新型凝胶防灭火技术在大采高综采工作面自燃防治中的应用

赵立克，张辛亥，郑仲明

（1.伊泰煤炭股份有限公司，内蒙古 鄂尔多斯017000；2.西安科技大学，陕西 西安710054；3.西安安备特安防科技有限公司，陕西 西安710054）

煤层自燃对矿井安全生产构成严重威胁[1-3]。煤层自燃一般发生在采空区或巷道周围松散煤体内，火源位置通常比较隐蔽，因而煤层自燃防治十分困难[4-5]。防灭火技术主要有灌浆、注惰气、泡沫、阻化剂和凝胶等，在矿井火灾防治中起到重要作用。但这些技术中，注水、灌浆和注阻化剂技术应用时，由于水和浆液流动性强，容易流失，通常不能有效降低煤体内部温度，难以彻底的扑灭煤层火灾[6-7]；灌注水泡沫及惰气进行灭火时，由于气体比热容较小，并且气体与煤的热交换速度相对较小，故其降温速度较慢，降温效果相对较差，也难以彻底灭火。凝胶材料具有强固水性，降温、堵漏、热稳定性也很好，因而用其进行煤层火灾防治的效果较好[8-10]。ABT-Q 型高效复合材料是一种新型复合型凝胶类防灭火材料，由一种原料与水反应合成，应用工艺方便，充填堵漏和降温灭火性能良好。

1 ABT-Q 型高效复合材料及工艺装备

1.1 ABT-Q 型高效复合材料

ABT-Q 型高效复合材料的原料为单组分浅黄色液体，由无机稳定剂催化剂与有机高分子原料预聚体构成，该材料遇水即可发生化学反应，发生交联，形成网状结构的凝胶材料。水与原料的比例可调节范围比较大，一般1∶1～25∶1 范围内，都可生成性能优良的凝胶材料。材料原料配比要求宽泛，可十分方便地进行现场应用。

所生成的高分子材料含有大量亲水官能团，可将大量水吸附控制在其分子结构内[11-12]，其固水量一般可达20 倍以上。所生成的凝胶材料表现出一定的弹性，吸水量达15 倍时，受外力变形30%以内时撤除外力可以自行恢复，变形达到100%时不破裂。

ABT-Q 型高效复合材料的原料与水混合后一般在0.5～3 min 内胶凝。成凝胶之前，原料与水混合物溶液的流动性良好，可实现在管道中大流量输送，也能够渗透扩展进入煤岩层的裂隙中。发生胶凝反应后失去流动性，可发挥充填堵漏的防灭火效果。该材料对环境无污染，具吸热降温、充填堵漏和抗动压性。该材料对煤岩体附着力强，扑灭高温煤火不易发生水煤气爆炸[13]。

1.2 工艺装备

根据材料合成工艺及原料配比要求，开发出其气动制备与灌注设备。设备有2 个往复运动的气动缸，每个气动缸的2 个连杆与2 个活塞相连，气缸往复运运推动活塞在各自注液缸内运动，通过单向阀控制实现吸液和排液。ABT-7/3.5D 矿用多功能喷注设备原理图结构原理如图1。

图1 中，左侧气动活塞的直径为右侧气动活塞直径（气动缸内径）的2.5 倍；对应的注液活塞直径（注液缸内径）也为右侧的，2 倍。因此，左侧每个注液缸的注液流量可达右侧1 个缸的6.25 倍。

气动缸和与之相连的注液缸的直径之比为2∶1，因此注液压力可达气压的4 倍。如矿井下供气最大压力为0.8 MPa，则本装备注浆压力可达3.2 MPa。

图1 ABT-7/3.5D 矿用多功能喷注设备原理图Fig.1 Schematic diagram of ABT-7/3.5D type multi-function injection and spray equipment

系统可实现2 种原料的配比为：1∶1、13∶19、2∶13、1∶14。此外，还可以通过2 个气动缸供气流量进行调节2 种原料配比。

2 ABT-Q 型高效复合材料灭火技术应用

2.1 火区概况

红庆河煤矿3-1103 综采工作面位于红庆河井田3-1 煤1 采区。开采煤层厚度为6～6.5 m，大采高开采。工作面采煤方法为走向长壁后退式采煤法，采用综合机械化采煤工艺，采用自然垮落法处理采空区顶板。选用MG1000/2540-GWD 型双滚筒采煤机，一次采全高。回采期间综采面采用运输巷进风，辅运巷回风的“U”型通风方式，工作面的实际配风量为2 447.8 m3/min。3-1 煤层煤属于I 级容易自燃，煤层最短自然发火期为45 d。由于3-1103 综采工作面大采高开采，采空区巷道侧采空区留有厚达2 m以上的浮煤，巷道侧采空区自燃危险较大。

3-1103 综采工作面自2018 年3 月15 日开始正式生产，至2018 年11 月30 日，工作面推进928.3 m时，由于冲击地压影响，工作面被迫停产。停产期间采取的防灭火措施包括：①整个工作面架间充填高分子发泡堵漏材料，减少采空区漏风；②工作面风风侧埋管至距离切顶线26 m 左右的采空区，每天连续注氮20 h 以上（检修时间停注），注氮流量1 200 m3/h；③工作面风量由停产前的2 426 m3/min 下降到1 100 m3/min，工作面两端风压差下降约71%，从而减少了采空区漏风量，缩小了采空区氧化带范围。

