粉煤灰胶体隔离控制技术在花山矿复杂火区中的应用_杨平.pdf

第 51 卷第 8 期 2020 年 8 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.8 Aug. 2020 粉煤灰胶体隔离控制技术在花山矿 复杂火区中的应用 杨平 1， 2， 梁国栋3， 于贵生1， 2， 张学权3， 段 滔 3 （1.煤科集团沈阳研究院有限公司， 辽宁 抚顺 113122； 2.煤矿安全技术国家重点实验室， 辽宁 抚顺 113122； 3.攀枝花煤业 （集团） 有限责任公司 花山煤矿， 四川 攀枝花 617066） 摘要 攀枝花花山煤矿 4238 工作面火灾先后采用整个四采区大范围封闭、 逐步缩封火区相关 联巷道、 火区灌注液态二氧化碳降温、 无机材料充填等方法进行治理， 但均未有效控制火情， 随 着时间推移， 火势逐步向上部蔓延， 而后发展成1 030 水平四采火区。针对该种极复杂火区， 提 出分区隔离控制技术， 即以电厂燃烧废物资源利用化粉煤灰为主要原料形成的降温、 惰化、 堵漏 效果显著的粉煤灰复合胶体为灌浆材料， 通过施工辅助治理巷道， 向 4238 工作面回风方向相关 联主要巷道施工注浆钻孔， 利用钻孔压注粉煤灰胶体堆积充填材料， 将 4238 工作面火区与 4236 边上山及火区外围巷道隔离分区域控制，再对各分区逐一治理，最终 4238 工作面及采空区内 CO 消失， 达到启封标准， 取得阶段性灭火效果， 结果表明 粉煤灰复合胶体隔离技术能够快速高 效地处理大范围火区及处于扩散、 蔓延状态的复杂火情。 关键词 粉煤灰胶体； 复杂火区； 注浆充填； 隔离控制； 防灭火 中图分类号 TD752.2文献标志码 B文章编号 1003-496X （2020 ） 08-0082-05 Application of Fly Ash Colloid Isolation Control Technology in Complex Fire Area of Huashan Mine YANG Ping1,2, LIANG Guodong3, YU Guisheng1,2, ZHANG Xuequan3, DUAN Tao3 （1.China Coal Technology and Engineering Group Shenyang Research Institute, Fushun 113122, China;2.State Key Laboratory of Coal Safety Technology, Fushun 113122, China;3.Huashan Coal Mine of Panzhihua Coal Industry （Group）Co., Ltd., Panzhihua 617066, China） Abstract The 4238 working face fire in Panzhihua Huashan Coal Mine has adopted s such as large-scale sealing of the whole No.4 mining area, gradually shrinking and sealing roadway associated with the fire area, liquid carbon dioxide pouring cooling and cooling in the fire area, and inorganic material filling were successively adopted, but the fire was not effectively controlled, with the passage of time, the fire gradually spread to the upper working face, and later developed into1 030 level 4 fire zone. Aiming at this kind of extremely complex fire area, a partition isolation control technique is proposed. The fly ash compound colloid, which is ed by using fly ash as the main raw material and has obvious cooling, inerting and plugging effect, is used as grouting material, by constructing auxiliary control