义煤矿区极易自燃厚煤层快速治理技术①

吕建立 魏向志

(1.华北科技学院安全工程学院，北京东燕郊 101601;2.义煤集团孟津煤矿，河南洛阳 471600;3.义煤集团千秋煤矿，河南义马 471000)

义煤矿区极易自燃厚煤层快速治理技术①

吕建立1、2②魏向志3

(1.华北科技学院安全工程学院，北京东燕郊 101601;2.义煤集团孟津煤矿，河南洛阳 471600;3.义煤集团千秋煤矿，河南义马 471000)

义煤集团公司下辖的五个矿所采煤层为容易自然发火煤层，自然发火期一个月，最短7天，煤炭自燃问题严重困扰着集团公司的安全生产。本文研究了高效复合泡沫灭火抑爆新技术，既能充分利用目前有效的常规防灭火技术与手段，又能克服目前注浆、惰气、惰气泡沫、阻化剂等灭火或抑爆技术的不足，并研制了产生高效复合泡沫的新装备，提出了灭火钻孔快速施工技术和高效复合泡沫灌注技术，构建了满足不同灭火需要的多功能一体化防灭火系统。以千秋矿为例，21201工作面采空区与高冒复合火区的快速治理，整个灭火过程仅用了7天时间，为防止灾害影响范围扩大化、尽快恢复生产奠定了基础。

自燃;厚煤层;钻套一体化钻孔;高效复合泡沫

1 矿区煤层自燃和防灭火现状

历年的统计资料显示:煤层自燃火灾已占矿井火灾总数的95%以上。近年来随着开采深度的加大，冲击地压日益严重，工作面推进速度减缓，自燃发火危险性增大，同时多数矿井的瓦斯涌出量不断加大，火与瓦斯共存使得安全生产形势更为严峻。为了防治煤炭自燃，国内外广泛采用注水、灌浆、喷洒阻化剂、注惰气等技术。近年来，又较广泛地采用了凝胶、胶体泥浆、阻化汽雾、泡沫树脂等防灭火技术。这些技术对保证矿井安全生产起了重要作用，但是都存在一定局限性，如灌浆，浆体不能均匀覆盖煤体;注惰性气体，气体不易滞留在注入的区域内;注凝胶、泡沫树脂成本高等，现有防灭火技术和材料的共同特点都是只采用气、液、固三相中的一相或两相作为防灭火介质，使得防灭火效果不够理想［1］。因此，必须研究新的技术措施和手段，从根本上解决这一顽疾。

2 钻套一体化灭火钻孔快速施工技术

煤炭自燃都发生在煤体被压疏呈破碎状态的区域，该区域常规的打钻技术在施工灭火钻孔的过程中易出现塌孔现象，同时施工周期较长，时常制约着灭火工作的快速开展，严重时会贻误最佳灭火时机，导致灾害的扩大化［2］。而该技术的钻杆和灭火材料灌注管采用一体化设计，钻杆为中空型，直接用两端车丝的钻孔套管代替，可作为灭火材料灌注管;钻头采用自行研制的简易专用钻头，其顶端为半封闭构型，即留有出口。钻头与套管或套管之间采用耐扭强度较大的加厚刚性接箍连接。钻头采用普通合金钢制备，成本远低于可回收重复使用的钻头，经济可行。使用前，将钻杆与钻头通过前端螺纹组合为一体后，两者中间孔即成为一条完整的通道，如图1、2所示。其现场施工工艺与普通钻杆钻孔相同，钻孔完成后，不再回收钻杆与钻头，将钻杆与电机之间的连接拆除后，留在钻孔内的钻杆即成为灭火材料灌注孔。通过快速连接接头与注浆管路或灭火材料制备系统出料口连接后即可对采空区进行处理。由于钻杆钻进到位后不需回收钻头、钻杆，直接进行钻孔封孔，节约了退杆时间，也省去了灭火材料灌注管的施工工序，大大减少了灭火钻孔施工时间，而且该技术可以有效克服普通打钻垮孔的缺陷。因此，该技术比较适合在煤层顶板比较破碎区域进行钻孔施工，能够有效避免因退杆后钻孔垮孔变形而影响灭火效果。

