立交结构巷道煤自燃成因及防治技术

岳宁芳，白铭波，高军伟，王 钊，蔡国斌，金 彦

(1.西安科技大学 安全科学与工程学院，陕西 西安 710054；2.陕西陕北矿业韩家湾煤炭有限公司，陕西 榆林 719000)

0 引言

为满足煤矿井下临近水平巷道拥有独立的通风系统和运输系统，解决两条巷道平交时风流不能混合的问题，立交结构在各大矿井应用广泛[1-2]。然而，对于设计在煤层中的立交工程结构，上下巷道存在风压差，巷道垂直距离较近，在巷道施工过程中，巷道间的煤体周围产生一定裂隙，形成漏风通道，在矿山压力缓慢持续的作用下，漏风通道进一步发育和扩展，附近煤体具备氧化蓄热的条件，极易在巷道顶板产生几平方的起火点，给矿井防灭火工作带来很大障碍[3-5]。

煤矿安全生产的过程中，一旦发生巷道火灾，危害极大。为有效防控巷道火灾，国内学者对矿井防灭火材料、工艺、设备等做了大量研究。例如，文虎等[6，8]模拟了水平巷道火灾三维瞬态温度场和逆流层随火源强度的关系，反映出巷道火灾对矿井通风的影响，极大威胁井下作业人员的生命安全。史文波[7]通过研究灌浆的材料、方法及工艺参数等，针对不同发火情况，提出了黄泥灌浆的实际应用方法；文虎等[8]提出了多功能灌浆注胶防灭火系统，将黄泥灌浆和胶体防灭火技术有机地给合在一起，提高了系统利用率。刘英学等[9]首次运用燃烧学和热力学的理论观点，从3个方面探讨了黄泥灌浆方法防止采空区遗煤自燃的作用机理，并通过应用实践研究肯定了该技术的防治效果。郭晓刚[10]对现有制浆设备进行分析和比较，介绍了一种工艺简单、安全可靠、制浆能力大、易于控制灌浆量和水土比的新型黄泥制浆设备的制浆工艺；马衍颂等[11]介绍了一种可以精确实现黄泥灌浆时水土比与制浆量的给料系统，将螺旋给料机、带式输送机、涡轮流量计、电动调节阀通过电气控制系统有机地组合起来，可实现水土比的精确供给；徐禄均等[12]对原有的黄泥灌浆控制系统以及水土比调节算法进行优化，从而更好地实现水土比调节。现在，煤自燃火灾防控技术越来越成熟，邢伟等[13]对采空区进行黄泥注浆，有效遏制了采空区内温度升高势头，消除了火灾隐患；郭兴明等[14]采用注惰气、注胶防灭火技术扑灭鲍店煤矿煤层巷道火灾。此外，王亚超等[15]采用粉煤灰胶体灌浆成功扑灭了新疆焦煤集团艾维尔沟煤矿2130平硐煤自燃火灾。

为此，针对某矿相近平交巷道(立交结构)出现煤自燃隐患问题，采用黄泥复合胶体和凝胶防灭火技术，成功消除巷道煤自燃风险，对于煤矿巷道自然发火防治具有指导意义。

1 工程概况

某矿采用立井开拓方式，煤层厚度超过15 m的区域采用分层放顶煤采煤方法，即会在一个煤层中设计上下多条巷道。在井下辅运大巷的风巷出现一处煤自燃异常区域，具体位于矿井辅运大巷和已经封闭的A工作面风巷交叉点，形成立交结构。两条巷道均设计在煤层中，两巷设计间距最小为3.8 m，由于顶板问题进行了挑顶，导致该区域巷道间距最小为1.5 m左右，风巷密闭内的CO浓度超过100×10-6，注浆反水温度异常。根据巷道标高分析，风巷巷道口顶板标高为+701.07 m，异常区域点巷道顶板标高为+701.3 m，皮带大巷处巷道顶板标高为+696.1 m，回风大巷回风巷道密闭处顶板标高为+696.4 m。具体层位关系如图1所示。

图1 巷道布置及异常区域示意

2 巷道交叉点煤自燃异常区域分析

2.1 煤自燃原因分析

煤自燃条件：煤自燃是煤氧化蓄热升温的结果，在矿井生产过程中，导致煤自燃需具备4个条件[16-17]。①具有自燃倾向性的煤呈破碎状态存在；②煤体所在环境存在漏风供氧；③良好的蓄热环境；④以上3个条件共同作用时间大于煤自然发火期。

煤自燃异常的原因：根据煤自燃的充分条件分析，导致该立交结构的风巷出现煤自燃异常的原因主要包括以下4点。①巷道上下层间距只有1.5 m左右，矿井压力较大，巷道松动圈范围大，立交结构的两巷存在裂隙相互沟通，这为浮煤自燃提供了良好的漏风供氧通道；②风巷所处煤层的煤自然发火期在35 d左右，自燃倾向性高；③1.5 m厚的浮煤以及辅运大巷的喷浆处理为煤自燃提供了良好的蓄热环境；④风巷位置长时间漏风为自燃隐患的发生提供了充足的时间。

2.2 立交结构区域煤自燃特点

立交结构区域的煤自燃属于巷道火灾的一种，该区域煤自燃特点包括以下3点。

巷道火灾具有隐蔽性：风巷有独立的通风系统，巷道空间有持续稳定通风，即使巷道四周存在火点，在煤自然发火初期，自然发火产生的气体顺着风流方向不断稀释，难以在巷道环境中检测到煤自燃的气体产物，导致异常点发现不及时，极易迅速发展为巷道火灾。