roadway, constructing grouting drilling to the main roadway that is related to the direction of return air to 4238 working face, injecting fly ash colloidal filling material through drilling holes, isolating 4238 working face fire area from 4236 side uphill and fire area periphery roadway and then governing each partition one by one, and CO in the 4238 working face and goaf disappeared, reaching the standard of unsealing and achieving staged fire- fighting effect. The results show that the fly ash composite colloid isolation technology can be used to deal with the large area of fire and the complex fire in the state of diffusion and spread quickly and efficiently. Key words fly ash colloid; complex fire zone; grouting filling; isolation control; fire prevention and extinguishment DOI10.13347/ki.mkaq.2020.08.016 杨平， 梁国栋， 于贵生， 等.粉煤灰胶体隔离控制技术在花山矿复杂火区中的应用 ［J］ .煤矿 安全， 2020， 51 （8） 82-86. YANG Ping, LIANG Guodong, YU Guisheng, et al. Application of Fly Ash Colloid Isolation Control Technol－ ogy in Complex Fire Area of Huashan Mine［J］ . Safety in Coal Mines, 2020, 51 （8） 82-86.移动扫码阅读 82 ChaoXing 第 51 卷第 8 期 2020 年 8 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.8 Aug. 2020 火灾事故是煤矿 5 大灾害之一， 也被国务院 特 别规定 列为 15 类重大隐患之一[1]。灌浆是现有吸 热降温火灾防治技术措施之一[2]， 但常用的黄土灌 浆材料浆液黏度大，且形成的黄泥浆易顺松散体缝 隙流走，浆液利用率低，如果仅增加浆液中溶质的 量，则浆液浓度增大，颗粒物沉降速度过快极易造 成注浆管路堵塞[3-4]。 针对难以观测到的多个地点先后或同时发生的 “沟通型”矿井火灾、由 1 个发火地点因漏风渠道 多、漏风量大、近距离上覆巷道或采空区存在垮落 现象且程度未知导致的 “蔓延连片型” 复杂火区[5]， 以花山矿 4238 工作面过断层防灭火措施不当自燃 火灾蔓延成复杂的四采火区治理为例，提出分区隔 离控制技术[6-7]， 即以电厂燃烧废物资源利用化粉煤 灰为主要原料形成的降温、惰化、堵漏效果显著的 粉煤灰复合胶体为灌浆材料[8-9]， 通过施工辅助治理 巷道， 向 4238 工作面回风方向相关联主要巷道设计 并施工注浆钻孔，利用钻孔压注粉煤灰复合胶体堆 积充填材料[10]， 将 4238 工作面火区与 4236 边上山 及火区外围巷道隔离分区域控制，再对各分区逐一 治理， 最终取得了阶段性灭火效果。 1火区概况 花山矿所采煤种主要为焦煤。4238 综采工作面 位于1 030 m 水平四采区南翼第四区段，主采 23 煤层， 平均倾角 39， 属于自燃煤层。 2014 年 1 月， 回 采揭露 F1断层， 落差 3.1 m， 造成 18～26架间出现 倾斜长 15 m， 高度约 16 m， 沿走向深度为 8 m 的高 冒区。