浅埋深易自燃煤层火区注浆灭火技术

戴明颖

（中国航天科工航天信息股份有限公司，北京100195）

煤层火灾的治理，其根本措施主要通过避免煤与空气的接触、降低煤的温度以及惰化煤表面大分子活性结构3 个方面入手，防治及扑灭煤的自燃火灾。目前，在火区治理技术应用方面，国内外实施效果较好的防灭火技术主要有灌浆防灭火技术、惰气防灭火技术、堵漏风防灭火技术、阻化剂防灭火技术、胶体防灭火技术等以及它们之间的综合应用技术[1-3]。但火区一般存在存在时间久、范围大、温度高，隐蔽火源不宜探测，投入经费大，治理难度高且不易彻底扑灭的特点。针对中煤金海洋公司元宝湾煤矿406 火区所存在的问题，基于测氡法精探火区技术之上，采用帷幕隔离封堵为主、高温火区注浆和注液氮为辅的综合方法治理火区。帷幕注浆灭火技术即在火区边界进行钻孔注浆，待浆液凝固形成火区的帷幕隔离带，达到扑灭火区并杜绝向采空区漏风目的的火区治理方法。

1 火区概况

中煤金海洋公司元宝湾煤矿为兼并重组整合矿井，主要可采煤层5 层，分别为3、4、6、9 和11 号。4号煤层埋深约115～140 m，与下覆6 号煤层间距为8.56～19.72 m。井田早期采用房柱式、巷采开采方式对3 号煤（局部）、4 号煤（大部）和6 号、9 号煤（局部）进行了大范围破坏性回采，形成大量老采空区，与地表沟通并相互串联。该矿4 号煤层406 火区存在已久。2014 年矿方曾对火区进行初步探测和治理，其钻孔的温度和CO 体积分数最高达1 040 ℃和4 570×10-6，矿方采取注浆治理的方法，因钻孔施工位置未捕捉到高温火点，且注浆量较少，最终效果不佳。矿井目前开采6 号煤层，6105、6106、6205等工作面距离火区较近，一旦下方6 号煤层开采时顶板垮落，与4 号煤层火区相联通，火区内有毒、有害气体将大量压入6 号煤层回采工作面。因406 火区历时长、范围大、温度高，存在高位隐蔽火源，治理难度高，且不易彻底扑灭，为保证火区下伏6 号煤层工作面安全开采，并节约治理成本，在前期火源探测基础上，提出以帷幕注浆隔离为主，高温火区注浆、注液氮处理为辅的火区治理方案。

火区与6 号煤层工作面关系如图1。

图1 火区与6 号煤层工作面关系示意图Fig.1 Sketch map of relationship between fire area and No. 6 coal seam working face

2 火区治理工艺

2.1 钻孔实施及检测

基于测氡法火区探测结论[4-6]，结合现有的、较为模糊的4 号煤层房柱式开采井巷布置资料，以高温火区为中心，由外向内施工两道帷幕钻孔，高温火区中心施工注浆灭火钻孔，406 火区治理钻孔施工布置图如图2。

图2 406 火区治理钻孔施工布置图Fig.2 Construction layout of borehole treatment in 406 fire area

经对钻孔温度和气体检测，已施工且终孔位置位于4 号煤层采空区的69 个钻孔中，最高温度为558 ℃，温度大于200 ℃钻孔6 个，100～200 ℃钻孔25 个。10 个钻孔中CO 体积分数均大于1 000×10-6，最高体积分数接近1%，并且具有较高体积分数的C2H4、C2H2。

2.2 注浆系统

在火区治理区域较高位置地表建立自动化地面注浆站系统，主要由散装水泥仓、粉煤灰仓、配料机控制器、螺旋输送机、空压机、立式搅拌机、注浆泵、水泵、智能电磁流量计、配电控制柜组成，并安装防雷击装置[7-8]。散装水泥和粉煤灰由罐车高压注入仓内，由配料控制器控制水泥、粉煤灰配料比例，由水泵和流量计控制水量流量，在搅拌罐内进行充分搅拌后，由注浆泵和智能电磁流量计控制注浆量，浆液由管路压入钻孔内。该系统在下料、称量、配比方面均能够实现自动化，现场仅需1 人在线操作，节约人工成本，注浆量达40～60 m3/h，日注浆量大于500 m3/d，输送距离≥400 m。

