巷道煤柱自燃致灾机理及注浆灭火技术实践

李建华，张亚潮，王凯旋，杨乐乐，杨盼盼，蔡梦姣

(1.陕西彬长大佛寺矿业有限公司，陕西 咸阳 712200；2.西安科技大学 安全科学与工程学院，陕西 西安 710054；3.国家矿山应急救援(西安)研究中心，陕西 西安 710054；4.陕西省煤炭科学研究所，陕西 西安 710001)

0 引言

矿井内因火灾严重影响煤矿安全，我国90%以上的煤层为自燃或易自燃，煤炭自燃引起的内因火灾占矿井火灾总数的85%～90%[12]。我国西部矿区每年都会出现由内因火灾引起的采区CO异常、煤柱内部出现高温点等现象[3]。随着受复杂地质条件影响的复采区、老旧煤巷、煤柱密闭墙等处，松散遗煤多，顶板破坏严重且呈不规则分布，漏风通道多源且错综复杂，自然发火的问题十分凸显[45]。而煤自燃产生大量的高温有毒有害烟流和气体，危害作业人员的生命安全，且火灾易诱发瓦斯、煤尘爆炸等重(特)大次生灾害事故[67]，严重制约着煤矿的健康发展和生产安全。

巷道煤柱易受扰动，节理裂隙发育，严重破坏煤柱的完整度。煤柱被破坏后，其完整度会大大降低，这将会使漏风量在一定时间内迅速增加，也会导致煤柱的自然发火期发生变化[8]。如果巷道煤柱遇到上述情况，造成煤柱的结构不完整，从而导致巷道煤柱和密闭墙漏风量增加。因此，其氧化自燃的可能性进一步增加，当时间达到其自然发火期时，会使巷道煤柱发生自燃。考虑矿井防火及安全，保护巷道煤柱不被破坏，维持其完整性是非常有必要的，一旦煤柱出现破裂漏风情况，应尽快采取维护措施。

为此，结合大佛寺煤矿4号煤层胶带大巷11#联巷密闭墙高温区域的实际情况，剖析巷道煤柱自燃机理、特性和治理难点。以期消除安全隐患，实现安全生产，并为类似条件矿井提供一定的借鉴。

1 巷道煤柱自燃

1.1 巷道煤柱自燃机理

巷道风流在各种外力作用下渗透进入煤柱，使煤体氧化放热，煤体通过传导、对流等过程向周围环境散热，当煤体放热速率大于周围环境散热速率时，引起巷道煤柱升温，达到煤的着火点温度时，导致煤柱自燃[910]。而主要影响因素为巷道煤柱所处的位置、漏风情况、散热条件等。

1.2 巷道煤柱自燃特性

由于火源的位置在前期不能直接被发现，当技术人员发现在某一区域有自燃迹象时，常常会在可疑的位置以一定规律性的钻孔，找到温度高的地方通过注水、注浆等措施把火扑灭，煤柱自燃具有一定复杂性，且具备3方面特征[11]。一是，在有自燃倾向性的含煤巷道中、其工作面进风巷、回风巷以及开切眼是最容易发生煤柱自燃的位置；二是，在巷道断面突然缩小、突然扩大或巷内安设风窗、风门等控风设施的地点是巷道自燃火灾主要发生位置；三是，巷道自然发火地点煤层一般为巷道高冒区、地质构造带、煤体破碎以及裂隙发育区。

2 煤自燃治理区概况

大佛寺煤矿属于高瓦斯、易自燃矿井，煤尘具有爆炸性。2018年10月17日，检查时发现4号煤层胶带大巷11#联巷密闭墙外右侧巷道帮部温度高，表面温度35 ℃。11#联巷高温区域平面图如图1所示，高温点经处理，密闭墙内气体参数已稳定。为强化防灭火效果，对该区域密闭墙周帮进行注浆堵漏，彻底封闭漏风通道。

