采空区堵漏防灭火技术的实践与应用

2015-12-22卢斌

科技视界 2015年23期

卢斌

（河南理工大学安全科学与工程学院，河南焦作 454000）

0 引言

我国煤矿众多，煤炭自然发火非常严重，据统计我国有54.9%的煤矿存在自然发火问题[1]。就矿井火灾而言，煤炭自燃火灾次数约占矿井火灾总次数的94%。随着煤矿开采技术的不断发展，矿井高强度开采使得采空区范围不断增大，而采空区遗煤自燃变得不容小觑，因遗煤自燃引起的火灾发生的次数占总自燃火灾次数的60%以上。煤矿火灾的发生还经常引发一系列重大事故如瓦斯爆炸、煤尘爆炸等，矿工的生命安全受到了严重威胁，给国家带来了惊人的财产损失[2]。

1 矿井概况

山西河曲晋神磁窑沟煤业有限公司隶属山西省晋神能源有限公司，井田面积为10.6227km2，年产能为180 万吨/年。磁窑沟10202 工作面开采10～2 煤层，该煤层为特厚煤层，赋存较不稳定，工作面煤(岩)层呈单斜构造赋存，大体向北西方向倾斜，煤层倾角为2～8°，煤层平均倾角为4°10′，煤(岩)层中节理、裂隙中等发育。10～2 号煤层采用长壁式（走向或倾斜）一次采全高综合机械化采煤方法，采用全部垮落法管理顶板，通风方式为W 型通风。煤层绝对瓦斯涌出量2.086m3/min，相对瓦斯涌出量0.817m3/t，CO2绝对涌出量3.332m3/min，CO2相对涌出量1.303m3/t。煤层具有爆炸性，井田各煤层煤的自燃发火期为3～6个月，井田内各煤层采空区均有自燃现象，煤的自燃倾向等级为容易自燃煤层。

2 采空区遗煤自燃分析

由于10-2 煤层埋深浅，使综采回采后地表受到煤层开采影响，引起地面塌陷使采空区形成许多与地表贯通的不易封闭的裂缝，同时一次采全高的采煤方法，使采空区的浮煤较多，在矿井负压通风的作用下形成多源漏风，漏风过程中，风流中的氧气源源不断的进入采空区破碎的煤体中,煤体在氧气的作用下发生缓慢氧化放出热量，由于采空区内风量较小从而使得产生的热量得以集聚，温度逐渐升高，当达到煤的自燃点时，遗煤就发生了自燃现象。

3 采空区堵漏防灭火

3.1 堵漏防灭火原理

物质燃烧三要素即：可燃物、氧气、温度。只有三个条件同时存在且达到一定数值，物质才能燃烧。堵漏防灭火技术是将发泡堵漏材料，通过发泡机的发泡系统将泡沫剂用机械方式充分发泡，并将泡沫与水泥浆均匀混合，然后经过发泡机的泵送系统压送到破碎媒体裂隙和缝隙中，经自然养护形成一种含有大量封闭气孔的新型轻质填充材料[3]。当压力再升到一定程度,充填体发生塑性变形,释放巷道压力以防止煤体被重新压裂而形成新的漏风通道,该充填体能够起到隔绝空气、吸热降温的作用因此堵漏防火效果较好。其堵漏防灭火工艺流程如图1 所示。

3.2 高强复合发泡系统

计量磅1 台；搅拌机4 台；混合浆料输送机（或注浆泵）1 台；空气压缩机（或用井下压缩空气代替）1 台，注浆管50m。试验用的发泡系统如图2。

3.3 高强复合发泡封堵材料主要指标

（1）发泡倍数5～10 倍；

（2）适用温度≥15℃；

（3）失去流动性时间为10～30min，凝固时间为90～200min（可控制）；

（4）发泡材料膨胀性适中，封堵严密；

（5）对发火区域封堵效果好，质量高。封堵材料与煤壁之间具有优良的润湿、附着性能；

（6）材料不燃性能好，强度高的特点。与同类封堵材料相比，具有防火阻燃性能优良，强度高，达到煤矿安全生产规程要求；

（7）抗压、抗拉强度高。抗压强度≥0.3MPa，封堵强度达到防火要求，无漏气、渗水现象；

（8）性价比高，成本较低；

（9）封堵施工速度快、方便，发泡速度适中，凝固时间可控。

3.4 采空区堵漏技术应用

在10202 工作面回风巷内做钻场，钻场断面大小为2×2，每钻场打三个钻孔，孔深为20m，孔径为90mm，钻场间隔为25～35m，应用高强度复合硅酸盐发泡材料快速堵漏，有效地隔绝采空区的漏风，缩短氧化带。钻孔布置如图4 所示。

4 封堵效果分析

采空区遗煤产生自然发火的条件之一是供氧，蓄热程度由风速决定。一般认为，能够抑制煤的自热的氧气浓度下限为8%。氧气浓度大于18%为散热带，小于8%为窒息带，在8%～18%为自燃氧化带[4]，此处研究遗煤高度为0.2m 时自燃氧化带的分布。在实测期间10202 综放工作面的供风量为1300m3/min 故该模拟选取风量仍为1300m3/min。图5 显示了遗煤高度为0.2 平面，封堵前后氧气浓度在8%～18%间的自燃氧化带分布情况。

由图5 可知封堵使自然氧化带向工作面靠拢，且相同风量下，封堵（b）比未封堵（a）时氧化带的宽度减小。该数值模拟结果与实际结果基本一致。