千米深井胶体防灭火技术应用研究

冯良兵，李焕东，郭佃锋，姜士彦

（山东省天安矿业集团有限公司，山东 曲阜 273155）

煤炭自然发火机率随着开采深度的增加逐年升高，前期主要采取注水、灌浆、喷洒阻化剂、注惰气等技术[1]抑制煤层自燃，近年来水玻璃胶体作为新兴的防灭火技术材料，以其良好的防灭火效果,运输方便、无污染、成本低等优势得到了广泛的应用,取得了良好的效果[2]。胶体可以较好地包裹破碎的煤体、封堵裂隙效果较好、性能稳定、耐高温、对局部火源效果明显[3-4]。

1 工作面概况及自然发火区域分析

1.1 工作面概括

星村煤矿3307 外工作面位于三采区中部西侧，走向长为260m（平距），倾向长度为141.7m（平距），平均煤厚8.25m。2017 年2 月6 日该工作面开始回采，2017 年6 月回采结束。工作面采用轨道顺槽进风、运输顺槽回风的全风压“U”型上行通风方式，正常风量900m3/min 左右。煤层鉴定为Ⅱ类自燃煤层，试验最短自然发火期为28 天。

1.2 工作面煤自燃分析

2017 年 3 月 10 日，3307 外工作面回风流 CO 浓度逐渐上升到20ppm。通过对采空区及两顺顶板破碎煤体束管检测气体分析，结合工作面推采情况及现场实际，认定为两顺顶板松散破碎的煤体，进入采空区后与采空区漏风供氧发生反应，释放热能。热能反过来促进煤氧结合，最终反应会迅速加剧，产生CO 气体，产生火灾[5-6]。

采空区遗煤自燃性主要受煤自燃过程的氧化放热性、采空区遗煤堆积厚度和块度、采空区遗煤自燃氧化带范围、工作面推进度以及采空区围岩原始温度等影响。分析认为3307 外工作面采空区自然发火的原因为采空区两顺顶板不放顶煤，此区域内漏风供氧充分，遗煤进入氧化带,以及工作面初采，推采速度慢，采空区遗煤在氧化带时间长。

2 胶体防灭火技术研究

2.1 胶体材料防灭火机理

胶体材料是指促凝剂与水玻璃按一定比例与水混合后形成的胶状体。胶体防灭火机理在于降低温度，隔绝氧气，使发火点放热反应终止，有效抑制了煤体的自燃，达到防灭火的目的[7]。

3307 外工作面现场注胶时，将100kg 水玻璃和40kg 小苏打分别放入两料桶内，再分别加入400kg和460kg 水（即水玻璃配比20%，小苏打配比8%），利用双液泵注入破碎煤体。

2.2 胶体防灭火技术方案

采空区漏风主要集中在进风顺槽及回风顺槽靠采空区处，对两顺靠采空区侧顶板及挡墙的封堵尤为重要[8]。同时，工作面架后放顶煤后，架后垮落的煤矸呈破碎状态，形成良好的漏风通道，温度上升后，极易发生煤自燃情况。根据3307 外工作面的实际情况，通防工区采取了对两顺顶板超前打眼注胶，两顺挡墙周边漏风区域喷涂堵漏风处理，其他异常区域局部打眼注胶的防灭火技术方案。

2.2.1 架间局部区域打眼注胶

切眼安装支架前，通防工区对切眼顶板施工防火钻孔，并注胶处理；支架安装完毕后，利用支架侧护板打开的位置施工防火钻孔，并注胶处理；工作面回采过程中，检测局部支架地点气体异常时，由通防工区利用风动扳手或直接利用一次性钻杆在气体异常区域附近施工钻孔，注胶处理。为保证注胶效果，尽量根据支架特点及顶板厚度在支架的架前、架间、架后分别施工钻孔，架间钻孔与水平夹角45°左右，深度3～5m，架前钻孔与水平方向夹角80°左右，深度3～5m，架后钻孔与水平方向夹角30°左右，深度以见岩石为准。钻孔施工完毕后，将一次性钻杆使用棉纱缠绕，棉纱距离钻杆末端1m 左右，然后砸入钻孔内，封堵好钻孔，开始对钻孔注胶。