2.3 注浆参数

1）浆液配比。帷幕注浆选用水、水泥以及粉煤灰作为填充材料[9]，水泥∶粉煤灰（质量比）=1∶3，固体∶水（质量比）=1∶（1～1.3）；高温火区治理选用水、水泥、粉煤灰以及MH 灭火材料作为注浆材料[10]，MH灭火材料∶粉煤灰=3∶100，水泥∶粉煤灰=1∶10，水∶固体=2∶1。则水∶粉煤灰∶水泥∶MH 灭火材料=226∶100∶10∶3，浆液密度约1.5 t/m3。

2）帷幕浆液析水率。浆液析水率要在保证输送距离、注浆压力、小时注浆量等条件下尽量缩减，浆液析水率越低，帷幕隔离效果越好，且不易产生积水。因此，注浆材料之间的配比至关重要。注浆之前，针对帷幕注浆浆液析水率进行现场试验测定；制作2 个体积50 cm×50 cm×50 cm 的箱子，内衬塑料布。正式注浆前，分别在1 号和2 号箱子内注入高度为35.5 cm 和40.5 cm 的浆液；然后将箱子放置在火区治理现场，自然晾干；第3 d 浆液完全凝固，1 号箱子凝固体积高度降为34.1 cm，2 号箱子为38.9 cm；经计算，1 号箱子浆液析水率为3.94%，2 号箱子浆液析水率为3.95%；浆液析水率较低，符合工程注浆析水率≤10%的要求。

3）帷幕浆液凝固抗压强度。帷幕浆液终凝后抗压强度越高，帷幕效果越好，成本也偏高，研究认为，406 火区帷幕注浆浆液终凝后抗压强度达到1 MPa 以上，即满足要求；帷幕浆液终凝后取心，制成直径50 mm，高100 mm 试件共3 件，试件质量配比为水∶PF325 水泥∶粉煤灰=4.8∶3∶1；采用TAW-2000微机控制电液伺服试验机仪，将试件置于试验机承压板中心，调整球形座，使试验机、上下承压板、试件三者中心线成一线，并使试件上下面受力均匀。以500 N/s 的加载方式加载直至破坏，试验结果为：元宝湾煤矿406 火区帷幕注浆浆液终凝后的抗压强度为1.39～2.12 MPa，强度较高。单轴抗压强度测试参数见表1，单轴抗压强度测试试块如图3。

2.4 施工过程

406 火区地势西北侧较低，东南侧较高，为保证浆液“不越界”，注浆过程中，首先将西侧外帷幕钻孔注浆充填，形成隔离墙；4 号煤层厚度6～7.5 m，对材料的堆积性和流动性均要求较高。注浆配比采用“先稀后稠，最后压注”、“多轮间歇式注浆”等方式，钻孔注浆间隔20 h 以上，使得浆液凝固后堆积到一定的高度，有效扩大注浆半径；并在注浆钻孔周围留设排泄采空区气体的钻孔[11-13]，既能保证浆液的扩散性，又能保证注浆材料的堆积高度。

表1 单轴抗压强度测试参数Table 1 Uniaxial compressive strength test parameters

工程注浆时间196 d，每1 个钻孔均反复注浆多达5 次，保证全部钻孔注满，总注浆量72 356 m3。注浆结束3 个月后，针对帷幕中心区域预留的观察钻孔，通过在钻孔中安置304 不锈钢液氮专用管路，并安装阀门、压力表等[14-16]，利用液氮槽车，在图2中的M10、S3、S6 3 个钻孔中压注液氮总计200 t。

3 火区治理效果

3.1 漏风通道检测

2014 年针对406 火区进行治理过程中，曾通过火区地表钻孔灌注SF6示踪气体，发现406 火区与井下6 号煤层存在多处漏风通道。因此，本次火区治理中，帷幕形成后，为判断火区帷幕治理效果，仍采用SF6示踪气体法检测火区与下伏6 号煤层工作面原有漏风通道是否依旧存在[17-18]。6205 工作面位于火区的西南侧，切眼距火区水平距离约250 m，6105 工作面位于火区的西侧，切眼距离火区约120 m，6106 工作面位于火区的西北侧，切眼距离火区位置约300 m。406 火区漏风通道检测参数见表2。

