险程度，但对于已经或曾经发生过自燃的火区，仅依靠均压达到完全杜绝漏风，防止自燃的目的是不现实的。

　　1.2火区惰化技术

　　主要目的是：降低火区O2浓度，窒息火区。技术手段有：注入N2和CO2等惰性气体；惰气泡沫；三相泡沫。

　　惰气和泡沫可充满整个空间，既能迅速窒息明火，又能抑制煤层自燃高温火区的发展，但对大热容的煤体降温效果不好，灭火周期长，火区易复燃，且对现场堵漏风工作要求较高。

　　惰泡和三相泡沫能起到固氮、降温、减少漏风、降低采空区氧浓度、包裹煤体等作用，但泡沫稳定时间短，在碎煤中压注，发泡性能差，起泡倍数低，若仅起阻化剂作用，则成本太高，效率低，对已形成高温的浮煤，仅依靠惰泡隔氧灭火，需注惰泡量很大，且易复燃。

　　1.3煤体阻化技术

　　主要目的是：降低煤体的氧化活性，抑制煤氧结合。技术手段有：喷注CaCl2、MgCl2等一些吸水性很强的盐类；雾化阻化剂；惰化阻化剂。

　　当CaCl2、MgCl2的水溶液附着在煤体表面时，形成一层含水液膜，阻止煤氧接触，同时能使煤体长期处于潮湿状态，在低温氧化时温度不易升高，从而抑制了煤的自热和自燃；阻化剂防火效果较好，但当煤中水份蒸发，减小到一定程度时，阻化作用就会停止，转而变为催化作用，促进煤的氧化与自燃。

　　惰化阻化剂在煤温超过一定温度时，开始吸热气化，产生惰性阻化气体，阻碍火区的自由基链锁反应过程，高温分解后的剩余物在煤表面生成一层薄膜，冷却后成为脆性覆盖物，使煤与空气隔绝；但该材料不易均匀地分散到煤体内，充分发挥其防灭火效能，如用其水溶液注入煤体则易流失。

　　1.4吸热降温技术

　　主要目的是：降低高温煤体温度，彻底熄灭高温火区，防止火区复燃。技术手段有：注水；灌浆；液氮；液态CO2。

　　熄灭煤层火区的关键是降低煤温。水是最经济、来源最广泛吸热降温材料，其热容量大，1L水转化成蒸汽时吸收2256.7kJ热量，同时生成1.7m。水蒸汽，能很快降低煤温，大量水蒸汽具有冲淡空气中的氧浓度、包围、隔离火源、窒息火源的作用；灌浆防灭火技术在我国有自然发火危险的矿井中用得较普遍，泥浆能够吸热降温，对煤体还有包裹作用，达到隔氧的目的，对于采空区的防灭火效果显著，已成为与井下内因火灾斗争的主要措施之一。

　　但井下自燃火源通常处于比较高的部位，用水或泥浆灭火时，不能滞留在发火部位，易形成固定的通道流动，流过发火部位后仅使煤表面温度得到降低，煤体内部温度仍然很高；水的冲刷将煤体表面的灰分带走，又露出新的煤体表面，水的剧烈蒸发增加了煤的孔隙率，使漏风通道更加畅通；水在600℃以上会分解成H2和O2，有水煤气爆炸的危险，给井下灭火队员构成极大威胁。

　　1.5胶体防灭火技术

　　西安科技大学开发的凝胶、胶体泥浆、稠化胶体和复合胶体等防灭火技术集堵漏、降温、阻化、固结水等性能于一体，使易于流动的水溶液在指定时间和部位发生胶凝，包裹高温煤体，充分发挥水的吸热降温作用，较好地解决了灌浆和注水的泄漏流失问题。且在近1000℃的明火中不会迅速汽化，仅因水份缓慢蒸发而逐渐萎缩，灭火安全性好，在井下湿度90%，温度28℃的环境下，13个月后仍保持完好。

　　同时，在该技术的现场使用和推广过程中，研制开发出了井下移动式、管网式、地面移动式和地面固定式多功能灌浆注胶防灭火系统等多种应用工艺，可根据矿井实际条件进行灵活地设计与使用。

　　1.5.1胶体防灭火材料性能

　　胶体防灭火技术作为推广迅速的一种新型防灭火技术，已被广泛应用于井下煤层火灾的防治，该胶体防灭火材料具有如下的防灭火性能：

　　(1)固水性。纯胶体中90%以上是水，易于流动的水被固结起来，充分发挥水的降温灭火作用。

　　(2)热降温性。成胶过程是吸热反应，煤温上升使胶体中的水汽化，也将吸收大量的热。

　　(3)渗透和堵漏性。成胶材料是易于流动的液体，渗透到煤层缝隙中后形成胶体，堵住漏风通道。

　　(4)阻化性。促凝剂和基料本身都是阻化剂，两者反应生成的材料也是阻化剂，胶体具有通用阻化剂的性能，对高硫矿仍有良好的防灭火性能。

　　(5)热稳定性。在1000℃多的高温下胶体不熔化、不破裂，仍能保持完好，只是慢失水干裂，但残渣(增强剂和SiO2)仍充填着煤体孔隙。

　　(6)充填性能。增强剂(黄土、粉煤灰、砂土等)用量增加，胶体耐压性增强，高浓度胶体泥浆可充填高冒空顶区。

　　(7)在井下正常情况下(T<28℃，湿度>90%)，胶体可长期保存在煤层中(现场实测13个月仍完好)，防止煤层自然发火或火区复燃。

　　(8)成胶时间可以控制，便于针对不同发火情况和现场使用工艺对其进行适当调节。最短成胶时间25s，慢的可控制在数10h，成胶速度根据火区条件和输送距离及钻孔渗透范围进行调节。