结合现场情况， 花山矿在 4238 运输巷 255 m 掘上山通道，对断层附近煤体注浆；对高冒区用锚 索起吊铁道铺设底、木垛接顶方式联合控制顶板， 6 月 17 日6 月 26 日，高冒区先后共充填填固材料 20 t， 26 日， 充填部位开始冒烟， 尽管及时用水降温， 但充填体温度反复升降， 2 d 后， 填固材料及木垛开 始明火燃烧， 进而 4238 回风巷燃烧， 于是在 4238 运 输巷带式输送机机头、 1 138 m 石门往 4238 回风 巷方向等多处地点施工密闭墙，同时调压、控风， 7 月 3 日，发现 4236 边上山上口已见明火， 1 218 m 车场巷道口已部分垮落， 后对1 218 m 与1 274 m 两石门及车场等处分别建闭， 但依然漏风明显， 至 7 月 10 日， 完成1 030 m 水平四采火区大区域封闭。 火区大区域封闭后至 2018 年 5 月前， 花山矿又 调整火区回风系统，通过锁风、缩封巷道逐步解放 出1 030 m 水平四采主石门、 1 030 m 水平四采上 煤组片区巷道、 4158 及 4068 工作面， 最终实现中煤 组轨道上山解放，期间也对与火区回风关联主要巷 道进行无机材料充填、 由1 030 m 水平石门向 4238 运输巷施工注浆钻孔， 向火区灌注液态 CO2， 主要发 火地点、 各主要密闭构筑位置、 充填区域及液态 CO2 灌注位置， 火区前期治理情况立体示意图如图 1。 图 1 中阴影为 4236 穿层石门塌陷点、 4238 回风巷外段 巷道、 4236 运输巷外段、 4238 回风巷至 4236 运输巷 小上山、 4236 穿层石门无机材料充填区域；三角区 域及之间部分区域为火区；红或蓝实心小方块为不 同位置构筑的密闭。 但通过上述治理手段，只是对火势起到一定控 图 1火区前期治理情况立体示意图 Fig.1Three-dimensional schematic diagram of early stage treatment of fire area 83 ChaoXing 第 51 卷第 8 期 2020 年 8 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.8 Aug. 2020 制作用，并没有真正彻底消除火区隐患，从密闭采 样化验结果来看， 1 380 m 南回风上山上口处巷道 内 CO 最大浓度为 2.310-3， 最高空气温度 45 ℃。 分 析火情未熄灭并进一步蔓延、 发展原因为 ①火区上 部为采空区， 且煤岩体裂隙多， 漏风情况复杂； ②注 入火区的 CO2被漏风带走， 未真正停留在火区； ③随 着时间推移，构筑的多处密闭质量变差，闭墙存在 漏洞或裂隙，已失去原有的承压能力，同时虽已对 明显的漏风通道灌注无机材料充填，但充填部位已 逐渐风化，且遇水浸泡极易被流水冲走，强度大大 降低， 失去其充填巷道封堵火区漏风通道作用。 高分子胶体防灭火材料有较好的保水性与阻化 作用，当胶体材料附着于煤体表面时，除能隔绝周 围环境中的氧气，抑制煤氧结合外，其自身含有的 水分也有一定的降温作用，同时胶体流动性差， 易 固结、堆积在煤层缝隙或巷道内，避免了注其他单 一成分浆液或水容易泄漏流失现象，且流经、包裹 高温煤体时，也不会产生水煤气。粉煤灰复合胶体 是以粉煤灰、水为主料，通过额外添加胶凝剂成分 形成的防灭火材料，胶凝剂用量少，且电厂粉煤灰 价格低廉， 节约防灭火工程成本， 尤其适合充填巷道 隔离治火等注浆量需求大的大面积复杂火区治理。 2粉煤灰复合胶体特性及制浆工艺 2.1粉煤灰复合胶体特性 结合花山矿实际情况及特点，决定采用粉煤灰 复合胶体作为注浆材料治理花山矿复杂火区。粉煤 灰复合胶体具有以下优势 1） 降低防灭火工程成本。粉煤灰脱水性优于黄 土，黏性较黄土差，故形成的黄泥浆比粉煤灰浆更 易流动，因此粉煤灰浆胶凝剂使用量小于黄泥浆中 胶凝剂添加量，仍能达到同等充填堆积效果，而且 对于附近有电厂的煤矿来说，粉煤灰作为电厂排放 废物，价格更低廉，且再资源化利用也有利于环境 保护。 2） 成胶时间可控。可根据不同矿井发火情况及 现场选用的工艺控制粉煤灰胶体成胶时间。 3） 安全可靠。胶体具有一定锁水能力， 当粉煤 灰胶体流经高温煤体时，不会生成水煤气等爆炸性 气体， 只会使复合胶体中水分汽化， 是吸热反应， 对 高温煤体有一定吸热降温作用。 4） 有效期长。 正常情况下 （温度小于 28 ℃、 湿度 大于 90） ， 粉煤灰胶体可存于煤层中 1 年有效， 有 利于抑制煤层复燃。 5） 耐高温。 即使温度高于 1 000 ℃， 胶体材料也 不易熔化分解。 6） 阻化作用。粉煤灰、 胶凝剂皆为阻化剂， 形成 的粉煤灰复合胶体拥有一般阻化剂特性。 7） 堵漏作用。粉煤灰胶体流入煤岩体裂隙并逐 渐失水固结， 起到一定堵漏作用， 且其中粉煤灰成分 使胶体材料拥有一定承压能力。 2.2制浆工艺 本次粉煤灰复合胶体选用地面注浆系统，即预 先储存于灰罐中的粉煤灰通过螺旋输送机送入制虑 一体机中，利用制虑一体机自带的小方形添加口加 入胶凝剂，胶凝剂及粉煤灰与水按比例混合充分搅 拌，形成的粉煤灰复合胶体流入过滤网，将未充分 溶解团状物及不溶解固体筛掉，达标胶体落入缓浆 池，再通过渣浆泵将胶体通过注浆管路灌入火区或 巷道。