新型凝胶防灭火技术在大采高综采工作面自燃防治中的应用_赵立克.pdf

Safety in Coal Mines 第 51 卷第 10 期 2020 年 10 月 Vol.51No.10 Oct. 2020 新型凝胶防灭火技术在大采高综采工作面 自燃防治中的应用 赵立克 1， 张辛亥2， 郑仲明3 （1.伊泰煤炭股份有限公司， 内蒙古 鄂尔多斯 017000； 2.西安科技大学， 陕西 西安 710054； 3.西安安备特安防科技有限公司， 陕西 西安 710054） 摘要 大采高开采工作面两巷道处采空区遗煤多， 漏风较大， 容易发生大范围采空区火灾。大 采高采空区自燃火灾位置往往较高， 发现自燃时温度通常也很高， 一般技术灭火很困难。 2019 年 红庆河煤矿发生大采高工作面采空区大范围自燃，采用 ABT-Q 型高效复合防灭灭火材料的凝 胶及其气动配套防灭火装备， 成功处理了该起采空区火灾。实践表明 该材料吸水倍率高， 降温 效果好， 封堵漏风通道的性能良好， 配套设备具有自动配比， 出口压力高， 移动方便等特点， 适应 了火灾防治的要求。 关键词 大采高综采工作面； 自燃； 防灭火； 凝胶； 气动灌浆设备 中图分类号 TD752.2文献标志码 B文章编号 1003-496X （2020 ） 10-0131-04 Application of a New Type of Gel Fire Prevention Technology in Fully Mechanized Coal Face with Large Mining Height ZHAO Like1, ZHANG Xinhai2, ZHENG Zhongming3 （1.Yitai Coal Co., Ltd., Ordos 017000, China;2.Xi’ an University of Science and Technology, Xi’ an 710054, China;3.Xi’ an Unbient Safety Technology Co., Ltd., Xi’ an 710054, China） Abstract There are a lot of coal left in goaf at the both air inlet and outflow sides of large mining height face, where the air leakage is large, and large scope of spontaneous fire takes place easily. The position of spontaneous combustion fire in large mining height goaf is often high, and the temperature of the fire also very high when the spontaneous fire is monitored, so it is difficult to extinguish fire with general technology. In 2019, a large-scale spontaneous combustion occurred in the goaf of large mining height working face in Hongqinghe Coal Mine. ABT-Q type efficient composite fire-fighting materials and pneumatic matching fire-fighting equipment were adopted to successfully deal with the goaf fire. The practice shows that the material has high water absorption rate, good cooling effect, good perance of sealing air leakage channel, the supporting equipment with automatic ratio, high outlet pressure, easy to move and so on, and can meet the requirements of fire prevention and control. Key words fully mechanized coal face with large mining height; spontaneous combustion; fire prevention and control; gel materials; pneumatic grouting equipment 煤层自燃对矿井安全生产构成严重威胁[1-3]。