整合矿井巷道局部高温火区治理技术研究

向剑飞，李明亮，王鑫鑫，王青祥

(1.中煤顺通北祖煤业有限公司，山西朔州036900;2.中国矿业大学安全工程学院，江苏徐州221116)

国有重点煤矿中约56%的矿井有自然发火危险，煤炭自燃引起的火灾占矿井火灾总数的85% ～90%。尤其对于小煤矿，由于开采方法落后，采出率低，采空区破碎遗煤多，封闭不严，漏风严重，并且开采深度较浅，上覆岩层垮落后，易形成与地面沟通的漏风通道，在长期漏风供氧条件下极易引起采空区煤炭自燃。

统计表明2010年存在煤层自然发火的小煤矿数量占全国自然发火矿井总数的90%以上。整合矿井几乎都是几个小煤矿整合而来，自然发火较为严重。由于小煤矿资料缺乏，开采范围不明，自然发火区域难以确定，火区治理难度大。针对整合矿井火区治理的复杂性，需根据现有的探测技术和防灭火手段，结合整合矿井实际研究提出一整套完善的“探测—隔离—堵漏—治理—监测”系统性防灭火方案，并将此方法运用到北组矿巷道火区治理中，取得了较好效果。

1 北组矿高温火区概况

北祖矿是由原北祖煤矿、原观音堂联营煤矿、原顺风煤矿以及之间的国有空白区整合而成，原顺风和观音堂联营煤矿发生过煤炭自燃现象。2014年整合矿井先后发现2处高温异常区域，第1处位于9209工作面运输巷，高温将喷浆烧透后落下高温煤体，煤体显现红色火星，红色煤块不断掉下，新露出的煤块不断产生红色火点，掉下煤块温度170℃左右。通过球胆取样化验，检测出CO气体0.2625%，CO2气体 5.6%，C2H6气体 0.041%，O2气体10%;第2处位于主井一部胶带机架棚喷浆巷道，最高温度约89℃，外部高温范围约1m2，手触有明显高温发烫感觉，并且该处巷道喷浆表面有裂隙，空气经裂隙漏入火区，通过施工钻孔发现架棚段后方均为堆积浮煤，高温区域长度为9m，钻孔流出煤屑最高温度为240℃。

2 “探测—隔离—堵漏—治理—监测”治理方案

巷道高温火区“探测—隔离—堵漏—治理—监测”治理方案是指通过全面探测确定巷道高温火区范围，有效隔绝高温火区的漏风通道，根据矿井实际选择火区治理方法，最后全方位监测火区治理效果的系统性灭火方案，该方案使整合矿井巷道局部高温火区治理程序化和系统化。

2.1 高温火区范围及发展趋势探测

采用体积小、携带方便的本安型红外测温仪(CWG550H)对巷道自然发火疑似区域进行探测。探测时首先在巷道高温疑似区域按照2m的固定距离划分经线 (1～3)和纬线 (A～L)，将经纬线交点作为温度监测点，如图1所示，之后再用红外测温仪测定监测点温度，从而准确判断出高温火区的范围。通过长时间探测数据，分析高温点变化，判断高温范围发展方向。

图1 温度监测点布置

图2 主井一部胶带机尾部局部高温区温度分布

图3 9209运输巷局部高温区温度分布

以图1中A1点作为坐标原点，横纵坐标轴分别与经线和纬线平行，建立直角坐标系。根据测得的温度数据，利用插值函数绘出主井一部胶带机尾部及9209运输巷局部高温区域的温度分布图像分别如图2和图3所示。由图2可知主井一部胶带机尾部坐标为 (8，2)的点E2附近温度最高，高温区范围为以D3(6，4)，D1(6，0)，G1(12，0)，G3(12，4)4 点为顶点的矩形区域，并且高温区范围随时间推移不断扩大，向x轴方向发展，如第1d x轴上的E1点(8，0)温度仅为18℃，而90d后E1点温度达到23℃。

如图3所示，9209运输巷前30d最高温度点位于坐标为 (18，2)的J2点，高温范围为以H1(14，0)，H3(14，4)，L3(22，4)，L4(22，0)为顶点的矩形区域。然而经过60d后，出现新的高温火区，高温范围为以 A1(0，0)，A3(0，4)，B1(2，0)，B3(2，4)为顶点的矩形区域，A1和A3点温度分别达到44℃和42℃，但中部A2点温度较低，仅为25℃。经过90d后，火区不断向中部发展，A2温度上升至33℃。