检测架间气体局部区域较为严重时，通防工区采取了长短钻杆相结合的方式对异常区域多打眼，多注胶，以保证气体异常区域顶煤全部被胶体包裹，顶板向下滴落胶体为标准。

2.2.2 两顺顶板及挡墙的胶体封堵处理

1）两顺挡墙封堵。随工作面正常推进，在工作面两顺每隔10～15m 各施工一道挡墙，由综采工区负责挂设柔膜袋，通防工区负责向袋内充填LFM充填料。充填袋采用风筒布材料制作，墙体不漏风。充填挡墙施工完毕后，通防工区负责对挡墙与巷道接触部分喷涂胶体，减少墙体周边漏风。

2）两顺顶板注胶封堵处理。在两顺靠工作面采空区处以外施工钻孔，钻孔超前施工，以超前煤壁向外10m 为准。采用三花眼的形式布置钻孔，钻孔沿顺槽方向朝向采空区，与水平方向夹角80°左右，深度不小于3m 或见岩石。

3）对架后垮落煤体，利用一次性钻杆向煤体内插管注胶，人员站在端头架安全支护范围以内，然后对垮落煤体喷涂处理，保证垮落煤体里外全部被处理一遍。

4）为增加进风顺槽采空区。

2.3 注胶施工工艺

2.3.1 双液泵注胶工艺

提前配备好水玻璃溶液和小苏打溶液，水玻璃按照水料质量比为4:1 的比例配置，小苏打按照水料质量比为23:2 的比例配置，两桶溶液配置完毕后将双液泵压风连接好，保证泵能正常运行，泵有两个出液口，将两路胶管分别与出液口连接，胶管延接至注胶位置后，利用混合器将两路出液胶管混合为一根10m左右的胶管，将混合后的胶管与注胶钻杆连接，开启气动泵对钻孔注胶。双液泵注胶工艺如图1 所示：

图1 双液泵注胶工艺示意图

2.3.2 注浆站注胶工艺

使用双液泵注胶时最大注胶量为4m3/h，当井下现场使用气动泵不能满足现场注胶需要时，及气动泵的注胶流量不能满足大面积注胶封堵时，通防工区采取了井上注浆站与井下气动泵相互配合的方式，将井下注胶流量控制在20～30m3/h。

1）井上注浆站。在注浆站搅拌池内添加水玻璃和水，将水玻璃浓度控制在15%左右，即在搅拌池内添加1 吨水玻璃，5 吨水，溶液配制完毕后，按照25 分钟供给1 搅拌池水玻璃溶液，即水玻璃的供给量为15 m3/h 左右。

2）井下部分。工作面需要注胶位置安设一多出口混合器，井下气动泵向多出口混合器处供给小苏打溶液，井上注浆站通过注浆管路向多出口混合器处供给水玻璃溶液，两种溶液在多出口混合器处混合。注浆站供给的水玻璃溶液到达多出口混合器后，开启井下双液泵注入小苏打溶液，根据胶体成胶的小苏打配制比例及井上下溶液的供给流量，即每20m3 浆注32 袋左右（25kg/ 袋）。利用多出口混合器将混合后的胶体注入钻孔内，正常情况下混合器向外分发8 只Ф13mm 的胶管，可以向8 个不同的顶板钻孔注胶体，增加了单位之间的注胶量和注胶面积。

3 结 论

根据星村矿3307 外工作面在生产过程中利用胶体对工作面进行防灭火处理，并制定了井上下配合大流量注胶的施工工艺，保证了3307 外工作面安全顺利回采。本文的研究成果对其他具有相似条件的矿井的防灭火工作具有较好的借鉴和指导意义。