图1 11#联巷高温区域平面Fig.1 Plan of high temperature area of 11# connecting roadway

2.1 发火原因分析

煤柱漏风情况一般分为持续漏风、微漏风、间断漏风[12]。经实际勘探，分析出漏风导致煤自燃具体的原因主要包括3方面。一是，胶带及1#总回11#联巷段受采掘活动及后期扩巷等影响，在煤柱深部裂隙发育，存在范围较深的漏风带。拆除风门前，处于持续漏风阶段。二是，拆除11#联巷风门后，胶带侧及总回侧闭墙压差减小，漏风带范围缩小，处于微漏风阶段。三是，1#总回、2#总回北段闭墙封闭后，需打开抽放进行卸压，导致煤柱处于间断漏风阶段，形成“呼吸”效应。浅部的裂隙受漏风的影响，形成散热带，深部的裂隙形成氧化升温带，最终造成该段煤柱出现高温点。

2.2 煤柱内自燃“三带”范围确定

根据11#联巷胶带巷密闭墙右帮煤柱注水钻孔施工情况，可分析出当钻孔深度达到9～13.5 m，进入高温带；在巷道顶部7 m，进入高温带。可判断在帮部区域9～13.5 m，顶部区域7 m，即进入氧化升温带，氧化升温带不超过30 m；散热带在帮部区域范围大于顶部区域，说明帮部区域漏风条件大于顶部区域。

3 注浆防控技术

3.1 注浆防灭火机理

注浆防灭火技术机理是将不燃性注浆原材料与水按一定比例混合制成悬浮液，利用静压或动压，由地面钻孔输送至防灭火区域。浆体材料覆盖包裹遗煤，阻止氧气与遗煤的接触，进而阻止遗煤进一步低温氧化或扑灭已经发生燃烧的煤体。浆水在渗透时，由于增加了煤体的外在水分，减缓了煤体自热氧化过程的进一步发展，从而冷却并降低已经进入自热状态煤炭的温度[13]。最后，越来越多的浆体材料进入采空区，组成较大范围的“泥浆墙体”，可有效地阻止采空区漏风，有害气体的运移作用也被减弱。

3.2 钻孔布置

在11#联巷7处密闭墙煤柱侧中使用650钻机向煤柱内施工注浆孔56个，灌注各类注浆孔60个，具体注浆孔位置如图2所示。由煤柱中部向两侧施工，开孔水平间距2 m，终孔间距5 m，钻孔采用高低位长短双排钻孔布置，三花眼布置方式，短孔终孔与巷帮水平间距6 m，长孔30 m。

图2 11#联巷密闭墙注浆孔位置Fig.2 Location of grouting hole in the closed wall of 11# connecting roadway

3.3 注浆材料确定

通过查阅资料，对胡家河煤矿2#木盘川进风立井井筒壁间壁后注浆。采用水泥、封孔料、水玻璃作为拟注浆材料，通过不同比例制作样品进行对比，试验结果见表1，对比效果如图3所示。

图3 拟注浆材料30 d后效果对比Fig.3 Comparison of the effect of grouting materials after 30 days

表1 拟注浆材料对比试验结果

最终决定，注浆材料比例确定为：前3～4桶，水泥∶封孔料∶水=1∶3∶3；最后一桶，水泥∶水玻璃∶水=1∶1∶2。

3.4 注浆工艺

水泥注浆工艺包括打孔、封孔、注浆3道工序。施工完成后的钻孔还需用水冲洗，施工并组装孔内注浆管和孔口注浆管、截止阀，使用马丽散封孔口，开始连接注浆系统。先使用水泥-水玻璃双液浆注浅部孔，注浆至终压稳定10 min后停泵，注下一个注浆孔，浅部孔注完后，开始注深部孔。