3 高效复合泡沫防火技术

该灭火技术具有流量大、发泡倍数高、流动扩散性能好、泡沫稳定时间长的特点，能够快速、大范围地覆盖和包裹浮煤，与煤体之间的粘附性好，同时能向上堆积，适于大面积松散煤体、巷道冒顶区煤自燃灾害的治理。

图1 钻杆与钻头连接

图2 钻头及首根套管结构示意

3.1 泡沫组成

在粉煤灰或黄泥浆液中添加少量的发泡剂、稳泡剂、高效防灭火剂(MEA或MJC12)等添加剂并引入氮气，通过发泡器物理机械发泡，形成粉煤灰或黄泥颗粒均匀地附着在气泡壁上的多相泡沫胶体体系［3］。黄土颗粒是一种惰性物质，形成的高效复合泡沫在固相成分上与颗粒的粒度有关，且黄泥有较大粘性，能够更牢固的粘附在气泡壁上;同时当大量的黄泥高效复合泡沫群体形成时，也容易形成了一种骨架作用，更有利于保持泡沫的稳定性。高效复合泡沫的气相成分应采用氮气，一方面氮气本身就是一种很好的抑爆材料;另一方面氮气主要是作为一个载体，可将大量的粉煤灰或黄泥输送到采空区［4］。另外添加的高效防灭火剂能够增加泡沫的粘性及其与煤体之间的附着力，促进复合泡沫胶体的形成。

3.2 发泡装置

要产生发泡倍数高的高效复合泡沫，有效的发泡器是关键。高效复合泡沫发泡器主要采用射流喷射的原理，主要部件就是内置的文丘里管(如图3)。在收缩段，随着截面积的变小，浆液的流速逐步增大，压力却逐步下降。在文丘里管的截面积达到最小(喉部)时，流体速度达到最大，静压力则达到最小。由于高速泥浆射流表面的粘滞及卷吸作用，如果在扩散管上设置多个孔洞，氮气通过扩散管上的孔洞被引射吸至管路内，从而与泥浆充分混合。高效复合泡沫发生器装置是在文丘里管喉部处形成一定的相对负压，将氮气吸入，含有发泡剂的泥浆与氮气在喉部附近充分混合后产生高效复合泡沫。实物如图4所示。

图3 文丘里管示意图图

图4 高效复合泡沫发生装置实物

3.3 并列式发泡工艺和双管路系统

高效复合泡沫灌注系统采用“并列式发泡工艺”，即浆体和发泡剂的混合液在发泡前分流至两路并联的发泡装置，该工艺有效降低了浆压，且利于增强发泡效果和加大泡沫产生量。高效复合泡沫的并列式发泡工艺示意图如图5所示。双管路灭火系统是指一趟管路系统进行注高效复合泡沫灭火作业，另一趟管路系统进行注浆或充填化学凝胶。利用高效复合泡沫系统快速对大面积火区进行抑爆降温灭火，利用注浆或充填化学凝胶系统对大型火区进行多点充填化学凝胶堵漏灭火，真正实现快速灭火的效果。

图5 并列式高效复合泡沫发泡工艺

4 现场应用

2008年6月5日16时21201工作面下巷冲击地压发生后，工作面下巷煤体完整性遭到破坏，工作面风流中CO出现逐渐增大，防火钻场1号孔打开后冒出浓浓黄烟，工作面1～5架老塘内有明火，由于火点隐蔽且位置高，支架尾梁灭火空间狭小，再加上工作面回风侧烟雾大、能见度低，尽管采取充填凝胶包裹遗煤堵截火点、安排专人在支架架缝插灭火水枪浇灭火点，仍在支架尾梁前后顶煤形成盲区，无法彻底将火点熄灭，造成工作面老塘火势反复出现且有逐渐蔓延趋势，每天向上蔓延一架，一直蔓延到工作面18架后尾梁，工作面30架以上风流中CO在0.1%以上，最大达0.2%，烟雾弥漫，能见度低，给工作面灭火工作人员安全构成极大威胁。

