井筒火区综合治理技术

王伟东

（1.中煤科工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）

煤炭氧化自燃现象在我国矿井开采过程中普遍存在，是影响矿井安全生产的主要灾害之一。由于特殊的地域条件，目前西北地区是我国煤炭资源的重要产地之一[1-2]。在西北地区，煤层埋藏浅，普遍较厚，且气候干燥、岩石风化严重导致氧气易渗入，使煤体易发生氧化自燃，最终形成大面积火区[3-5]。煤田火灾将大量煤炭资源烧毁，引起地表沉降，产生大量有毒有害气体，威胁矿井安全生产[6-8]。

1 南二井筒火区地质概况

公乌素煤矿整个井田分为2 个采区，即南采区、北采区。南采区采用斜井开拓，煤层倾角12°～25°，南采区已延伸至+930 m 标高。南采区形成前，浅部7#、9#煤层均为小窑开采，采区进、回风斜井均沿9#煤层穿过小窑采空区进行布置，贯通处两侧采用密闭封堵形成井筒。南采区原布置有021601 掘进工作面，受火区影响，现南采区采掘活动已停止。南采区布置有南副斜井、9#进风斜井和9#回风斜井3 条井筒，南采区井筒火区位置如图1。

图1 南采区井筒火区位置示意图Fig.1 The sketch map of south mining shaft fire area

2 煤岩体多场耦合分析

煤田火区煤岩体变形破坏中热力学状态变化情况如图2。根据非平衡热力学理论，随着外载能量的不断增加，煤岩体内能也呈现增大的趋势。煤岩体初始平衡态，称其为稳定态[9-11]。当外载能量比较小，未能引起煤岩体内能发生较大的变化，此时煤岩体处于亚稳定态。当外载能量比较大，煤岩体偏离平衡态较远，处于非线性非平衡区。根据耗散结构的相关理论，此时煤岩体处于不稳定的定态，易向新的定态发展。将这种不稳定的定态称之为临界态。随着时间的不断推移，煤岩体释放出能量，失稳破坏。煤岩体由临界态向新的定态发展，所形成的新的定态称为新的稳定态。

图2 煤岩体变形破坏过程中的热力学状态Fig.2 The thermodynamic state in the process of coal and rock deformation and failure

煤田火区内的煤体发生氧化自燃后形成充分燃烧的火源，通过热传导的方式由高温区向低温区传热。煤体燃烧过程中，煤体燃烧中心出现煤氧化学反应释放大量热量，煤体上覆岩层外载能量与其内能发生失稳，上覆岩层重力失稳，出现变形破坏，形成大量的垮落裂隙。通过这些裂隙，大气与煤体燃烧中心连通，为煤体燃烧提供充足的氧气，同时燃烧产生的废气也通过这些裂隙释放到空气中。由于裂隙的作用，燃烧获得充足的氧气不断向前发展，煤体高温区又通过热传导的方式向前传播，从而上覆岩体形成新的裂隙为煤体燃烧供氧。因而可将这个过程看作为煤田火区中煤体在热流固化多场耦合作用下，处于这种循环状态的煤田火区不断向深部发展，沿煤层走向，煤体燃烧中心不断向深部发展的过程，属于非控燃烧。煤田火区的动态演化过程如图3。

图3 煤田火区的动态演化过程Fig.3 The dynamic evolution process of coal fire area

煤田火区中煤体在燃烧过程中，根据煤体燃烧情况，可将其分为4 个区域，分别为：Ⅰ烧空区、Ⅱ燃烧区、Ⅲ松动区和Ⅳ原煤区，煤体燃烧空间分布如图4。

图4 煤体燃烧空间分布Fig.4 Coal combustion space distribution

Ⅰ烧空区：在该区域主要存在少量未燃烧的煤块及大量煤体燃烧后灰烬，其上部区域存在较大的空间；Ⅱ燃烧区：在该区域存在大量破碎煤体，呈松散状态堆积，这些煤体发生剧烈氧化反应，燃烧表面积较大；Ⅲ松动区：燃烧区煤体产生的热量通过热传导的方式传送到该区域，在高温作用下，煤体发生热分解，并出现破裂，释放大量热解气体；Ⅳ原煤区：该区域煤体邻近松动区，变化较小。

