浅谈胶体灭火技术在白水矿的应用

姚慧卿

【摘要】针对白水煤矿21515工作面煤自然发火实际情况及火源位置明确、火区范围小的特点，采用高分子胶体灭火技术对21515工作面进行治理，治理措施得当，21515工作面顺利启封并成功回采撤架。

【关键词】自然发火，高分子胶体，钻孔，注胶，火区治理

1、概况

白水煤矿位于陕西省渭北石炭二叠纪煤田蒲白矿区中部，行政区划属陕西省白水县管辖。矿井设计年生产能力105万吨，服务年限34年，核定能力110万吨/年，实际生产能力75万吨/年。2014-2015矿井瓦斯等级鉴定结果为瓦斯矿井，煤层为Ⅲ不易自燃煤层。

2、火区状况分析

白水煤矿21515工作面开切眼与老梁二井存在漏风现象，二一集中进风巷通过联络巷与21515工作面联通，开切眼附近存在大量碎煤，二一集中进风巷通过联络巷与老梁二井采空区联通，开切眼附近具备供氧、蓄热条件，可以断定此火灾属于井下煤自燃发火。

1）火区1#闭处于回风侧、2#闭处于进风侧，此两道闭内均未查出CO，表明高温火区产生的CO未扩散和泄漏至该区域，高温火点在21515采空区深部。

2）火区3#闭处气流方向不稳定，主要由于高温火区形成的热力风压及火区呼吸现象， 1#、2#和3#闭间通过采空区形成的角联漏风不稳定所引起的。

3）火区3#闭处的CO浓度仍较高，且有逐步上升的趋势，同时，可测出C2H4、C2H6等高温煤体的指标性气体，表明封闭区内煤体的温度仍较高，高温火区仍未得到完全控制，随时面临复燃的危险，且高温火点随时有可能从该闭墙处发展至21集中进风巷，给矿井的安全生产造成极大威胁。

鉴于当时火区仍未得到完全控制，高温火点随时有可能从联络巷闭墙发展至21集中进风巷，需尽快对该火区进行有效和彻底的治理。

由于白水矿21515工作面火区的位置较为明确，为确保矿井的安全生产，应采用以降温为主的火区治理技术，彻底熄灭火区，防止高温区域自燃或向其它生产区域蔓延。考虑到矿井的实际情况和火区治理的紧迫性，决定采用降温效果好、现场操作简单、速度快的高分子胶体灭火技术对火区进行快速有效地治理。

3、高分子胶体灭火技术

3.1 高分子胶体灭火技术的特点

胶体防灭火技术在煤层自燃火灾防治的应用实践证明，具有如下特点：

①火速度快：由于胶体独特的灭火性能，其灭火速度很快，通常巷道小范围的火仅需几天即可扑灭，工作面后方大范围的火也只需半月左右即可扑灭。

②安全性好：胶体在松散煤体内胶凝固化堵塞漏风通道，故有害气体消失快；在高温下，胶体不会产生大量水蒸汽，不存在水煤气爆炸和水蒸汽伤人危险。

③火区启封时间短：注胶灭火工程实施完，无需等待即可启封火区。

④火区复燃性低：高温区内只要有胶体渗透到的地点都不会复燃。

3.2 高分子胶体灭火装置的组成

3.2.1注胶灭火钻孔快速施工机具

向松散煤体内施工钻孔和下套管一直是煤层火灾治理的难点，快速灭火系统建立的关键是要向火区内压注各类灭火材料，因此，向火区内施工钻孔是火区快速控制技术的核心，施工灭火钻孔存在的问题和难点体现在：

