粉煤灰胶体隔离控制技术在花山矿复杂火区中的应用

杨 平，梁国栋，于贵生，张学权，段 滔

（1.煤科集团沈阳研究院有限公司，辽宁 抚顺113122；2.煤矿安全技术国家重点实验室，辽宁 抚顺113122；3.攀枝花煤业（集团）有限责任公司 花山煤矿，四川 攀枝花617066）

火灾事故是煤矿5 大灾害之一，也被国务院《特别规定》列为15 类重大隐患之一[1]。灌浆是现有吸热降温火灾防治技术措施之一[2]，但常用的黄土灌浆材料浆液黏度大，且形成的黄泥浆易顺松散体缝隙流走，浆液利用率低，如果仅增加浆液中溶质的量，则浆液浓度增大，颗粒物沉降速度过快极易造成注浆管路堵塞[3-4]。

针对难以观测到的多个地点先后或同时发生的“沟通型”矿井火灾、由1 个发火地点因漏风渠道多、漏风量大、近距离上覆巷道或采空区存在垮落现象且程度未知导致的“蔓延连片型”复杂火区[5]，以花山矿4238 工作面过断层防灭火措施不当自燃火灾蔓延成复杂的四采火区治理为例，提出分区隔离控制技术[6-7]，即以电厂燃烧废物资源利用化粉煤灰为主要原料形成的降温、惰化、堵漏效果显著的粉煤灰复合胶体为灌浆材料[8-9]，通过施工辅助治理巷道，向4238 工作面回风方向相关联主要巷道设计并施工注浆钻孔，利用钻孔压注粉煤灰复合胶体堆积充填材料[10]，将4238 工作面火区与4236 边上山及火区外围巷道隔离分区域控制，再对各分区逐一治理，最终取得了阶段性灭火效果。

1 火区概况

花山矿所采煤种主要为焦煤。4238 综采工作面位于+1 030 m 水平四采区南翼第四区段，主采23#煤层，平均倾角39°，属于自燃煤层。2014 年1 月，回采揭露F1断层，落差3.1 m，造成18#～26#架间出现倾斜长15 m，高度约16 m，沿走向深度为8 m 的高冒区。结合现场情况，花山矿在4238 运输巷255 m掘上山通道，对断层附近煤体注浆；对高冒区用锚索起吊铁道铺设底、木垛接顶方式联合控制顶板，6月17 日—6 月26 日，高冒区先后共充填填固材料20 t，26 日，充填部位开始冒烟，尽管及时用水降温，但充填体温度反复升降，2 d 后，填固材料及木垛开始明火燃烧，进而4238 回风巷燃烧，于是在4238 运输巷带式输送机机头、+1 138 m 石门往4238 回风巷方向等多处地点施工密闭墙，同时调压、控风，7月3 日，发现4236 边上山上口已见明火，+1 218 m车场巷道口已部分垮落，后对+1 218 m 与+1 274 m两石门及车场等处分别建闭，但依然漏风明显，至7月10 日，完成+1 030 m 水平四采火区大区域封闭。

火区大区域封闭后至2018 年5 月前，花山矿又调整火区回风系统，通过锁风、缩封巷道逐步解放出+1 030 m 水平四采主石门、+1 030 m 水平四采上煤组片区巷道、4158 及4068 工作面，最终实现中煤组轨道上山解放，期间也对与火区回风关联主要巷道进行无机材料充填、由+1 030 m 水平石门向4238运输巷施工注浆钻孔，向火区灌注液态CO2，主要发火地点、各主要密闭构筑位置、充填区域及液态CO2灌注位置，火区前期治理情况立体示意图如图1。图1 中阴影为4236 穿层石门塌陷点、4238 回风巷外段巷道、4236 运输巷外段、4238 回风巷至4236 运输巷小上山、4236 穿层石门无机材料充填区域；三角区域及之间部分区域为火区；红或蓝实心小方块为不同位置构筑的密闭。

图1 火区前期治理情况立体示意图Fig.1 Three-dimensional schematic diagram of early stage treatment of fire area

但通过上述治理手段，只是对火势起到一定控制作用，并没有真正彻底消除火区隐患，从密闭采样化验结果来看，+1 380 m 南回风上山上口处巷道内CO 最大浓度为2.3×10-3，最高空气温度45 ℃。分析火情未熄灭并进一步蔓延、发展原因为：①火区上部为采空区，且煤岩体裂隙多，漏风情况复杂；②注入火区的CO2被漏风带走，未真正停留在火区；③随着时间推移，构筑的多处密闭质量变差，闭墙存在漏洞或裂隙，已失去原有的承压能力，同时虽已对明显的漏风通道灌注无机材料充填，但充填部位已逐渐风化，且遇水浸泡极易被流水冲走，强度大大降低，失去其充填巷道封堵火区漏风通道作用。