煤 层自燃一般发生在采空区或巷道周围松散煤体内， 火源位置通常比较隐蔽，因而煤层自燃防治十分困 难[4-5]。防灭火技术主要有灌浆、 注惰气、 泡沫、 阻化 剂和凝胶等，在矿井火灾防治中起到重要作用。但 这些技术中， 注水、 灌浆和注阻化剂技术应用时， 由 于水和浆液流动性强，容易流失，通常不能有效降 低煤体内部温度， 难以彻底的扑灭煤层火灾[6-7]； 灌 注水泡沫及惰气进行灭火时，由于气体比热容较 小，并且气体与煤的热交换速度相对较小，故其降 DOI10.13347/ki.mkaq.2020.10.020 赵立克， 张辛亥， 郑仲明.新型凝胶防灭火技术在大采高综采工作面自燃防治中的应用 ［J］ . 煤矿安全， 2020， 51 （10 ） 131-134. ZHAO Like, ZHANG Xinhai, ZHENG Zhongming. Application of a New Type of Gel Fire Prevention Tech－ nology in Fully Mechanized Coal Face With Large Mining Height［J］ . Safety in Coal Mines, 2020, 51 （10） 131-134. 移动扫码阅读 131 第 51 卷第 10 期 2020 年 10 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.10 Oct. 2020 图 1ABT-7/3.5D 矿用多功能喷注设备原理图 Fig.1Schematic diagram of ABT-7/3.5D type multi-function injection and spray equipment 温速度较慢， 降温效果相对较差， 也难以彻底灭火。 凝胶材料具有强固水性， 降温、 堵漏、 热稳定性也很 好， 因而用其进行煤层火灾防治的效果较好[8-10]。 ABT-Q 型高效复合材料是一种新型复合型凝胶类 防灭火材料，由一种原料与水反应合成，应用工艺 方便， 充填堵漏和降温灭火性能良好。 1ABT-Q 型高效复合材料及工艺装备 1.1ABT-Q 型高效复合材料 ABT-Q 型高效复合材料的原料为单组分浅黄 色液体，由无机稳定剂催化剂与有机高分子原料预 聚体构成，该材料遇水即可发生化学反应，发生交 联，形成网状结构的凝胶材料。水与原料的比例可 调节范围比较大， 一般 1∶125∶1 范围内， 都可生成 性能优良的凝胶材料。材料原料配比要求宽泛， 可 十分方便地进行现场应用。 所生成的高分子材料含有大量亲水官能团， 可 将大量水吸附控制在其分子结构内[11-12]， 其固水量 一般可达 20 倍以上。 所生成的凝胶材料表现出一定 的弹性， 吸水量达 15 倍时， 受外力变形 30以内时 撤除外力可以自行恢复， 变形达到 100时不破裂。 ABT-Q 型高效复合材料的原料与水混合后一 般在 0.53 min 内胶凝。成凝胶之前， 原料与水混合 物溶液的流动性良好，可实现在管道中大流量输 送，也能够渗透扩展进入煤岩层的裂隙中。发生胶 凝反应后失去流动性，可发挥充填堵漏的防灭火效 果。该材料对环境无污染， 具吸热降温、 充填堵漏和 抗动压性。该材料对煤岩体附着力强，扑灭高温煤 火不易发生水煤气爆炸[13]。 1.2工艺装备 根据材料合成工艺及原料配比要求，开发出其 气动制备与灌注设备。设备有 2 个往复运动的气动 缸， 每个气动缸的 2 个连杆与 2 个活塞相连， 气缸往 复运运推动活塞在各自注液缸内运动，通过单向阀 控制实现吸液和排液。 ABT-7/3.5D 矿用多功能喷注 设备原理图结构原理如图 1。 图 1 中，左侧气动活塞的直径为右侧气动活塞 直径 （气动缸内径） 的 2.5 倍； 对应的注液活塞直径 （注液缸内径） 也为右侧的， 2 倍。因此， 左侧每个注 液缸的注液流量可达右侧 1 个缸的 6.25 倍。 气动缸和与之相连的注液缸的直径之比为 2∶1， 因此注液压力可达气压的 4 倍。如矿井下供气最大 压力为 0.8 MPa， 则本装备注浆压力可达 3.2 MPa。 系统可实现 2 种原料的配比为 1∶1、 13∶19、 2∶13、 1∶14。