宝鼎矿区花山煤矿多诱因大范围火区治理关键技术

何颜远，龙传富，于贵生，杨 平

（1.攀枝花煤业（集团）有限责任公司，四川 攀枝花617068；2.中煤科工集团沈阳研究院有限公司，辽宁 抚顺113122；3.煤矿安全技术国家重点实验室，辽宁 抚顺113122）

在煤矿火灾事故中，外因火灾占有较大比例，据不完全统计，其通常情况下占重大恶性事故比例80%以上，且死于外因火灾事故的人数占总数的65%[1-2]，除老旧电气机械设备异常运行与不良保养及管理不善、火电焊明火源等因素外，近几年，因化工材料使用与操作管理不当引起的矿井火灾频次增多，一旦发生火灾其产生的大量高温烟流与有害气体，可严重危及井下工作人员的生命安全，给矿井带来巨大灾难[3-4]。

2014 年6 月28 日，宝鼎矿区花山矿4238 工作面过断层时因充填材料使用不当引发工作面火灾，且火势因矿井正压通风、多煤层联合开采、复杂地质条件等多诱因条件下，逐渐蔓延形成+1 030 m 水平四采大面积隐蔽阴燃火区，传统单一的火灾防治办法已不见成效[5]，为此以花山矿“6.28”外因火灾治理工程为例，深入介绍远距离封闭后缩封、无机材料充填、液态二氧化碳降温冷却[6]、注氮惰化、施工措施巷灌注粉煤灰浆[7]、阴燃火区外围巷道充填等综合灭火技术[8-10]、应用过程及综合治理效果，为其他矿区类似矿井火灾的治理提供借鉴。

1 矿区概况

1.1 矿区地形地质概况

矿区地势南高北低，海拔1 002～2 518 m，区内冲沟密布、山势较陡，局部陡崖发育，地形坡度多在25°，局部近60°，矿区地质条件复杂，突出表现在：

1）大箐向斜（S4）从矿区北部沿江沟附近延展入矿井，地层走向NNE，倾角一般25°～40°，由北往南逐渐增大，局部达70°～90°。

2）褶曲多，褶曲多呈NNE 或NE 方向展布于矿区北西及东部边缘大荞地组的中下部，均向南倾伏，个别褶曲在局部地段倾向西。

3）断层发育，以逆断层为主，正断层次之，平推断层很少，规模较大的断层多分布在矿区边缘煤系地层的中、下部，以高角度的走向或斜交逆断层为主。

1.2 矿区内花山煤矿周边小窑概况

矿区内花山煤矿附近原有29 个小煤矿，目前均已全部关闭，其中与花山矿直接关联的老窑共有10个，依次为天道勤工贸灰家所一矿、圣凯煤业灰家所煤矿、扬帆工贸道中桥煤矿、扬帆工贸老花山煤矿、志森工贸罗家屋基煤矿、攀威工贸有限责任公司干巴塘煤矿、扬帆工贸半山煤矿、杨帆工贸三十九处煤矿、宜橙工贸大湾子煤矿、原沿江矿多经公司小井，所述小窑主要位于花山矿四采区北翼、五采区东翼、六采区、七采区、九采区、三采区、+900 m 水平一、二采区等。

小窑煤矿对花山矿1#～40#煤层均存在不同程度采掘活动，经多年开采，各煤矿间采空区出现连通、老窑水与煤矿导通、矿井间隔离煤柱遭到破坏、老巷与采空区裂隙增多等现象。

2 火灾诱因

1）小窑开采破坏严重。花山矿周边29 个小煤窑前期均对矿井40 个煤层进行过部分开采，一定程度上对花山矿正常生产、开拓部署及通风系统造成了严重破坏，尤其是小窑煤矿生产技术严重落后，越界跨层开采现象时有发生，且小窑巷道与采空区呈立体交错分布，遗留大量浮煤，开采过程也不采取任何灾害防治措施，严重乱采乱挖，地质与矿井开采资料不全，很难确定邻近小煤窑巷道布置与开采情况，当小窑采煤工作面入侵到花山矿开采区域时，易与之开采巷道贯通或裂隙导通，加之通风方式“一压一抽”，漏风难以控制，给灭火治灾过程带来严重负面干扰。

2）地质构造复杂。花山井田断层、褶皱较为发育，大菁向斜（S4）贯穿整个矿区，且煤层倾角大，多煤层联合开采，导致孔隙及裂隙等畅通，其危害性表现：①断层是煤炭资源在形成过程中产生的一种地质构造，其形式及规模对后期钻孔施工与注浆造成干扰；②褶皱结构起到控制煤层中热量传播的作用，尤其是当褶皱处于背斜时，火区产生的热量在煤层中持续蓄积，导致降温过程缓慢。