2.2 高温火区“隔离－堵漏－治理－监测”技术

当高温火区范围确定后，首先采取封堵隔离措施，减少供氧条件，防止火区进一步蔓延扩散。通过对9209运输巷和主井一部胶带机尾高温点观察，高温范围内为架棚喷浆巷道，在高温影响下均出现裂痕，因此，对工字钢棚上焊接钢条加固巷道，随后将菱形网片编织在钢条上，最后喷灰砂浆以封堵漏风裂隙，将火区和巷道隔离开来。隔离火区并封堵漏风通道之后，结合北祖矿水源不足、高温点位于巷道上方旧巷和采空区等实际情况，宜采用凝胶防灭火方法进行灭火。

为得到防灭火性能最优的凝胶材料，现场进行了水玻璃 (硅酸钠水溶液)、碳酸氢钠和水配比试验，最终得出最佳质量比例为水玻璃∶碳酸氢钠∶水为15∶5∶80。为了确定注胶钻孔半径，对凝胶扩散范围进行现场试验。凝胶泵注浆压力为2MPa，凝胶实际扩散半径为1.5～3m。故在巷道截面上按扇形布置钻孔，巷道两帮肩窝各1个钻孔，顶部2个钻孔，并且布置多排钻孔，每排间隔2.5m，覆盖整个高温区域。注浆设备选用凝胶泵，将碳酸氢钠和水混合液与水玻璃按照最佳质量比例通过2个管路输送至混合枪头，混合枪头经注浆钻孔注入到火区进行灭火。注浆时要由深至浅步步后退。

2.3 高温火区治理效果监测

注凝胶过程中监测高温火区温度变化，图4为主井一部胶带机尾监测到的高温范围的最高温度和每次凝胶注入量随时间变化曲线。由图4可知:当最高温度上升时，加大凝胶注入量，则温度明显下降;而凝胶注入量减少时，灭火效果变差，温度又回升，因此再次增加凝胶注入量，最高温度则又明显降低。由此可见实施的凝胶防灭火治理火区的效果明显，但需密切监测火区温度变化，当火区温度上升时，需加大凝胶注入量，防止火区煤体复燃。

采取凝胶防灭火技术措施后，9209运输巷和主井尾部2处典型局部高温火区温度最终均降低到正常温度，经过长时间的监测，2处火区温度均未再次回升，说明火区得到了有效治理。

图4 凝胶注入量及最高温度变化曲线

3 结论

(1)根据经验总结提出整合矿井局部高温火区“探测—隔离—堵漏—治理—监测”系统性灭火方案，该方案具有较强的可操作性和实用性。

(2)先通过红外线探测确定火区范围，之后通过钻孔向高温火区注凝胶防灭火材料的方法可有效治理巷道局部高温火区。

(3)采取灭火措施降低火区温度后，仍需对火区进行较长时间的监测，防止火区复燃和蔓延。

［1］邬剑明.煤自燃防治新技术及矿用新型密闭堵漏材料的研究与应用［D］.太原:太原理工大学，2008.

［2］张人伟，李增华.新型凝胶阻化剂的研究与应用 ［J］.中国矿业大学学报，1995，24(4):46－48.

［3］柏发送，方昌才，陈 宿，等.综采工作面高位插管注浆防灭火应用研究［J］.煤炭科学技术，2014，42(5):45－47.

［4］郑忠亚，侯金玲，梁 成，等.资源整合矿井小煤矿采空区火区探测技术［J］.煤炭科学技术，2013，41(4):68－70.

［5］陈 贵.极软易燃特厚煤层综放面立体化防灭火技术［J］.煤矿开采，2014，19(3):123－125.

［6］向剑飞，宋小林，张亚洲，等.柴沟煤矿防灭火注浆系统的设计及应用［J］.煤炭工程，2010(10):12－14.

［7］罗振敏，张辛亥，张向荣.矿井火区塑性胶体充填封堵材料的试验研究［J］.矿业安全与环保，2005，32(1)，4－5.

［8］张 斌.均压通风防灭火技术的应用实践 ［J］.煤矿安全，2011，42(2):96－98.

［9］焦殿志，彭 辉，穆朝民.五沟煤矿1021工作面沿空掘巷煤层自燃发火数值模拟研究［J］.安徽科技，2012(8):39－41.

［10］武建军，蒋卫国，刘晓晨，等.地下煤火探测、监测与灭火技术研究进展 ［J］.煤炭学报，2009，34(12):1669－1674.

［11］肖 旸，文 虎，马 砺，等.矿井综合防灭火技术在煤自燃火灾中的应用［J］.煤矿安全，2008，39(4):49－52.

［12］邬剑明，高尚青.煤层自燃火区温度检测技术的研究与应用［J］.中国安全科学学报，2004，14(10):112－115.