巷道火灾发展迅速：煤自燃过程中，随煤温升高，巷道火灾高温点逐步向有氧测移动，一方面，由立交位置深部向浅部纵向发展；另一方面，一旦出现高温点，高温顺着风流方向发展，高温区域不断扩大，当火势发展到一定程度，火点甚至会逆风发展。

巷道火灾具有难控性：井下巷道长，传统的定点监测难以实现全巷道覆盖。此外，因巷道火灾的隐蔽性，导致巷道火灾有足够的时间发展，待自燃征兆显现，巷道周围煤体火点范围和温度均难以控制。同时，在巷道内，传统的水系材料难以堆积，使得巷道顶部及深部火点难以处理。

3 立交结构巷道煤自燃区域治理

3.1 治理思路

结合立交结构巷道煤自燃原因、特点及自然发火规律，通过煤火防控的主要技术分析，确定巷道煤自燃主要治理措施及目标为“灌浆充填，消除隐患”。以“黄泥复合胶体”充填技术为主，大幅度降低异常区域空间；以“凝胶”防灭火技术为辅，封堵裂隙通道并充填剩余空间；实现异常区域段巷道的充填，降低异常区域自燃隐患的发生概率。第1阶段，通过盘区换装硐室和回风大巷密闭两处灌浆管路向辅运大巷交叉处灌注凝胶，封堵漏风、漏水裂隙通道。第2阶段，通过盘区换装硐室和回风大巷密闭两处灌浆管路向辅运大巷交叉处灌注高浓度黄泥浆，对风巷大巷顶部巷道进行充填，最大限度充填黄泥浆，并添加材料使之尽快固化脱水。第3阶段，由于黄泥浆的流动性较好，根据异常区域层位分析，当浆液从风巷盘区换装硐室密闭排出后，基本实现异常点向下层位区域段的处理，对上段通过换装硐室密闭注浆管路进行灌注凝胶作业，充填上部区域。第4阶段，一旦换装硐室和风巷两处密闭注浆管路全部堵死后，可通过辅运大巷向异常区域施工灌浆钻孔进行充填作业。

3.2 技术准备

对风巷煤自燃区域的治理主要采用大流量注胶充填工艺。利用煤矿现有的地面灌浆防灭火系统及防尘水管路系统，从地面浆池中配好黄土、水玻璃和水，注浆系数为1.3，地面水量控制在19～22 m3/h，水玻璃用量控制在2.71～3.00 m3/h。在井下风巷异常区域附近用ZM-5/1.8D煤矿用注浆机把碳酸氢钠按比例添加到管路中，再压注到风巷异常区域。该系统井下材料运输量少(只需运送碳酸氢钠)，注胶流量大(30～100 m3/h)。

3.3 技术步骤

立交结构巷道煤自燃区域治理具体方案步骤可分为“一堵、二灌、三填、四补”，即堵裂隙通道、灌浆充填空间、剩余空间充填、补钻孔灌注应急。

凝胶堵漏：凝胶灌注封堵示意图，如图2所示。首先，对辅运大巷异常区域顶部进行二次喷浆处理，在此封堵漏风漏水通道，加固顶板。然后，通过盘区换装硐室和回风大巷上A工作面密闭预埋的灌浆管路，向异常区域灌注凝胶，封堵漏风漏水通道。

图2 凝胶灌注封堵示意

黄泥凝胶充填:通过凝胶的封堵充填后，即可对巷道空间进行充填，充填采用黄泥浆液灌注方案，在黄泥浆液中添加水玻璃，井下添加工业碱，加快黄泥浆液的凝固。黄泥凝胶充填示意图,如图3所示。

图3 黄泥凝胶充填示意

凝胶充填技术:为防止黄泥浆溢出，封堵排水通道，需要对上部区域进行凝胶充填，如图4所示。

图4 凝胶充填示意

钻孔补注应急:为防止两路注浆管路因灌注黄泥凝胶和凝胶封堵，需要设计钻孔对为灌注满的区域进行补注。补注钻孔采用矿方钻机进行50钻孔施工，下全套管，套管可采用一次程控钻孔，钻孔终孔位置必须在巷道顶板区域，从而提高灌浆效率,如图5所示。

图5 补注钻孔施工示意

3.4 效果分析

2018年7月25日治理工作开始，至2018年9月4日结束灌浆工作，灌浆工程持续时间为46 d，累计灌注时间400 h，灌注水玻璃凝胶累积灌注量约4 300 m3，施工补注钻孔4个。期间对风巷密闭墙观察孔O2、CO进行数据处理，得到图6。从图6可以看出，对风巷煤自燃异常区域采取治理措施过程中，异常区内的O2及CO浓度均随时间变化而快速减小，截止2018年9月4日，O2浓度降低至0.11%，CO浓度降低至5×10-6，说明漏风量减小了，实现了堵漏风的目的，灌浆取得了一定的效果，为后期防灭火工作做了铺垫；同时，高温异常区域得到了根治，实现了凝胶的包裹，对该区域防复燃起到了关键作用。

图6 观测孔O2、CO气体变化情况

4 结论

(1)以煤自燃4个基本条件为基础，分析了立交结构巷道煤自燃发展的成因及防控难点。

(2)针对某矿立交结构巷道煤自燃区域，制定了以“黄泥复合胶体”充填技术为主，以“凝胶”防灭火技术为辅的治理方案。

(3)现场实施“一堵、二灌、三填、四补”的技术措施，使得风桥异常区的情况得到控制，实现了堵漏风、防复燃的目的，治理效果良好，对巷道煤自燃火灾防控具有重要意义。