　　(9)材料来源广泛，成本低廉，工艺简单。与灌浆系统相配合的大流量压注胶体泥浆工艺可用于扑灭大面积煤层自燃火灾。

　　1.5.2胶体防灭火材料适用范围

　　仍以粉煤灰为基料形成系列粉煤灰胶体防灭火材料为例。灌注粉煤灰浆液不需添加任何外加剂，材料成本最低，且工艺最为简单，是煤层火灾防治首选的方法，主要适用于仰斜开采的工作面采空区，或泄漏不严重，且注浆地点周边环境能够承受一定液体静压的地点，还可用于不会污染工作区域，且脱出的水份易于排出的地点。由于粉煤灰沉淀速度快，容易发生管路堵塞，而且其亲水性差，注浆地点的灰水很容易分离，脱出的清水很快沿固定通道流走，其防灭火效能较水灰共同作用时的防灭效能大为降低，用于灭火时存在水煤汽爆炸的危险。

　　粉煤灰稠化胶体仅需在地面灌浆池内洒入极少量的外加剂(JXF1930稠化悬浮剂)，使用方法简单，防灭火的材料成本增加较少。稠化悬浮剂的加入，增加了浆液的粘稠度和保水性，从而使较稀的泥浆能达到稠泥浆的防灭火效果，且延长了灌浆地点水灰共同作用下的防灭火时间，增加了浆液的流淌范围，还解决了管路堵塞以及高浓度浆液的管路输送问题。由于有高分子材料的束水作用，在用于灭火时，不会迅速产生大量的水蒸汽，不存在水煤汽爆炸的危险。适用范围与粉煤灰浆液的灌注地点相同。

　　粉煤灰复合胶体外加剂(FCJ12胶凝剂)的用量也极少，防灭火的材料成本增加也很少。胶凝剂的加入是在井下灌浆地点附近，通过定量添加设备，将其按比例加入灌浆管网内(混合点距浆液出口的距离最好<100m)，相对于地面添加稠化悬浮剂的工艺而言，应用的难度有所增加，但其防灭火效能大幅度提高，溃浆的危险性大为降低。FCJ12胶凝剂对于高浓度粉煤灰浆液(灰水比>1：1)的作用是实现浆液的液固转化，最终形成的粉煤灰复合胶体能够停留在指定的地点，充分地发挥其降温和封堵漏风的作用，且胶体在煤层间隙受力时，仅发生蠕变，而不会破裂。由于胶体有粘弹性，它能紧密充填于煤层间隙，即使煤层压裂破碎也不会产生漏风裂隙，可对移架、矿压等造成的新裂隙进行二次封堵。FCJ12胶凝剂对于低浓度粉煤灰浆液(灰水比<1：1)的作用是使灰水迅速分离(分离时间小于1min)，脱出的液体仅是清水，而不是浑浊的浆液，不会污染工作区域，停留在指定地点的粘稠粉煤灰浆仍能起到粉煤灰复合胶体的作用。该胶体材料可用于灌注俯斜开采的工作面采空区，沿空巷道相邻侧采空区，巷邦以及封堵较严的巷道顶部，且由于其成本较低，灭火安全性好，也是用于需大量灌浆的工作面开切眼和停采线，以及大范围采空区灭火的首选材料。

　　粉煤灰固化充填材料外加剂的种类多且用量大，成本高，添加比例也不好掌握，现场应用起来较为复杂，但其强度大，是很好的充填材料。主要用于废弃硐室、两道闭墙之间以及废旧巷道的充填和堵漏。

　　粉煤灰凝胶中，粉煤灰起了凝胶增强剂的作用，胶体强度增加，耐压性增强，但渗透性差，容易在高温火区顶部形成“锅盖”。该材料主要用于浆液易泄漏的巷道顶部和工作面支架顶部，也可对两道闭墙之间的巷道进行充填堵漏风，高浓度粉煤灰凝胶还可充填高冒空顶区。

　　高分子胶体灭火剂MCJ12使用工艺简单，工作量小，成本高，胶体强度大，耐压性高，但渗透性不好。该材料主要用于小范围内煤层火灾的快速控制和熄灭，也可用于巷道顶部、采空区两道等区域的防火、灭火。