3 工程实践

3.1 火区发展过程

2013 年5 月，南采区9#进风井筒南侧的兴达公司04 剥挖坑内的7#、9#煤层发生自燃，火区位于剥挖坑东帮所揭露的小窑空巷内。2016 年6 月19 日，南采区9#进风斜井井筒距离井口60～100 m 处墙体温度较高，最高温度达到42 ℃，墙体裂隙处有轻微CO 析出。6 月20 日，在距离井口76 m 处墙体最高温度高达62 ℃，墙体析出CO 体积分数为20×10-6。地面巡查发现距离井筒30 m 处有烟气，测定烟气中CO 体积分数最高可达580×10-6。经现场查看，距离井筒南部92 m 处因剥挖与小窑巷道原有火区导通，导致墙体温度升高及CO 气体析出。

2016 年9 月起，利用人工检测的方式对井筒高温点进行监测。2016 年9 月—2018 年6 月，各观测点温度变化幅度较小，基本稳定在35 ℃，无CO 析出。2018 年7 月—2018 年8 月，各观测点温度呈升高趋势，其中，1#观测点和5#观测点温度上升至40℃以上。2018 年9 月1 日，9#进风斜井井筒右手帮154 m 处新增6#高温点，6#监测点呈逐渐升高趋势，而1#～5#观测点温度呈逐渐下降趋势。2018 年12 月至2019 年1 月，各观测点温度基本稳定在35～60 ℃左右。2019 年4 月24 日，6#点温度呈急剧上升趋势。4 月25 日，6#点出现明火，火源温度达到319 ℃。

3.2 火区治理过程及效果

3.2.1 剥挖治理

2019 年4 月28 日，南采区井筒火点采用露天剥离的方式进行治理，南采区井筒火点剥离范围示意如图5。

治理区南北走向约290 m，东西倾向宽约175 m，剥挖深度0～72 m，剥挖至6#火点。治理区范围内坚硬砂岩居多，确定9#煤层底板向上10 m 为火渣剥离区，火渣剥离区向上5 m 为高温砂岩剥离区，其他区域为常温剥离区。11 月18 日，火区剥离治理工程正式停工。剥离坑中部距离剥挖设计深度剩余15 m，南北两侧距离设计深度剩余23 m。

图5 南采区井筒火点剥离范围示意图Fig.5 The diagram of south mining shaft fire detachment range

火区剥离工程揭露了大量废弃巷道、漏风通道等，与地面大气沟通，形成了地下高温气流与地表低温气流的循环交换，为小窑火区的发展提供了所需要的氧气。由于上覆煤岩层高温不能使用炸药爆破的方式进行剥离，只能采取机械剥离的方式，造成了剥离速度小于小窑火区的蔓延速度，受高温岩石及停工影响，剥挖速度慢，导致火区范围呈逐步扩大趋势，剥挖火区已不能彻底挖出火点。

火区剥离工程停止后，为了掌握南采区井筒火区蔓延范围，在剥挖坑东侧边坡底部施工7 个钻孔进行探测。火区探测钻孔具体参数见表1。

表1 火区探测钻孔具体参数表Table 1 The table of specific fire detection parameters

从表1 可以看出，沿9#煤层倾向方向火区已经蔓延至9#进风井筒7#密闭小窑旧巷内，沿9#煤层走向方向火区已蔓延至9#进风井筒内并延伸至进、回风井间煤柱，尚未蔓延至9#回风井筒。

3.2.2 小窑旧巷封堵隔离

尽管小窑旧巷之间相互沟通，但并未形成通畅的漏风通道，越向小窑深部漏风越少，氧气体积分数越低，煤氧化程度越低。随着开采的不断进行，火区逐渐向内部发展。因此火区进行治理时，可采用“区域隔离法”进行处理。即将火区分割成若干可控制的小的治理区域，利用注浆和挖除手段在各个小区域之间构建冷却隔离带。然后对各个小的区域进行快速降温治理，以此类推完成对整个火区的治理。