胶体到达目标位置后逐渐胶凝堆积，覆盖高 温煤体或明火， 封堵漏风通道， 将煤体隔绝氧气， 吸 热降温，进而达到窒息火区作用，粉煤灰胶体灌注 工艺流程如图 2。 3隔离控制技术实施及阶段性效果检验 前期已对4238 回风巷上部巷道充填无机材料； 4238 回风巷过火巷道周边围岩均存在大量的裂隙； 4236 运输巷外段煤柱有沉陷现象， 因此无法从回风 侧着手治理， 若从火区进风侧治理， 启开 4238 运输 巷密闭， 则新鲜风流进入火区， 不利于灭火， 为不破 坏火区现有平衡状态， 决定对 4238 火区单独隔离控 制灭火， 即施工火区治理辅助巷道 （24层措施巷） ， 利用在 24措施巷内设计并施工的注浆钻孔， 向 4238 回风巷、 4246 回风巷、 4236 运输巷注粉煤灰胶 体， 充填 3 条巷道， 将 4238 工作面及采空区与 4238 注 地面 1 380 m 粉煤灰罐及配套螺旋输送机均为 2 个且并 排安置， 因侧面示意， 只能体现出 1 个。 图 2粉煤灰胶体灌注工艺流程图 Fig.2Fly ash colloid perfusion process flow chart 84 ChaoXing 第 51 卷第 8 期 2020 年 8 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.8 Aug. 2020 回风巷上部巷道隔离，以便更有针对性地对各分区 火情逐一治理。 3.1火区治理辅助巷道 火区治理辅助巷道是为注浆钻孔施工及注浆工 程顺利进行创造条件， 24层措施巷沿 24煤层顶 板布置， 设计施工总长度为 237 m， 由 4 部分组成 ①1138 石门与措施巷联络巷长度 40 m， 施工方位角 为 171， 按 3‰坡度掘送； ②联络下山设计长度 33 m， 方位角 120， 坡度 25； ③23～24穿层石门设计 长度 25 m， 方位角 120， 按 3‰坡度掘送至 24层； ④剩余 139 m 沿 3‰坡度掘送到位， 24层措施巷及 邻近主要巷道层位关系如图 3。 3.2隔离注浆钻孔施工及阶段性治理效果 24层施工巷内施工的注浆钻孔包括火区监测 孔， 因每日 2 班连续注浆， 钻孔随注随堵， 为保证巷 道充填隔离效果，采用边施工钻孔边注浆模式， 共 分 6 个阶段完成 1） 第 1 阶段。 为实现火区状况实时监测， 分别向 4238 回风巷、 4246 回风巷、相关联络巷、 4238 工作 面上口及 4238 支架后方 10、 20 m 位置施工火区监 测孔， 共 14 个， 目前仍有有效监测孔 5 个。 2） 第 2 阶段。向 4238 回风巷、 4246 回风巷及相 关联络巷施工注粉煤灰胶体钻孔， 共 27 个。 3） 第 3 阶段。 随着注浆工作不断进行， 已有注浆 孔随注随堵，为强化 3联络巷附近 4238 回风巷道 注浆充填效果，围绕 3联络巷继续向 4238 回风巷 施工注粉煤灰胶体钻孔 15 个。 4） 第 4 阶段。通过对 24层措施巷内淋水温度 及火区监测孔化验结果分析，发现底弯道附近主要 淋水点最高淋水温度为 64 ℃， 3联络巷外侧尤其是 4238 回风巷仍存在明显火情，且 4238 工作面及采 空区氧气浓度仍高为 10左右， 3联络巷附近注浆 孔 （兼做监测孔） 监测 CO 浓度为 210-3左右， 说明 未达巷道充填隔离效果， 又向 4238 回风巷设计并施 工 8 个注浆孔，考虑到火势蔓延至 4236 边上山附 近， 同期向 4236 边上山施工注浆钻孔 3 个。 5） 第 5 阶段。随着对已有钻孔连续注浆充填巷 道， 4238 工作面及采空区氧气浓度降为 5左右、 监 测孔内出气温度为 26 ℃左右， 3联络巷往工作面方 向措施巷内淋水地点明显减少， 3联络巷附近注浆 孔 （兼做监测孔） 监测 CO 为 210-4左右， 说明 4238 回风巷与 4246 回风巷内注浆充填段已有个别部位 堆积的浆液高度快要接顶， 但 3联络巷外侧火情仍 未消除，于是为探明火点或高温点存在位置， 向 4238 与 4236 工作面间隔离煤柱施工 2 个探火钻 孔， 分别距离 24层措施巷底弯道 5、 32 m， 发现过 火迹象。 6） 第 6 阶段。 为探明实际火情范围、 处理高温区 域、 进一步强化巷道充填隔离效果， 又向 4236 运输 巷、 4238 回风巷及相关联络巷每隔一定距离陆续施 工探火孔兼做注浆孔， 未注浆的可监测孔， 已下套管 探火孔共 26 个， 均可做注浆孔。 目前已施工的钻孔累计 95 个， 24层措施巷钻 孔位置如图 4。 