松散煤体中掘进自然发火防控技术研究

闫春来，杨子祥

（兖州市大统矿业有限公司，山东兖州 272100）

0 引言

山东省兖州市大统矿业有限公司杨庄煤矿九采区开采煤层为三煤，属二类自燃煤层，最短自然发火期为80 d。C9301 工作面范围内的煤体已进行了一次回采，采高约2.2 m 左右，受上次采动影响，上覆煤岩垮落造成复采时顺槽施工在松散煤体中掘进。原工作面回采过程中未采取注浆固化等措施造成遗留煤体松散；掘进期间煤体应力再一次重新分布造成煤体进一步破碎、裂隙发育、漏风供氧强度增加；掘进过程中迎头顶帮易出现抽冒现象，形成空洞使得煤的自燃危险性增强，增加了掘进期间的煤体自然发火防控难度。常规是玻璃凝胶强度低、凝结时间慢、操作复杂；普通注胶工艺及参数无法全面覆盖松散煤体且经济成本高。如何寻找高效高强度水玻璃凝胶替代品、优化注胶工艺及参数，确保掘进过程中的自然发火防治安全成为重中之重。

1 自然发火防控技术研究

1.1 常规水玻璃凝胶

通过前期实验发现水玻璃凝胶强度低、成胶时间长（表1）。实验结果：小苏打浓度对于凝胶时间无影响，但最低不得少于3‰。在小苏打浓度相同的情况下，水玻璃凝胶成胶时间受水玻璃浓度影响较大，水玻璃浓度超过50%时，成胶时间减半，最快为30 s。

1.2 复合胶体研发

1.2.1 复合胶体特点

对于松散煤体巷道来说，巷道煤层自燃主要与松散煤体厚度、对流散热强度、煤体当量粒径、氧的渗透量有关。复合胶体特性如下：

（1）固水降温性。复合胶体中90%以上是水，易于流动的水被固结起来，充分发挥水的降温作用；成胶过程是吸热反应，煤温上升使胶体中的水汽化，也吸收大量的热。

表1 水玻璃凝胶井上实验结果

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

（3）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。

（4）热稳定性。在1200 ℃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。

（5）充填性能。复合胶体耐压性增强，高浓度胶体泥浆可充填高冒空顶区。

（6）灭火安全性。由于复合胶体有束水作用，在用于扑灭煤火时，不会急剧产生大量的水煤汽而恶化工作环境或发生爆炸。

（7）有效期。正常情况下温度<28 ℃、湿度>90%，复合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）成胶时间可控性。最短成胶时间15 s，慢的可控制在2 h以上，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。

1.2.2 复合胶体防灭火技术的特色

（1）灭火速度快。由于胶体独特的灭火性能，其灭火速度很快，通常巷道小范围的火仅需几小时即可扑灭，工作面后方大范围的火也只需几天即可扑灭。

参照Wandee[10]等人的方法，称取10 g粉条（干基，m），每根长度约为5 cm，放入盛有200 mL沸水的烧杯中，用电炉加热使水保持沸腾状态，烧杯上方加盖以防止水分的大量蒸发。煮制10 min后，捞出粉条，沥干水分后称重（m1），然后将粉条置于105 ℃烘箱中烘干至恒重（m2），按下列公式计算蒸煮损失和膨润度：

（2）安全性好。胶体在松散煤体内胶凝固化、堵塞漏风通道，故有害气体消失快；在高温下，胶体不会产生大量水蒸汽，不存在水煤气爆炸和水蒸汽伤人危险。

1.3 注胶工艺设计及优化

注胶强度保证堵漏不易垮塌，凝胶时间保证快速处理，孔径保证压力和渗透量，长度确保加固，间距保证经济合理全面覆盖破碎煤体（图1）。

（1）孔径。经过实验验证，孔径在27～56 mm 均可满足压力和渗透性的基本设计要求，且无显著影响，故可选用现有煤矿常用常规钻头。

（2）长度。根据现场实验，5 m 的长度可全面满足该矿各地质条件下的防灭火钻深要求，且钻深＜5 m 对生产成本影响不显著。故统一选取5 m 作为作业的标准长度。

（3）间距。通过对所有样本的数据分析，5 m 半径的渗透性能够满足强度等参数要求，根据相交的包络曲线计算，综合考虑复杂曲面效应，统一选取4 m 作为注胶钻孔间距的最大值。

图1 留顶煤掘进期间顶煤厚度大于1 m 时防灭火注胶孔布置

2 效果分析

2.1 防灭火监测探孔布置

（1）C9301 轨道顺槽防灭火监测探孔布置。1#、2#探孔布置在1#、2#煤柱中间约巷中位置；3#探孔布置在3#煤柱北侧以外（参考距离约2～6 m）9300 南顺槽下方约巷中位置；4#探孔布置在4#煤柱南侧以里（参考距离约2～6 m）9300 北顺槽下方约巷中位置。以上探孔均垂直于巷道顶板打设，1#、2#探孔深度约为2 m，3#、4#探孔深度以进入煤柱内的遗留老巷为准。

（3）C9301 顺槽掘进期间，每50±5 m，安设一个防灭火检测孔，探孔垂直顶板打设，距人行道一侧帮部约500 mm，管长3 m（根据顶煤厚度长度应进行调整）并根据实际情况安设铂电阻。

（4）掘进通过煤柱边缘时，可利用预先打设的注胶孔安设束管设置1 个临时监测探孔，监测结果及时汇报通巷工区及相关部门。

（5）C9301 工作面掘进期间打设的防灭火监测探孔每天检查1 次，检查内容包括：CH4、CO2、CO、温度等情况，连续观察1周无异常后汇报通防部门改为1 周检查1 次。所有探孔如经检测发现探孔内一氧化碳气体超过24×10-6且逐渐升高时，每班至少人工检查1 次，每周至少采样分析1 次。

2.2 束管采样分析结果

通过对以上采样点进行束管分析，结果显示钻孔内一氧化碳气体在处理后均在24×10-6以下，顺槽掘进期间未出现自然发火隐患，有效保证了矿井的安全生产和持续性发展。

3 总结

复合胶体的应用与注胶工艺的设计及优化的综合运用确保了松散煤体掘进过程中自然发火的有效防控，束管采样分析指标性一氧化碳气体持续稳定在24×10-6以下。传统开采形成的大量残煤因煤体松散漏风大、自燃危险性大，成为复杂难采矿床，常规技术无法实现安全开采。本项目通过开发新型复合胶体、运用大量实验数据和计算等精确确立注胶工艺的各项指标及参数，在有效保障安全的同时进一步降低了作业成本，使得回采此类残煤成为可能，并实现了自然发火精细化安全生产管理。本项目对松散矿体类型的复杂难采矿床的规模化开采具有积极的推广和借鉴意义。

该项目开发了新型复合胶体，可有效解决残煤自然发火的安全隐患，为大统矿业已探明符合该条件的300 万吨残煤（可回收资源价值约15 亿元）的安全开采提供必要条件。注胶材料及工艺的优化有效提高了施工效率，精确控制了施工成本，预计全部资源回收期间可节约直接成本1000 万元。