3）矿井正压通风方式。花山矿采用正压通风方式，对于克服周边小窑矿井多，避免上覆采空区、老采空区及旧巷有毒有害气体下泄至待采待掘工作面与巷道具有一定的积极作用，但对于花山矿“6.28”火灾的综合治理来讲较为不利，巷道内正压通风，新鲜风流顺着裂隙等空间进入火区，向火区持续供氧，使火处于持续燃烧状态，绝氧措施难以到位，同时正压通风使漏风直通矿井总回风甚至地表，则火势顺着漏风路线逐渐蔓延，且在途径地点形成新火源点，逐渐发展成大面积隐蔽阴燃火区。

3 火灾蔓延过程与外围阴燃火区状态形成原因

3.1 火灾蔓延过程

花山矿4238 工作面位于+1 030 m 水平四采区，主采23#煤层，平均倾角39°，煤层总厚度为3.69 m，平均采高5.06 m，属于自燃煤层。2014 年1 月，回采揭露F1断层，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，对断层附近煤体注浆；对高冒区用锚索吊铁道铺底、木垛接顶方式联合控制顶板。6 月17日—6 月26 日，高冒区先后共充填天固材料20 t，因短时间内快速充填造成的热量积聚，充填部位开始冒烟，及时用水降温未果2 d 后，高冒充填区开始明火燃烧，虽采取调压、控风等措施，但7 月3 日，先后发现4238 回风巷、4236 边上山上口出现明火，且+1 218 m 车场巷道口已部分垮落，至7 月10 日，不得不对+1 030 m 水平四采火区实施远距离大范围封闭。后期逐渐对火区回风系统进行缩封调整，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，实现中煤组轨道上山半永久解放，也为后期进行无机材料充填、液态CO2灌注创造条件。

3.2 外围阴燃火区状态形成原因

燃烧学中，阴燃被定义为在一定条件下发生的无可见光的缓慢燃烧现象，其是一种自维持、不断传播、异相反应的放热氧化过程，单位时间内释放的热量也比较小，与有焰燃烧不同，其只是在气固相界面处燃烧，不产生火焰，煤体成炽热状态，因此也称为无焰燃烧或表面炽热型燃烧。它具有一般燃烧过程特点，同时也具有自身特点，如反应相对缓慢、产生更多有毒有害气体、没有火焰、潜伏期较长、不易察觉、广泛存在于氧气供给不足环境中，此外，在一定条件下，会向有焰火燃烧状态转变。

具体到花山矿+1 030 m 水平四采火区的阴燃状态，认为其产生的原因与火区采取远距离大范围封闭措施后，火区与外界间漏风压差，在周边小窑开采破坏、层间漏风、正压通风方式等因素长时间作用下，在一定时间内形成了弱平衡状态，但外界向火区仍保持一定漏风供氧，导致+1 030 m 水平四采23#煤层出现阴燃现象，且不断呈缓慢蔓延模式扩散。

4 前期大范围火区综合治理技术

1）火区逐步缩封。缩封火区，逐渐接近4238 工作面火区，实现火区进风侧+1 030 m 与火区回风侧+1 380 m 水平回风石门逐步缩封，为后期采取治灾措施创造条件，具体措施为：①缩封+1 138 m 水平石门15#～21#煤层区间，恢复通风；②注浆充填4238、4246 回风巷外段巷道，喷涂处理4236 小上山与4226 运输巷密闭、+1 138 m 水平石门至中煤组运煤上山挡风墙；③依次恢复南回风上山、+1 138 m水平石门、中煤组轨道上山巷道通风，再对+1 218 m与+1 274 m 水平中煤组车场及桥式车场密闭进行处理；④对4236 边上山下口注浆充填，并利用4238运输巷钻孔向4238 工作面灌注液态CO2，并缩封+1 056 m 水平石门，采取以上措施后，火区各密闭观测孔均为进风状态。

2）火区内液态惰性气体降温与注浆充填治理技术。缩封接近4238 火区后，分别对4236 穿层石门塌陷点、4238 回风巷外段巷道、4236 运输巷与4238 回风巷间外段隔离煤柱等3 处地点进行充填，累计填埋沙子50 m3、灌注水泥27 t、无机材料232 t，基本实现前述3 个地点的充填隔离目的。另外，考虑到尽快降低4238 工作面火区内温度（灭火的3 种主要方法，即隔离、窒息与冷却），由+1 030 m 水平石门向4238 运输巷施工2 个灌注液态二氧化碳钻孔，前后3 轮累计注液态CO22 170 t 以上。