　　2应用实例

　　2.1兴隆庄矿4322综放面停采撤架期间煤层火灾的综合治理

　　兴隆庄矿4322综放面走向长1423m，斜长162m，煤厚8.1～9m，采高2.8m，2000年10月底回采至设计停采线。为减少损失煤量，矿决定将停采线向外延长70m，推过王楼一号断层(落差5m)。在过断层和联络巷时顶板难以控制，推进速度慢，冒顶频繁，工作面压力大，顶板破碎，普遍丢失顶煤，从10月11日至11月20日的41d时间里，工作面仅推进29.6m，被迫于11月20日在二号联巷上停采(见图1)。

 

　　图14322综放面停采发火位置示意图

　　2000年12月12日在109#架和进风隅角后部发现烟雾，为防止事故进一步扩大，13日封闭火区。2001年1月12日启封火区，14日16#、17#架间出现明火，由于应急措施准备不到位，再次封闭火区。18日重新打开火区后，将工作面剩余的89个支架安全撤出。在该火区的处理过程中，主要采取了以下综合技术措施：

　　(1)封堵漏风通道。对与4322采空区相通的联络巷、溜煤眼、各种钻孔进行详细的检查，对上述漏风或可能漏风的地点重新进行封堵，防止有害气体泄漏。

　　(2)注氮控制火势发展。向4322上顺施工两个注氮孔，15日夜班开始注氮，至27日监测火区气体变化的3个测点氧气浓度均在15～2%之间，CO浓度均趋于0，整个灭火期间注氮562h，截止到2001年1月9日累计注氮186387m3。

　　(3)施工消火道注胶灭火。火区封闭后，为降低火区温度，彻底灭火撤架，施工消火道，从消火道内向工作面架后施工71个钻孔进行注胶灭火，累计注胶2100m3。

　　(4)工作面短钻孔密集注胶：工作面二次启封后，在工作面布置了注浆、注水管路，并通过钻孔与消火道的管路、注胶设备相连接，根据现场情况，对注胶效果不好的架间及防火重点区域补打钻孔注胶。

　　通过在4322停采线两端闭内、4324二联、4322二联、四采下部运煤巷设置五个测点，对火区的情况进行观测，从观测结果可看出，气体指标的变化能够反应出煤炭自燃的过程和程度，所采取的综合防灭火技术措施起到了良好的效果，成功地扑灭了此次火灾。

　　2.2乌达煤田火灾的综合治理

　　402综采工作面位于五虎山矿中盘区，开采4#煤层，走向长1254m，倾斜长155m，顶部为1#、2#煤采空区，靠近切眼250m范围为大井采空区，其余为小窑非正规采空区。自402采面切眼向北，2#煤层到4#煤层的层间距为8.7～23.5m，岩性为泥岩、粉砂岩、粗砂岩。

　　1999年5月发现鹅头山2#、4#煤露头部分着火，火区距402综采工作面对应的地表距离900m，同时，在402采面中部上覆2#小井井口冒烟。2002年3月，采用高分辨率电阻率法和地面同位素测氡法，结合地面地质调查圈定火区及其影响范围，斟察结果表明：火区发展速度快、范围大，火区东部边缘侵入402工作面顶部已超过了16000m²，火区影响区近40000m²。

　　上覆火区严重威胁着402工作面的安全生产，若得不到有效控制，下部的404工作面也将面临火灾的威胁。为了确保402工作面的安全回采，必须及时有效地扑灭402工作面上覆火区，建立防火隔离带，控制火势向矿区纵深发展。

　　根据火区和矿井实际生产情况，采用“边治理、边验证、边生产”的原则，制定了火区分段治理技术方案，治理方法如下：

　　(1)采用黄土覆盖压实的方法封堵地面漏风通道，采用均压的方法，阻止火区内有毒有害气体泄漏到矿井生产空间。

　　(2)根据圈定的火区范围布置注胶钻孔，按顺序注胶，先注高温孔，再注中温孔和低温孔，重点处理高温区域内的钻孔，其次是影响区域内的钻孔。

　　(3)每天对注胶钻孔邻近的未注胶钻孔测温一次，其它钻孔每隔十天测量一次，观测灭火效果。

　　(4)建立灌浆注胶系统向火区压注粉煤灰复合胶体35255m3，覆盖面积10292m2，在工作面顶部及回风巷外侧形成了长400m，宽60m的胶体隔离带。

　　通过高温区域和影响区域内的钻孔温度在注胶前后的变化结果可看出，火区温度变化非常明显，注胶后温度已降至35℃：以下，基本恢复正常，说明在灭火范围内的火区已基本熄灭。通过注胶形成的胶体隔离带，有效地阻止了火区向采空区深部发展，并有效地抑制了火区侵入402综采工作面上部，成功地控制和熄灭了大面积高温火区，保证了该工作面的安全采出。

　　3结语

　　通过对矿井现有防灭火技术的分类比较，各防灭火技术都有自己的优缺点。应根据矿井实际情况，体现“以防为主，防治结合”的思想，选择以胶体防灭火技术为主，其他防灭火技术为辅的手段，形成矿井综合防灭火技术措施及其装备，实施防灭火工程。