表2 406 火区漏风通道检测参数Table 2 Test parameters of air leakage channel in 406 fire area

M10、M4 号钻孔为观察钻孔，且为进风状态。地面技术人员自地表向钻孔内释放SF6气体，在同一时间，井下人员持SF6检测仪器分别检测6205 工作面回风隅角、6106 辅运密闭墙、6105 回风调节、6105回风密闭墙等位置SF6体积分数。

M10 钻孔孔口风速约3.5 m/s，M4 号钻孔孔口风速约0.4 m/s，SF6气体释放采用浮子流量计计算流速，速率≥10 L/min，历时250 min，总释放气体体积＞2.2 m3。

由于采空区漏风风速无法观测，根据钻孔孔口风速以及测点位置风速推断，SF6气体释放时间足以使得SF6到达上述4 个检测位置，且SF6检测器基本处于不断检测过程中，尚未发现有SF6气体出现，说明406 火区与6105、6106 以及6205 工作面不存在漏风通道，406 火区帷幕注浆效果较好。

3.2 钻孔参数检测

灭火工作结束后，为保证火区治理效果，针对预留的M6、S3 和S6 号3 个观察钻孔进行为期1 个月的参数检测。采用真空泵以及束管采集钻孔内火区气体参数，用气相色谱仪进行分析；采用自主研发的铠装热电偶测温装置检测钻孔内火区温度参数[19]。观察钻孔参数检测数据表见表3。

表3 观察钻孔参数检测数据表Table 3 Test data table of borehole parameters observed

由表3 可以看出，M6 号和S6 号钻孔O2体积分数较低，CO 体积分数约10×10-6，由于煤岩体的热传导系数极低，温度尚未完全降到常温状态，基本位于40～50 ℃；5 月下旬，S3 号钻孔O2体积分数极低，无CO 产生，温度均低于20 ℃；6 月上旬，O2体积分数突然升高，并产生约10×10-6的CO 体积分数，温度依然较低，经与矿方沟通及现场查探，该区域受6205 工作面以及附近掘进作业采动影响，火区地表出现裂隙，遂安排人员对地表裂隙进行掩埋处理。

3.3 火区治理效果

由于受采动影响以及地表自然沉降，小窑火区漏风通道多且隐蔽，已经扑灭的火区在一定漏风条件下容易复燃。保证元宝湾下伏6 号煤层工作面安全开采，尽力扑灭406 火区是本次工程治理的根本目的。为实现矿井安全生产，减少投资，因地制宜，采用以帷幕隔离封堵为主，高温火区注浆+注液氮治理为辅的方法治理火区，将火区与下伏6 号煤层工作面有效隔离，并扑灭火区。根据钻孔温度、气体参数检测数据，以及SF6漏风参数数据分析，火区与下伏6 号煤层火区西侧6105、6106、6205 工作面已实现有效隔离，火区已处于熄灭状态。目前，元宝湾煤矿6105、6106 以及6205 工作面已全部回采完毕，在回采过程中，并未受到406 火区的侵扰，在后续的钻孔检测过程中，406 火区也未出现复燃现象。

4 结 语

1）针对元宝湾煤矿4 号煤层存在已久的406 火区，在精确探测基础上，建立地面自动化大流量远距离输送注浆站，采用帷幕隔离封堵为主、高温火区注浆和注液氮治理为辅的方法，实现了火区与西侧6105、6106 以及6205 工作面有效隔离、火区熄灭的目的。

2）406 火区治理注浆站注浆量40～60 m3/h，输送距离≥400 m，帷幕隔离注浆析水率3.95%，浆液终凝后抗压强度1.39～2.12 MPa。

3）注浆结束后，火区钻孔温度由最高558 ℃降至40～50 ℃，并持续下降；钻孔CO 体积分数由最高近1%降至10×10-6，并保持稳定，且无C2H4、C2H2出现；自地表观察孔采用SF6检测，406 火区与6105、6106 以及6205 工作面之间已不存在漏风通道。