3）大范围火区隔离分区治理技术。通过初期的综合治理，+1 030 m 水平四采火区逐渐蔓延形成4238 工作面火区、4238 回风巷与4246 回风巷、4236边上山等3 个区域，针对火区分布状态，针对性地提出火区分区隔离治理技术方案并在2018 年以后实施。该方案的核心是沿24#层掘进1 条灭火措施巷（基本与4238 回风巷上下重合，长度相当），待其到位后，施工火区观测孔与注浆孔，并大致按照先观测孔后注浆孔、先4238 与4246 回风巷后4236 运输巷与4236 边上山顺序共分11 轮进行施工，包括隔离煤柱钻孔与探查钻孔，累计施工钻孔143 个，其中，有效孔97 个，24#层措施巷钻孔布置如图1。钻孔根据注浆效果逐步补充施工，在4238 工作面与火区回风侧方向3 条巷道达到预计充填效果后，全断面充填24#层措施巷及关联巷道，减少正向漏风强度。4238回风巷、4236 运输巷、4246 回风巷及相关联络巷实际灌浆总量为27 321 m3，远远大于灌浆量23 000 m3；24#层措施巷、24#层联络下山至+1 138 m 水平石门密闭区域实际灌浆总量为5 372 m3，远远大于预计灌浆量约为2 856 m3，从注浆量角度，4238 与4246 回风巷、4236 运输巷、24#层措施巷及联络巷达到了全断面充填隔离要求。半年时间，4238 工作面火区氧气体积分数在5%以下；出水温度在21～23℃之间，长期监测一直无CO、C2H4、C2H2等标志气体；空气温度在26～28 ℃之间，则判定4238 工作面火已熄灭，同时说明3 条大巷及关联巷道注浆充填实现了大范围火区隔离，即4238 工作面已与回风方向蔓延火区隔离，接下来火区治理工作重点是熄灭外围阴燃火区。

图1 24#层措施巷钻孔布置Fig.1 Schematic diagram of borehole arrangement in measure roadway of 24# coal seam

5 现阶段阴燃火区治理关键技术

5.1 阴燃火区窒息封堵技术

为最大程度地实现阴燃区域窒息，且考虑下一步由地面向中煤组轨道上山大量灌浆密闭承压问题，则对阴燃区域进风侧进行强化漏风封堵，且对密闭提出更高要求，分别在中煤组轨道上山与+1 138 m水平车场建立2 道混凝土承压密闭墙，根据密闭防灭火技术规范，结合煤矿井下防水闸门设计规范，对2 道承压密闭墙相关参数进行计算，经计算，闭墙采用钢筋混凝土结构；顶、底、围岩掏槽深度1 m；墙体厚度3 m，承压密闭墙技术参数见表1。

表1 承压密闭墙技术参数Table 1 Technical parameters of confined wall

期间，配合高强度压注常规氮气等窒息措施，截止2020 年5 月底，累计注氮约3.41×106m3。

5.2 注浆充填隔离技术

隔离手段的核心思路是对中煤组轨道上山2 道混凝土承压密闭墙以上至+1 274 m 水平车场全部充填粉煤灰复合胶体，将阴燃火区与周边区域最大程度地隔离。

考虑到碹头高处位于+1 200 m 水平，本着经济治灾思想，粉煤灰复合胶体只充填中煤组轨道上山+1 138 m 水平至+1 218 m 水平，同时配合大骨料堆积隔离材料凝结快、凝固后承压强度高特点，即2种材料交替注浆充填方法充填隔离火区，外围隔离火区治理示意图如图2。

图2 外围隔离火区治理示意图Fig.2 Schematic diagram of management of peripheral isolated fire area

截止2020 年5 月底，中煤组轨道上山充填粉煤灰接近300 t，目前充填隔离作业仍在进行中，通过近3 个月的连续分析，25#层南翼回风上山密闭气体化验数据CO 体积分数由原来的2×10-5～5×10-5降至1×10-5，说明外围阴燃火区隔离效果已初步显现。

6 结 论

1）宝鼎矿区花山井田采取远距离封闭与主动灭火、分区隔离治火相结合的基本思路治理+1 030 m水平大范围阴燃火区经实践证实是可行的。

2）+1 030 m 水平大范围阴燃火区经采取远距离封闭后缩封、无机材料充填、液态CO2降温冷却、注氮惰化、施工措施巷灌注粉煤灰浆、阴燃火区外围巷道充填等综合灭火技术高强度、长时间治理，火区火已逐渐熄灭，CO 体积分数控制在1×10-5以下，期间，累计注无机材料292 t；注液态CO22 350 t；注N23.41×106m3；注粉煤灰3.1×104t，目前火区治理处于收尾阶段，该火区的成功治理为矿井下水平采掘接替创造了有利条件。