鉴于此，采取“快速打钻、全区封堵、多源惰化、充填封闭结合、大流量注高效复合泡沫胶体”的综合灭火技术对该自燃火区进行治理。

首先，根据灭火工作的实际需要，先后在21201工作面1～3架、5～15架、15～18架、18～25架前梁煤壁侧分别开设了灭火钻场。并利用钻套一体化灭火钻孔快速施工技术，完成Ф40mm灭火钻孔218个，施工钻孔进尺达到2699.7m;施工Ф25 mm灭火钻孔68个，施工钻孔进尺达到280m。其次，构建多回路灭火系统:(1)在工作面靠近煤墙侧接一趟Ф50 mm喷沙管作为注浆管，每一根接一个三通，通过混合器与注浆孔相连通，每个注浆孔安设一个闸门;(2)在21201工作面靠近煤墙侧接一Ф32 mm高压管作为灭火供水管，确保火区治理各项作业的用水。(3)将原有的两个搅拌池进行改造，一个搅拌池下胶或下浆，另一个搅拌池用于制备高效复合泡沫。(4)构建“并列式发泡”的高效复合泡沫灭火新工艺。在21201工作面设置两套高效复合泡沫发泡装置，可进行大流量高效复合泡沫的灌注，也可根据灭火需要进行多区域同时充填高效复合泡沫。自2008年6月21日21201工作面发现煤自燃明火到6月28日火区被完全扑灭并正式恢复生产，整个灭火过程仅用了7天时间，实现了千秋矿21201工作面采空区与高冒复合煤自燃火区的快速治理。

5 结论

1)提出了煤自燃灾害治理的钻套一体化灭火钻孔快速成孔施工技术及工艺。该技术的钻杆和灭火材料灌注套管采用一体化设计，钻头为一次性钻头。

2)研制出了能够满足快速治理复杂火区需要的高效复合泡沫，提出了“并列式发泡”新工艺。该技术与常规的注水、注浆相比具有灭火效率高，可向高处堆积，灭火后不易复燃，且具有良好的抑爆性能;

3)提出并构建了多功能一体化防灭火系统，即矿井注浆系统为双管路防灭火系统，一趟管路系统进行注高效复合泡沫灭火作业，另一管路系统进行注浆或充填化学凝胶。

4)通过现场运用，实现了千秋矿21201工作面采空区与高冒复合煤自燃火区的快速治理，也为下一步实施有效的灭火措施提供了有利基础。

［1］ 王开胜.深度隐藏高温点防灭火治理技术研究与运用［J］.山东煤炭科技，2010，(06):2-4

［2］ 郝永胜.钻孔塌孔防治方案［J］.赤峰学院学报，2009，(05):22-23

［3］ 陈足章.“三相泡沫”在矿井防灭火中的应用［J］.煤矿现代化，2010，(03):17-18

［4］ 高志兴.含氮气三相泡沫防灭火机理及应用［J］. 矿业快报，2008，(05):53-55

The Rapid Disposal Technology of Yi spontaneous seam coal mine

LV Jianli1，2，WEI Xiangzhi3

(1.North China Institute of Science and Technology，Yanjiao Beijing-East101601;2.Righteousness Mengjin Coal Mine，Luoyang Henan 471600;3.Righteousness Qianqiu Coal Mine，Yima Henan 471000)

The five Coal mining companies under the jurisdiction of the spontaneous combustion in coal seam coal seam for easy，the spontaneous combustion is a month，the shortest is 7 days，the spontaneous combustion of coal issues have Seriously troubled company＇s safety.This paper studies a foam fire suppression efficient compound blasting new technology that can make full use of current effective conventional fire-fighting technology and method，and can overcome the present grouting，an inert gas，an inert gas bubbles，resistance change agent fire-extinguishing or suppression of blasting technology for insufficient.At the same time，the paper developed an efficient compound foam generated new equipment，put forward the construction technology and rapid fire drill efficient compound foam perfusion technique，constructed different needs of extinguishing fire prevention system integration of multifunctional.Finally，we can realize the mined-out area of the coal mine with 21201 thousand high risk of compound the equal，the whole process of rapid governance fire just in seven days，which laid a foundation to prevent disaster affected area enlargement and resume production as soon as possible.

Spontaneous combustion;thick seam;drilling holes set integration;efficient syntactic foam

TD75+.3.4

A

1672-7169(2011)03-0008-04

2011-05-06

吕建立(1979-)，男，河南义马人，大学毕业，华北科技学院采矿工程专业。