综采面回撤新型常温自发泡防火充填技术应用

李向征 李洪杰

（1.中煤大屯能源有限公司姚桥煤矿，江苏 徐州 221600；2.徐州吉安矿业科技有限公司，江苏 徐州 221008）

在我国国有重点煤矿中存在煤炭自燃的矿井占矿井总数的56%，因煤炭自燃而引起的火灾占矿井火灾总数的90%～94%[1-6]。煤炭自然火灾危及人员生命、损毁机电设备、耗费国家资源，严重影响着矿井的安全和持续生产。近年来，随着姚桥矿开采周期的增长，井下地质条件趋于复杂，特别是放顶煤工作面回撤时期受断层构造影响，顶板煤体破碎易漏风氧化，传统的聚氨酯类充填材料反应放热量大，应用后将进一步加剧自燃发展，给防灭火工作带来较大困难，为此需要研究应用新型防灭火材料。

1 工作面概况

姚桥矿7704 综放工作面位于东六二采区，所开采煤层为7#煤层，为Ⅱ类自燃煤层。根据矿井历史经验数据，确定煤层自然发火标志性气体CO 临界值为3×10-5。工作面走向长度843 m，倾向长度233 m，煤层平均倾角7°，煤层平均厚度5.8 m，回采期间采用U 型上行通风方式。该工作面2019年12 月下旬开始拆除，受断层影响，55#～102#架上方存在大量的顶煤，如图1 所示，挑顶、打贴帮柱时出现多个高冒点，给锚顶、锚帮及拆除工作带来较大困难。2020 年1 月中旬机巷回收完毕后构筑通风设施，改下行通风，由于春节放假、疫情影响，拆除时间较长，部分隐患点呈现蓄热氧化，CO 浓度逐步升高，束管取样达2×10-4。

图1 7704 工作面拆除期间剖面图

2 7704 拆除面防灭火存在的困难及治理方向

基于姚桥矿7704 工作面拆除期间顶板遗煤破碎，且已出现蓄热氧化的工况背景，采用木垛或穿钢梁处理存在较大的施工困难，且不能实现有效阻断漏风供氧的目的。采用传统的聚氨酯类充填封堵材料，存在较大的安全隐患：一是聚氨酯类充填材料反应放热量大，大量热量积聚将进一步加剧煤炭自燃；二是聚氨酯类充填材料阻燃性差，存在固化泡沫聚热自身燃烧可能性，现场应用存在较大应用弊端。

针对7704 工作面拆除期间顶板遗煤破碎漏顶且已蓄热氧化的治理背景，充填治理所需材料的技术特性方向应为：充填材料反应不释放热量，化学自发泡膨胀，阻燃性能优，不收缩，不向周围煤体传递热量，达到本质安全性，避免应用过程产生次生隐患。

3 普瑞特Ⅱ型防灭火新技术

3.1 技术概述

普瑞特Ⅱ型防灭火新技术由A 料、B 料两种组分按1:1 的体积比混合，经化学发泡后生成固化泡沫体，膨胀系数15 倍以上，生成过程不产生热量。产品发泡后呈乳化泡沫状，初始粘度低，被注入破碎煤岩体空洞后，具有良好的扩散及渗透性能，最终生成的固化泡沫体能够与煤岩体形成密实的固结体。固化泡沫体中含有一定量水分，具有良好的封堵性能和吸热降温性能。

3.2 应用工艺及参数

A 料和B 料通过专用设备按照1:1 的体积比添加进制备系统，连接高压管或钻孔注入煤岩体破碎空洞区。普瑞特Ⅱ型防灭火新技术工艺流程如图2，技术参数见表1。

图2 普瑞特Ⅱ型防灭火新技术工艺流程图

表1 技术参数

4 现场应用及效果

针对7704 工作面第57#至68#支架段，架顶破碎空洞区及漏顶高冒区充填应用了普瑞特Ⅱ型常温自发泡充填材料，施工工艺较为简单，便于操作。通过加工6 分钢管向架顶破碎空洞区及漏顶高冒区插入固定，尾端焊接注浆变头连接注浆设备输出管路，通过一台小型的气动双液泵吸料输送。材料反应后初始状态呈乳化状，具备一定的流动扩散性，且可较快速的自膨胀发泡，发泡后泡沫体可在数秒至十几秒内快速初凝，失去自流动性，具备一定的自封孔作用，最终形成的固化泡沫体可有效充填空洞及高冒区空间。该区段共布置注浆钻孔6 个，合计注浆量2 t，充填效果较好，7704 工作面架顶遗煤自燃得到快速控制，工作面内CO 浓度显著降低。采取以上措施后工作面拆架回撤自然发火预兆消除，保证了工作面的安全回撤。其中57#架、68#架顶板处理前后CO 浓度数据及温度数据见表2。

表2 CO 浓度及温度数据

5 结论

（1）基于7704 工作面拆除期间顶板遗煤破碎，且已出现蓄热氧化的工况背景，采用传统木垛或聚氨酯类充填材料处理，存在较大施工困难及次生安全隐患。普瑞特Ⅱ型常温自发泡充填技术采用创新性发泡技术，发泡过程和固化过程均不放热，不向周围环境释放热量；发泡后初期呈乳化状泡沫，具有良好的流动性、扩散性，在破碎煤岩体内达到理想的充填效果，固化后能够全面充填周围空洞及煤岩裂隙；不燃烧，也不助燃；固化后的泡沫闭孔率高，固化后的泡沫与煤岩体固结成一体，能够有效充填空洞裂隙，具有良好的封堵性能。

（2）7704 工作面拆除期间，第57#～68#支架段架顶破碎空洞区及漏顶高冒氧化区充填应用了普瑞特Ⅱ型常温自发泡充填材料，充填效果较好，架顶遗煤自燃得到快速控制，工作面内CO 浓度显著降低，拆架回撤自然发火预兆消除，保证了工作面的安全回撤。