1）施工钻孔过程中常常出现煤渣“卡钻”现象，且原有钻头和钻杆不宜于用来灌浆注胶，废孔率高。

2）向采空区施工钻孔后，抽出钻杆下套管的过程中往往会造成“塌孔”现象，向钻孔里下套管的成功率很小。

3）施工钻孔和下套管的时间长，工序复杂，影响了灭火的进度，常用的钻机体积大，受巷道体积和其它因素影响，不利于运输和安放。

针对上述三个问题，采用一次性成孔快速灭火打钻机具施工注胶灭火钻孔。该机具在煤体和松散煤体内的最大钻进距离不小于50m，主要由岩石电钻、加水器、连接变头、钻杆、钻头、导轨、支承座等部分组成（图1）。钻杆和套管采用一体化设计，钻杆本身就是套管，钻头有效断面大于内径32mm的套管，钻孔施工完成后，可直接进行连管注浆灭火，无需抽出钻杆后，再下套管，减少了施工工序，且避免了塌孔。

1-岩石电钻；2-加水器；3-连接变头；4-钻杆；5-导轨；6-支承座；7-钻头

图1 KHY-50/38钻具结构及组成图

3.2.2 高分子胶体的性能特点

高分子胶体主要由水和MCJ12灭火剂构成，MCJ12高分子胶体灭火剂能使水发生胶凝，形成弹性胶体，脱水率<5%。灭火剂用量<0.8%，成本约260元/m3。

主要用途和性能特点：

①实现水的液固转化，使水在指定地点停留；

②克服注水流失量大、水的利用率和效率低等问题；

③解决凝胶成胶原料运输量大、种类多、现场配比难、受压易开裂等问题；

3.2.3 高分子胶体灭火设备的结构及工作原理

高分子胶体压注机是一种专门将粉状基料按比例分散开撒入水中，并搅拌使之均匀，最终配制成胶体的设备。ZHJ-5/1.8G礦用移动式防灭火注浆装置主要由防爆电机、减速机、螺杆泵、促凝剂及灭火剂定量送料总成、无级调速机、齿轮泵、传动装置、流量计、压力表及管路等组成

3.2.4 注胶工艺流程

注胶工艺流，利用“ZHJ-5/1.8G煤矿用注浆机”，将灭火剂按0.8%以上的比例与水混合后，注入防灭火区域。根据现场情况，灭火剂添加量可由设备自身调节，必要时最大可添加至4%。

4、钻孔施工

自12月31日至1月9日，完成钻孔13个，其中12个钻孔打到设计位置，一个钻孔报废，完成钻孔长度300m。钻孔开孔位置跨度32.8m，终孔位置跨度42.3m。

2010年3月7日，为保证启封工作顺利，从二一集中进风巷向21515工作面进风侧（终孔位置在支架后方20米左右）施工钻孔两个，分别为10.8m和13.2m。

5、21515工作面火区治理效果分析

自2009年1月1日至31日，共灌注高分子灭火剂12吨，成胶量约1000m3。通过采取胶体防灭火技术灌注高分子胶体灭火剂封堵漏风通道、包裹高温煤体对火区进行了快速治理。治理工作完成后，对火区进行了连续观测，采空区指标气体浓度一直比较稳定，2010年1月1日至1月31日火区观察孔CO气体浓度变化曲线见下图，截至2010年4月15日，采空区内指标气体浓度为：O2：4.5%；CO：0；T：23℃。从任何与采空区相连的闭墙均未发现异常情况。

2010年4月15日对工作面启封进行了论证，确定启封条件已经成熟，同时确定了启封时间。在所有启封准备工作完成后于2010年4月24日21515工作面成功启封，之后顺利恢复生产。2010年10月下旬，21515工作面回采顺利结束，工作面撤架工作顺利完成。

6.结论

1）针对密闭区域小范围、火源确定的低瓦斯煤井火灾，高分子胶体灭火技术是快速有效的。

2）高分子胶体灭火剂1～2%的添加比例和其他灭火材料比较，大大节省了运力，适合矿井实际情况。

3）一次成孔钻具便于运输及操作，大大缩短了打钻时间，提高了火区治理工作效率。

参考文献：

[1] 徐精彩，张辛亥，文虎，邓军等.煤层自燃胶体防灭火理论与技术[M]. 煤炭工业出版社，2003

[2] 刘小杰.矿井火灾发生原因与防治技术[J].煤炭技术，2009