此外，采空区埋设了束管、热电偶等，对采空区进行监测。截止2019 年7 月初，3-1103 工作面架间、采空区及回风隅角气体取样化验分析数据无异常。

2019 年7 月5 日晚，3-1103 工作面回风隅角和回风流CO 浓度突然增高，数据超限，夜间CO 浓度呈现上升趋势。7 月6 日，检测发现3-1103 采空区回风隅角CO 浓度迅速上升到（395～500）×10-6，同时出现少量C2H4，认为3-1103 采空区已发生煤层自燃，立即启动应急预案，采取紧急防灭火措施。预计发火位置及ABT-Q 型材料充填区平面示意图如图2。

图2 预计发火位置及ABT-Q 型材料充填区平面示意图Fig.2 Predicted spontaneous fire position and the ABT-Q material filling zone

2.2 防灭火技术措施

根据现场监测结果，距离工作面进风侧约25 m、回风隅角、距离回风侧约20 m 等位置检测到CO浓度较高。工作面进风侧距离工作面约25 m 处的采空区注氮口外侧，由于注氮的引射作用，并且顶板垮落不严漏风阻力小，故该处漏风较大，并且该处遗煤较多，自燃危险极大。结合气体监测结果，预计该处已经发生了煤层自燃。

同时，工作面进风侧、回风侧采空区遗煤较多，距离工作面进风侧约30 m 处的冲刷带附近遗煤也比较多，是采空区煤层自燃易发区，预计已经出现煤温升高现象。由于检测到CO 时，工作面在约11个月时间内推进距离不超过100 m，故整个工作面采空区遗煤都经历了长时间氧化，预计也都有升温趋势。

据此确定通过向工作面灌注ABT-Q 型高效复合材料，结合注氮及泡沫等防治采空区煤层自燃。首先，自邻近工作面巷道向进风侧采空区施工钻孔，钻孔终孔位置为距离工作面10、15、20、25 m 范围，孔高为到达煤层顶板以上0.5 m，距离巷道煤帮1、3、6 m。孔内下φ25 mm 套管，最前端1 m 套管管壁开孔，以便于ABT-Q 型高效复合材料混合液扩散。然后通过工作面向回风隅角、冲刷带附近等施工钻孔，终孔位于架后2 m，煤层顶板以上0.5 m，沿工作面布置方向每隔3 m 布置1 排钻孔。每个钻孔以同样的方法下套管，沿套管注ABT-Q 型高效复合材料。最后，在工作面其它部位灌注ABT-Q 型高效复合材料，工作面直接插管到架后顶板，预防采空区高温向工作面扩散，保障回撤安全。

在采取上述措施的同时，工作面持续注氮，并且在重点部位加注泡沫，抑制煤层氧化，促使工作面CO 浓度快速下降。

2.3 灭火效果

使用新型设备压注ABT-Q 型高效复合材料非常方便，仅需将吸料管插入料桶，接通水源和气源即可快速向预定区域压注新型凝胶材料。本材料对水质无特别要求，矿井水可直接用于灌注该材料的凝胶。原材料遇水后发生固化，无残留水溶成分，故不会对地下水产生污染。原材料应用过程中不产生挥发成分，也不会对井下大气构成污染。

累计向采空区灌注ABT-Q 型高效复合材料300 m3，使用原料20 t，有效地降低了煤温，减少了采空区漏风，使工作面CO 浓度迅速下降。

为了掌握实施综合防灭火技术的效果，通过煤矿现有的安监系统和人工抽气采样对工作面回风隅角CO 气体进行连续观测，CO 浓度变化曲线如图3。

图3 CO 浓度变化曲线Fig.3 Curve of CO concentration varies with time

从图3 可以看出，在注胶期间CO 浓度迅速下降，说明漏风供氧减少，或高温区范围明显缩小。灌注ABT-Q 型高效复合材料灌注过程中，CO 浓度锯齿状起伏，是材料与高温煤体接触过程中产生蒸汽，引起气流紊乱的结果。可见材料灭火过程中不会产生大量破坏性的水蒸汽，其灭火安全性很好。

通过灌注ABT-Q 型高效复合材料，3-1103 综采工作面回风隅角等部位CO 浓度迅速下降到安全值，说明该材料灭火降温快、堵漏性能好，对煤层火灾治理效果明显。

3 结 语

1）ABT-Q 型高效复合材料形成的新型凝胶材料，吸水倍率高，降温效果好，适用于采空区高温防治，其灭火速度快、效率高。

2）根据ABT-Q 型高效复合材料合成工艺开发的压注设备，具有自动进料，自动配比，出口压力高，移动方便等特点，适应了火灾防治的要求。该设备以井下压缩空气为动力，具有很好的安全性和便捷性。

3）运用ABT-Q 型高效复合材料快速治理了红庆河煤矿厚煤层采空区大面积自燃火灾，说明该技术降温速度快、堵漏性能良好，适应了煤矿防灭火的需要，是一种良好的矿井防灭火技术效果。