高分子胶体防灭火材料有较好的保水性与阻化作用，当胶体材料附着于煤体表面时，除能隔绝周围环境中的氧气，抑制煤氧结合外，其自身含有的水分也有一定的降温作用，同时胶体流动性差，易固结、堆积在煤层缝隙或巷道内，避免了注其他单一成分浆液或水容易泄漏流失现象，且流经、包裹高温煤体时，也不会产生水煤气。粉煤灰复合胶体是以粉煤灰、水为主料，通过额外添加胶凝剂成分形成的防灭火材料，胶凝剂用量少，且电厂粉煤灰价格低廉，节约防灭火工程成本，尤其适合充填巷道隔离治火等注浆量需求大的大面积复杂火区治理。

2 粉煤灰复合胶体特性及制浆工艺

2.1 粉煤灰复合胶体特性

结合花山矿实际情况及特点，决定采用粉煤灰复合胶体作为注浆材料治理花山矿复杂火区。粉煤灰复合胶体具有以下优势：

1）降低防灭火工程成本。粉煤灰脱水性优于黄土，黏性较黄土差，故形成的黄泥浆比粉煤灰浆更易流动，因此粉煤灰浆胶凝剂使用量小于黄泥浆中胶凝剂添加量，仍能达到同等充填堆积效果，而且对于附近有电厂的煤矿来说，粉煤灰作为电厂排放废物，价格更低廉，且再资源化利用也有利于环境保护。

2）成胶时间可控。可根据不同矿井发火情况及现场选用的工艺控制粉煤灰胶体成胶时间。

3）安全可靠。胶体具有一定锁水能力，当粉煤灰胶体流经高温煤体时，不会生成水煤气等爆炸性气体，只会使复合胶体中水分汽化，是吸热反应，对高温煤体有一定吸热降温作用。

4）有效期长。正常情况下（温度小于28 ℃、湿度大于90%），粉煤灰胶体可存于煤层中1 年有效，有利于抑制煤层复燃。

5）耐高温。即使温度高于1 000 ℃，胶体材料也不易熔化分解。

6）阻化作用。粉煤灰、胶凝剂皆为阻化剂，形成的粉煤灰复合胶体拥有一般阻化剂特性。

7）堵漏作用。粉煤灰胶体流入煤岩体裂隙并逐渐失水固结，起到一定堵漏作用，且其中粉煤灰成分使胶体材料拥有一定承压能力。

2.2 制浆工艺

本次粉煤灰复合胶体选用地面注浆系统，即预先储存于灰罐中的粉煤灰通过螺旋输送机送入制虑一体机中，利用制虑一体机自带的小方形添加口加入胶凝剂，胶凝剂及粉煤灰与水按比例混合充分搅拌，形成的粉煤灰复合胶体流入过滤网，将未充分溶解团状物及不溶解固体筛掉，达标胶体落入缓浆池，再通过渣浆泵将胶体通过注浆管路灌入火区或巷道。胶体到达目标位置后逐渐胶凝堆积，覆盖高温煤体或明火，封堵漏风通道，将煤体隔绝氧气，吸热降温，进而达到窒息火区作用，粉煤灰胶体灌注工艺流程如图2。

图2 粉煤灰胶体灌注工艺流程图Fig.2 Fly ash colloid perfusion process flow chart

3 隔离控制技术实施及阶段性效果检验

前期已对4238 回风巷上部巷道充填无机材料；4238 回风巷过火巷道周边围岩均存在大量的裂隙；4236 运输巷外段煤柱有沉陷现象，因此无法从回风侧着手治理，若从火区进风侧治理，启开4238 运输巷密闭，则新鲜风流进入火区，不利于灭火，为不破坏火区现有平衡状态，决定对4238 火区单独隔离控制灭火，即施工火区治理辅助巷道（24#层措施巷），利用在24#措施巷内设计并施工的注浆钻孔，向4238 回风巷、4246 回风巷、4236 运输巷注粉煤灰胶体，充填3 条巷道，将4238 工作面及采空区与4238回风巷上部巷道隔离，以便更有针对性地对各分区火情逐一治理。

3.1 火区治理辅助巷道

火区治理辅助巷道是为注浆钻孔施工及注浆工程顺利进行创造条件，24#层措施巷沿24#煤层顶板布置，设计施工总长度为237 m，由4 部分组成：①1138 石门与措施巷联络巷长度40 m，施工方位角为171°，按3‰坡度掘送；②联络下山设计长度33 m，方位角120°，坡度25°；③23#～24#穿层石门设计长度25 m，方位角120°，按3‰坡度掘送至24#层；④剩余139 m 沿3‰坡度掘送到位，24#层措施巷及邻近主要巷道层位关系如图3。

图3 24#层措施巷及临近主要巷道层位关系Fig.3 The relationship between 24# layer measure lane and the adjacent main roadway