此外，还可以通过 2 个气动缸供气流量 进行调节 2 种原料配比。 2ABT-Q 型高效复合材料灭火技术应用 2.1火区概况 红庆河煤矿 3-1103 综采工作面位于红庆河井田 3-1 煤 1 采区。开采煤层厚度为 66.5 m， 大采高开 采。工作面采煤方法为走向长壁后退式采煤法， 采 用综合机械化采煤工艺，采用自然垮落法处理采空 区顶板。 选用 MG1000/2540-GWD 型双滚筒采煤机， 一次采全高。回采期间综采面采用运输巷进风， 辅 运巷回风的 “U” 型通风方式， 工作面的实际配风量 为 2 447.8 m3/min。3-1 煤层煤属于 Ι 级容易自燃， 煤层最短自然发火期为 45 d。由于 3-1103 综采工作 面大采高开采，采空区巷道侧采空区留有厚达 2 m 以上的浮煤， 巷道侧采空区自燃危险较大。 3-1103 综采工作面自 2018 年 3 月 15 日开始正 式生产， 至 2018 年 11 月 30 日， 工作面推进 928.3 m 时， 由于冲击地压影响， 工作面被迫停产。停产期间 采取的防灭火措施包括①整个工作面架间充填高 分子发泡堵漏材料， 减少采空区漏风； ②工作面风风 侧埋管至距离切顶线 26 m 左右的采空区，每天连 续注氮 20 h 以上 （检修时间停注） ， 注氮流量 1 200 m3/h；③工作面风量由停产前的 2 426 m3/min 下降到 1 100 m3/min， 工作面两端风压差下降约 71， 从而 减少了采空区漏风量， 缩小了采空区氧化带范围。 此外， 采空区埋设了束管、 热电偶等， 对采空区 进行监测。截止 2019 年 7 月初， 3-1103 工作面架间、 采空区及回风隅角气体取样化验分析数据无异常。 2019 年 7 月 5 日晚， 3-1103 工作面回风隅角和 回风流 CO 浓度突然增高， 数据超限， 夜间 CO 浓度 呈现上升趋势。 7 月 6 日， 检测发现 3-1103 采空区回 132 Safety in Coal Mines 第 51 卷第 10 期 2020 年 10 月 Vol.51No.10 Oct. 2020 图 3CO 浓度变化曲线 Fig.3Curve of CO concentration varies with time 风隅角 CO 浓度迅速上升到 （395～500 ） 10-6， 同时出 现少量 C2H4，认为 3-1103 采空区已发生煤层自燃， 立即启动应急预案，采取紧急防灭火措施。预计发 火位置及 ABT-Q 型材料充填区平面示意图如图 2。 2.2防灭火技术措施 根据现场监测结果，距离工作面进风侧约 25 m、 回风隅角、 距离回风侧约 20 m 等位置检测到 CO 浓度较高。工作面进风侧距离工作面约 25 m 处的 采空区注氮口外侧，由于注氮的引射作用，并且顶 板垮落不严漏风阻力小，故该处漏风较大，并且该 处遗煤较多， 自燃危险极大。结合气体监测结果， 预 计该处已经发生了煤层自燃。 同时， 工作面进风侧、 回风侧采空区遗煤较多， 距离工作面进风侧约 30 m 处的冲刷带附近遗煤也 比较多，是采空区煤层自燃易发区，预计已经出现 煤温升高现象。由于检测到 CO 时，工作面在约 11 个月时间内推进距离不超过 100 m，故整个工作面 采空区遗煤都经历了长时间氧化，预计也都有升温 趋势。 据此确定通过向工作面灌注 ABT-Q 型高效复 合材料，结合注氮及泡沫等防治采空区煤层自燃。 首先，自邻近工作面巷道向进风侧采空区施工钻 孔， 钻孔终孔位置为距离工作面 10、 15、 20、 25 m 范 围， 孔高为到达煤层顶板以上 0.5 m， 距离巷道煤帮 1、 3、 6 m。孔内下 准25 mm 套管， 最前端 1 m 套管管 壁开孔，以便于 ABT-Q 型高效复合材料混合液扩 散。然后通过工作面向回风隅角、冲刷带附近等施 工钻孔， 终孔位于架后 2 m， 煤层顶板以上 0.5 m， 沿 工作面布置方向每隔 3 m 布置 1 排钻孔。每个钻孔 以同样的方法下套管，沿套管注 ABT-Q 型高效复 合材料。最后， 在工作面其它部位灌注 ABT-Q 型高 效复合材料， 工作面直接插管到架后顶板， 预防采空 区高温向工作面扩散， 保障回撤安全。 在采取上述措施的同时， 工作面持续注氮， 并且 在重点部位加注泡沫，抑制煤层氧化，促使工作面 CO 浓度快速下降。 2.3灭火效果 使用新型设备压注 ABT-Q 型高效复合材料非 常方便，仅需将吸料管插入料桶，接通水源和气源 即可快速向预定区域压注新型凝胶材料。