2019 年11 月14 日，采用灌注无机速凝固化防灭火材料对9#进风井筒两侧-3#密闭、7#密闭连通的小窑旧巷进行封堵隔离。

1）注浆钻孔的布置由9#进风井筒往南36 m 范围内布置12 个钻孔，相邻钻孔间隔6 m，终孔位置为3#密闭、7#密闭连通小窑旧巷内，钻孔孔口下设5 m 套管，钻孔编号依次为ZJ1～ZJ6、ZJ7～ZJ12。在9#进、回风井筒之间间隔6 m 施工6 个钻孔，钻孔终孔位置为3#密闭、7#密闭连通小窑旧巷内，钻孔孔口下设5 m 套管，钻孔编号依次为ZJ13～ZJ15、ZJ16～ZJ18。施工探测钻孔3 个，钻孔编号依次为TC1～TC3，钻孔布置位置如图6。

图6 钻孔布置位置示意图Fig.6 The sketch map of borehole layout

2）防灭火材料灌注情况。2019 年12 月1 日，开始对9#进风井筒两侧-3#密闭、7#密闭连通的小窑旧巷灌注无机速凝固化防灭火材料进行封堵隔离。1 月18 日、19 日分别对ZJ14 和ZJ18 钻孔灌注无机材料10.5 t 和28.5 t。2 月25 日—3 月1 日，对TC1钻孔灌注防灭火材料43 t。累积灌注有机封堵发泡材料5 t、无机速凝固化防灭火材料628 t，ZJ1、ZJ7钻孔灌注有机封堵发泡材料，其余钻孔灌注无机速凝固化防灭火材料。其中：ZJ2～ZJ6、ZJ8、ZJ10、ZJ11、ZJ14 钻孔已注满，ZJ9、ZJ12、ZJ16、ZJ17、ZJ18 钻孔未注满，ZJ13、ZJ15 钻孔尚未灌注防灭火材料。

3）灌注材料效果灌注防灭火材料后，钻孔温度变化情况如图7。从图7 可以看出，各钻孔温度呈下降趋势，但仍有部分钻孔温度长时间保持100～120℃，分析认为封堵尚未结束，仍存在漏风通道，高温温度判为上部火点热气所致。后期仍将采取封堵措施，进行封堵，直至阻断漏风通道，保持较低温度。

图7 南采区井筒火点后期治理钻孔温度变化曲线Fig.7 The curves of south mining area fire late governance drilling shaft temperature change

3.2.3 灌注液氮降温惰化

根据2020 年1 月16 日，暂停南采区灌注防灭火材料，采用灌注液氮措施。1 月20 日，灌注液氮对火区进行降温惰化，其中：ZJ13 钻孔灌注液氮23.36 t，TC1 钻孔灌注液氮24.6 t，4#钻孔灌注液氮23.12 t。灌注液氮前后部分钻孔温度变化示意图如图8。

图8 灌注液氮前后部分钻孔温度变化示意图Fig.8 The schematic of the infusion liquid nitrogen before and after of part drilling temperature changes

从图8 可以看出，灌注液氮后TC2 钻孔温度基本保持不变，维持在100 ℃以下。ZJ13 钻孔温度有明显下降趋势，由110 ℃降至60 ℃以下，说明该处区域有封堵效果，氮气积存时间长，惰化降温效果较好。TC1 钻孔温度有上升趋势，由90 ℃升高至200℃以上，说明该处区域仍存在通畅的漏风通道，氮气不易积存，惰化效果较差。

4 结 论

1）煤田火区煤体燃烧过程中，煤体燃烧中心出现煤氧化学反应释放大量热量，煤体上覆岩层外载能量与其内能发生失稳，上覆岩层重力失稳，出现变形破坏，形成大量的热破坏裂隙。在热力风压作用下，通过裂隙场地表新鲜空气为煤体燃烧提供充足的氧气，同时燃烧产生的废气也通过这些裂隙排放到大气环境中。

2）针对井筒大面积高温火区，提出“区域隔离法”治理火区，实现对井筒火区的全面治理。

3）对火区钻孔灌注防灭火材料，钻孔温度呈下降趋势，但由于封堵仍未结束，存在漏风通道，仍有部分钻孔温度长时间保持100～120 ℃，后期仍需采取封堵措施，进行封堵。