3.2 隔离注浆钻孔施工及阶段性治理效果

24#层施工巷内施工的注浆钻孔包括火区监测孔，因每日2 班连续注浆，钻孔随注随堵，为保证巷道充填隔离效果，采用边施工钻孔边注浆模式，共分6 个阶段完成：

1）第1 阶段。为实现火区状况实时监测，分别向4238 回风巷、4246 回风巷、相关联络巷、4238 工作面上口及4238 支架后方10、20 m 位置施工火区监测孔，共14 个，目前仍有有效监测孔5 个。

2）第2 阶段。向4238 回风巷、4246 回风巷及相关联络巷施工注粉煤灰胶体钻孔，共27 个。

3）第3 阶段。随着注浆工作不断进行，已有注浆孔随注随堵，为强化3#联络巷附近4238 回风巷道注浆充填效果，围绕3#联络巷继续向4238 回风巷施工注粉煤灰胶体钻孔15 个。

4）第4 阶段。通过对24#层措施巷内淋水温度及火区监测孔化验结果分析，发现底弯道附近主要淋水点最高淋水温度为64 ℃，3#联络巷外侧尤其是4238 回风巷仍存在明显火情，且4238 工作面及采空区氧气浓度仍高为10%左右，3#联络巷附近注浆孔（兼做监测孔）监测CO 浓度为2×10-3左右，说明未达巷道充填隔离效果，又向4238 回风巷设计并施工8 个注浆孔，考虑到火势蔓延至4236 边上山附近，同期向4236 边上山施工注浆钻孔3 个。

5）第5 阶段。随着对已有钻孔连续注浆充填巷道，4238 工作面及采空区氧气浓度降为5%左右、监测孔内出气温度为26 ℃左右，3#联络巷往工作面方向措施巷内淋水地点明显减少，3#联络巷附近注浆孔（兼做监测孔）监测CO 为2×10-4左右，说明4238回风巷与4246 回风巷内注浆充填段已有个别部位堆积的浆液高度快要接顶，但3#联络巷外侧火情仍未消除，于是为探明火点或高温点存在位置，向4238 与4236 工作面间隔离煤柱施工2 个探火钻孔，分别距离24#层措施巷底弯道5、32 m，发现过火迹象。

6）第6 阶段。为探明实际火情范围、处理高温区域、进一步强化巷道充填隔离效果，又向4236 运输巷、4238 回风巷及相关联络巷每隔一定距离陆续施工探火孔兼做注浆孔，未注浆的可监测孔，已下套管探火孔共26 个，均可做注浆孔。

目前已施工的钻孔累计95 个，24#层措施巷钻孔位置如图4。

4238 回风巷、4236 运输巷、4246 回风巷及相关联络巷共预计注粉煤灰胶体量为20 000 m3，实际注浆量为23 813 m3，从注浆量角度，已实现3 条巷道充填堆积，火区粉煤灰复合胶体压注数据统计表见表1。

近2 个月火区连续有效的监测孔调负压取气化验结果显示，+1 380 m 南回风上山上口密闭内CO浓度为0，闭内空气温度27 ℃；3#联络巷外侧火区监测孔CO 降至2×10-4以下；24#层措施巷底弯道附近淋水温度最高46 ℃；2#联络巷附近监测孔CO 浓度为0；4238 工作面及采空区内监测孔化验结果显示CO 为0，氧气浓度维持在4%以下，监测孔内出气温度为24 ℃左右，说明经过近1 年粉煤灰复合胶体连续灌注，3#联络巷附近往工作面方向4238 回风巷、4236 运输巷、4246 回风巷及相关联络巷达到了充填隔离目的，即原来整个复杂火情区域被分割成4238 工作面及采空区安全区与3#联络巷外侧4236边上山附近高温区，两者已互无影响，4238 采空区满足启封条件，现阶段正在对4236 边上山注浆治理3#联络巷外侧高温区，后期会辅助注氮措施：一是对高温地带注氮惰化，二是对4238 采空区注氮，巩固火区治理效果；同时对3#联络巷外侧监测孔与采空区监测孔进行联合监测，对比分析氧气、氮气变化情况，进一步验证注浆充填隔离效果。

图4 24#层措施巷钻孔位置Fig.4 The borehole position in 24# layer measure lane

表1 火区粉煤灰复合胶体压注数据统计表Table 1 Statistical table of composite colloid injection data of fly ash in fire area

4 结 语

粉煤灰复合胶体防灭火材料集堵漏、降温、固水、惰化、抑爆、灭火成本相对较低等优势于一身，其形成的隔离控制技术已广泛应用于煤矿井下火灾防治工程中，对于发火区域周边采空区密集，裂隙发育，漏风环境复杂引起的蔓延型大范围复杂火灾尤其适用，利用该技术将大面积火区进行分区针对性控制治理，提高了矿井火灾防治效率，一定程度上也降低了煤矿灭火成本。