本材料对 水质无特别要求，矿井水可直接用于灌注该材料的 凝胶。原材料遇水后发生固化， 无残留水溶成分， 故 不会对地下水产生污染。原材料应用过程中不产生 挥发成分， 也不会对井下大气构成污染。 累计向采空区灌注 ABT-Q 型高效复合材料 300 m3， 使用原料 20 t， 有效地降低了煤温， 减少了 采空区漏风， 使工作面 CO 浓度迅速下降。 为了掌握实施综合防灭火技术的效果，通过煤 矿现有的安监系统和人工抽气采样对工作面回风隅 角 CO 气体进行连续观测， CO 浓度变化曲线如图 3。 从图 3 可以看出，在注胶期间 CO 浓度迅速下 降， 说明漏风供氧减少， 或高温区范围明显缩小。灌 注 ABT-Q 型高效复合材料灌注过程中， CO 浓度锯 齿状起伏，是材料与高温煤体接触过程中产生蒸 汽，引起气流紊乱的结果。可见材料灭火过程中不 会产生大量破坏性的水蒸汽， 其灭火安全性很好。 通过灌注 ABT-Q 型高效复合材料， 3-1103 综采 工作面回风隅角等部位 CO 浓度迅速下降到安全 值， 说明该材料灭火降温快、 堵漏性能好， 对煤层火 灾治理效果明显。 3结语 1） ABT-Q 型高效复合材料形成的新型凝胶材 图 2预计发火位置及 ABT-Q 型材料充填区平面示意图 Fig.2Predicted spontaneous fire position and the ABT-Q material filling zone 133 第 51 卷第 10 期 2020 年 10 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.10 Oct. 2020 料， 吸水倍率高， 降温效果好， 适用于采空区高温防 治， 其灭火速度快、 效率高。 2） 根据 ABT-Q 型高效复合材料合成工艺开发 的压注设备， 具有自动进料， 自动配比， 出口压力 高， 移动方便等特点， 适应了火灾防治的要求。该设 备以井下压缩空气为动力，具有很好的安全性和便 捷性。 3） 运用 ABT-Q 型高效复合材料快速治理了红 庆河煤矿厚煤层采空区大面积自燃火灾，说明该技 术降温速度快、堵漏性能良好，适应了煤矿防灭火 的需要， 是一种良好的矿井防灭火技术效果。 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， 2002. ［2］ 梁运涛， 罗海珠.中国煤矿火灾防治技术现状与趋势 ［J］ .煤炭学报， 2008， 33 （2） 126-130. ［3］ 金永飞， 刘荫， 郭军， 等.堵漏风对煤自燃气态产物生 成规律的影响 ［J］ .煤矿安全， 2018， 49 （2） 15-18. ［4］ 杜杰， 邬剑明， 唐一博， 等.聚乙酸乙烯酯乳液复合阻 化剂阻燃煤的试验研究 ［J］ .中国安全科学学报， 2018， 28 （9） 45-50. ［5］ 张玉涛， 史学强， 李亚清， 等.环保型煤自燃阻化剂的 阻化特性及机理研究 ［J］ .中国矿业大学学报， 2018， 47 （6） 1224-1232. ［6］ 陆新晓.防治大空间煤炭自燃的泡沫高效制备技术及 应用研究 ［D］ .徐州 中国矿业大学， 2016. ［7］ 张辛亥， 万旭， 许延辉， 等.厚煤层分层开采采空区自 燃 “三带” 规律及防治研究［J］ .煤炭科学 技 术 ， 2016， 44 （10） 24-28. ［8］ 周春山.矿用羧甲基纤维素钠 \ 柠檬酸铝防灭火凝胶 的制备与特性研究 ［M］ .徐州 中国矿业大学出版社， 2016. ［9］ 赵春瑞.矿用新型胶体防灭火材料的制备及其性能实 验研究 ［D］ .太原 太原理工大学， 2016. ［10］ 张长山， 于志金， 陈晓坤， 等.近距离复合煤层群煤柱 自燃综合治理技术 ［J］ .煤矿安全， 2016， 47 （11） 80. ［11］ 兰安畅.膨胀型凝胶材料防灭火性能的实验研究 ［J］ . 能源与节能， 2019 （8） 130-131. ［12］ 邓军， 杨漪， 唐凯.温敏性水凝胶制备及灭火性能研 究 ［J］ .中国矿业大学学报， 2014， 43 （1） 1-7. ［13］ 朱树来.防治煤自燃的泡沫凝胶防灭火特性研究 ［J］ . 煤炭科学技术， 2019， 47 （10） 223-228. 作者简介 赵立克（1982） ， 内蒙古鄂尔多斯人，高 级工程师，硕士，现任伊泰煤炭股份有限公司副总经理兼 煤炭生产管理部总经理，主要从事煤炭生产技术、安全技 术、 灾害防治技术及应急方面的管理与研究工作。 （收稿日期 2020-07-01； 责任编辑 陈洋） 134