4238 回风巷、 4236 运输巷、 4246 回风巷及相关 联络巷共预计注粉煤灰胶体量为 20 000 m3， 实际注 浆量为 23 813 m3， 从注浆量角度， 已实现 3 条巷道 充填堆积，火区粉煤灰复合胶体压注数据统计表见 表 1。 近 2 个月火区连续有效的监测孔调负压取气化 验结果显示， 1 380 m 南回风上山上口密闭内 CO 浓度为 0，闭内空气温度 27 ℃； 3联络巷外侧火区 监测孔 CO 降至 210-4以下； 24层措施巷底弯道附 近淋水温度最高 46 ℃； 2联络巷附近监测孔 CO 浓 度为 0； 4238 工作面及采空区内监测孔化验结果显 示 CO 为 0， 氧气浓度维持在 4以下， 监测孔内出 气温度为 24 ℃左右， 说明经过近 1 年粉煤灰复合胶 体连续灌注， 3联络巷附近往工作面方向 4238 回风 巷、 4236 运输巷、 4246 回风巷及相关联络巷达到了 充填隔离目的，即原来整个复杂火情区域被分割成 4238 工作面及采空区安全区与 3联络巷外侧 4236 边上山附近高温区，两者已互无影响， 4238 采空区 满足启封条件， 现阶段正在对 4236 边上山注浆治理 3联络巷外侧高温区， 后期会辅助注氮措施 一是对 高温地带注氮惰化， 二是对 4238 采空区注氮， 巩固 火区治理效果； 同时对 3联络巷外侧监测孔与采空 图 324层措施巷及临近主要巷道层位关系 Fig.3The relationship between 24layer measure lane and the adjacent main roadway 85 ChaoXing 第 51 卷第 8 期 2020 年 8 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.8 Aug. 2020 表 1火区粉煤灰复合胶体压注数据统计表 Table 1Statistical table of composite colloid injection data of fly ash in fire area 年-月水/m3灰/t胶凝剂/kg灌浆量/m3 2018-06 2018-08 2018-09 2018-10 2018-11 2018-12 2019-0102 2019-03 2019-04 2019-05 2019-06 2019-07 2019-08 总计 粉煤灰注浆系统调试、 试运转 1 978.0 1 884.0 1 912.0 1 192.0 754.0 788.4 2 338.0 1 857.0 1 631.0 2 459.0 1 084.0 2 836.0 20 713.4 1 667.00 1 613.00 1 742.00 988.00 515.50 472.58 1 747.82 1 654.96 1 286.99 2 135.81 802.95 2 470.25 17 096.56 11 900 11 200 8 900 4 300 2 600 3 500 7 675 4 975 5 850 9 100 3 900 7 300 81 200 2 274 2 166 2 198 1 370 867 906 2 688 2 135 1 875 2 827 1 246 3 261 23 813 作者简介 杨平 （1990） ， 研究实习员， 硕士， 2017 年毕业于辽宁工程技术大学，主要从事矿井通风与安全方 面的工作。 （收稿日期 2019-09-27； 责任编辑 陈洋） 区监测孔进行联合监测，对比分析氧气、氮气变化 情况， 进一步验证注浆充填隔离效果。 4结语 粉煤灰复合胶体防灭火材料集堵漏、降温、 固 水、 惰化、 抑爆、 灭火成本相对较低等优势于一身， 其形成的隔离控制技术已广泛应用于煤矿井下火灾 防治工程中，对于发火区域周边采空区密集，裂隙 发育，漏风环境复杂引起的蔓延型大范围复杂火灾 尤其适用，利用该技术将大面积火区进行分区针对 性控制治理，提高了矿井火灾防治效率，一定程度 上也降低了煤矿灭火成本。 参考文献 ［1］ 徐精彩， 张辛亥， 文虎， 等.煤层自燃胶体防灭火理论 与技术 ［M］ .北京 煤炭工业出版社， 2003. ［2］ 李剑锋， 任万兴， 李洪杰， 等.火成岩断层带易燃煤层 快速灭火技术研究 ［J］ .煤炭技术， 2016， 35 （2） 214. ［3］ 张金山， 刘烨， 王林敏.我国粉煤灰综合利用现状 ［J］ . 西部探矿工程， 2008 （9） 215-217. ［4］ 王刚， 陈洋， 吕英华， 等.近距离易自燃厚煤层群综放 工作面防灭火技术 ［J］ .煤矿安全， 2015， 46 （6） 60. ［5］ 张东海， 杨胜强， 王钦方， 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