3.5 注浆实施

累计注浆22.96 t，其中水泥13.3 t，封孔料9.76 t，水玻璃1 371.5 L，水36.4 t，注浆加固情况见表2。

表2 11#联巷注浆加固情况

根据注浆情况可以看出，前期巷道处于持续漏风阶段、“呼吸型”的闭墙煤柱在煤柱深部裂隙发育，存在范围较深的漏风带，注浆量较大。实际操作过程中，煤柱深部受裂隙的影响，围岩应力普遍小于泵的终压，即使泵压力骤增，也会很快劈裂围岩裂隙，向深部煤柱进行灌注。注浆期间当泵压力达到3 MPa仍可以进行注浆，煤柱中部的注浆孔极端情况下泵压力能达到8～9 MPa。前期巷道处于微漏风甚至均压状态的闭墙煤柱裂隙不发育，注浆量较小。在实际操作过程中，极容易造成憋泵。处于微漏风甚至均压状态的煤柱，注浆期间一般出现2种现象。从周帮锚杆出浆或很短时间内造成憋泵；周帮出浆的注浆孔注浆量略大于迅速憋泵的钻孔，说明煤柱漏风普遍存在于支护锚杆附近。

4 注浆治理效果

通过对密闭墙注浆后，对闭墙内外气体进行连续观测，绘制闭墙内气体参数曲线图，如图4～7所示。可以看出，注浆后，闭墙外不再出现瓦斯逸出现象，闭墙前瓦斯积聚现象未发生。闭墙内甲烷、氮气、二氧化碳等窒息性气体浓度快速增加，氧气浓度下降，甚至消失。闭墙内瓦斯浓度，1#辅运>胶带巷>1#总回≈2#总回；氧气浓度，1#总回≈2#总回>胶带巷≈1#辅运。说明煤柱逸散的瓦斯对封闭区域内影响较弱，对1#辅运、胶带巷影响较大，采空区气体更容易向1#辅运、胶带巷逸散。封闭区域内气体稳定后，闭墙内正压存在，1#辅运>胶带巷>1#总回>2#总回，但差值不大，与闭墙外大巷气压成正比关系。闭墙内气体压力逐渐上升，迅速变为正压，并持续上升。闭墙内外压差受外界大气压影响有增有减，但4道闭墙的压差变化、涨跌幅度基本相同；闭墙内气体浓度变化不受外界大气压的影响。说明注浆后，闭墙内封闭区基本处于稳定的内环境，不受外界环境影响。

图4 11#联巷1#辅运密闭墙内气体参数曲线Fig.4 Parameter curve of gas in the closed wall of 11# connecting roadway 1# auxiliary transportation

图5 11#联巷胶带巷密闭墙内气体参数曲线Fig.5 Curve diagram of gas parameters in the closed wall of 11# connecting roadway belt roadway

图6 11#联巷1#总回(南)密闭墙内气体参数曲线Fig.6 Curve of gas parameters in the total return (south) closed wall of 11# connecting roadway 1#

图7 11#联巷2#总回(南)密闭墙内气体参数曲线Fig.7 Curve of gas parameters in the total return (south) closed wall of 11# connecting roadway 2#

5 结论

(1)分析了巷道煤柱自燃机理与特性，并结合现场实际勘探结果，得出4号煤层11#联巷高温区域产生的原因为：胶带及1#总回11#联巷段受采掘活动及后期扩巷等影响，在煤柱深部裂隙发育，存在范围较深的漏风带，胶带侧及总回侧闭墙压差减小，漏风带范围缩小，浅部的裂隙受漏风的影响，形成散热带，深部的裂隙形成氧化升温带，最终造成该段煤柱出现高温点。

(2)利用预注浆技术对大佛寺煤矿4号煤层11#联巷高温区域进行治理，自2018年12月12日至2019年1月2日，在11#联巷7处密闭墙煤柱侧施工注浆孔56个，灌注各类注浆孔60个，注浆22.96 t，其中水泥13.3 t，封孔料9.76 t，水玻璃1 371.5 L，水36.4 t。

(3)经注浆后，4号煤层11#联巷内密闭墙右帮煤柱高温区域已得到有效围堵，密闭墙内浆液堆积效果较好，高温区域浆液已形成有效堆积。根据气体监测情况分析，原高温区域已处于窒息状态，并且温度监测表明，4号煤层11#联巷密闭墙内煤柱温度已降至正常值并保持稳定，自燃氧化已停止。