高强复合发泡材料在工作面防灭火中的应用

菅跃荣

（山西晋神沙坪煤业有限公司，山西 忻州 034000）

0 引 言

煤炭自燃引起的矿井火灾是我国煤矿井下开采过程中常见的灾害之一，在我国国有重点煤矿中,因煤炭自燃而引起的火灾占矿井火灾总数的90%～94%[1]，而工作面漏风造成采空区内遗煤自燃是煤炭自然发火的主要原因之一，因此，对工作面进行堵漏减少采空区漏风量是防治工作面采空区遗煤自燃的有效手段之一[2-3]。本文以磁窑沟煤矿10202工作面为工程背景，介绍高强复合发泡材料封堵工作面各漏风地点措施，以期减少采空区漏风量，防止采空区发生遗煤自燃引起火灾事故。

1 工作面概况

10202工作面位于磁窑沟煤矿井田东南部，工作面主采10-2号煤层，煤层倾角2°～5°，平均厚度4.0 m，煤层自燃倾向性等级为Ⅱ级，自燃倾向性性质为自燃。受煤层埋深、开采方式、现场生产条件等综合因素影响，10202工作面在回采过程中存在漏风地点主要有工作面上下隅角、相邻工作面采空区裂隙及采空区上覆岩层地表裂隙等，针对以上漏风情况，采取高强复合发泡封堵材料进行封堵，减少采空区漏风。

2 采空区火灾治理原理

采空区煤炭自然发火是由于采空区内遗落的煤炭在一定条件下发生氧化而造成燃烧，其发生自燃必须同时具备3个条件[4-5]，①有持续通风并提供充足的氧气；②空间内容易积聚热量；③煤炭具有自燃倾向。其中条件③是内因，无法采取措施进行改变，因此，控制流通的空气及氧气浓度，减少采空区漏风量是防止采空区煤炭自燃的关键。

煤矿井下通风系统漏风量Q1可用公式计算：

式中：△h为通风系统风路中漏风起点与终点之间的压差，Pa；R1为漏风风路风阻，kg/m7；n为风流流态指数，在层流状态时数值为1，在紊流状态时数值为2，当处于两种状态之间的过渡态时数值处于1～2。

根据式（1）分析可知，要减少或杜绝工作面漏风量，使Q1趋近于0，可通过增大漏风风阻R1值或减小漏风起点与终点之间的压差值△h来实现，如采取注浆封堵漏风或工作面采取均压通风等措施。

3 注浆封堵技术

3.1 注浆封堵材料

注浆封堵材料选用高强复合发泡封堵材料，它是一种含有大量封闭气孔的新型轻质封堵填充材料[6-7]，该材料是利用机械方式将泡沫剂通过发泡机发泡系统进行充分发泡后与水泥浆液混合均匀，然后通过注浆泵和注浆管路输送至施工地点进行浇筑或制成模具，最后在自然养护后形成的。其主要特点是能够在混泥土内部形成大量封闭泡沫气孔，从而减轻混泥土重量，并具有堵漏性能。

3.2 发泡封堵材料主要技术指标

选用的高强度复合发泡封堵材料的主要技术指标为：①发泡倍数需达到5～10倍；②适用的环境温度为15°以上；③浆液流动时长为10～30 min，在90～200 min内可凝固成型（时间可控制调节）；④发泡封堵材料发泡膨胀体积适中，封堵密闭性能好；⑤对采空区漏风区域封堵密闭效果好，封堵质量高，达到无漏风、渗水要求；⑥发泡材料与封堵区域的煤壁或矸石之间有良好的湿润附着能力；⑦材料具有阻燃性；⑧封堵材料抗压和抗拉伸强度高，抗压强度不低于0.3 MPa；⑨施工操作简单、便捷，性价比高。

3.3 工作面采空区及上下隅角注浆封堵技术

因高强度复合硅酸盐发泡材料膨具有胀性能良好、性价比、用量少、抗静电、阻燃性能高、施工操作简单等优点[8]，选用该发泡材料对工作面上下隅角、采空区漏风地点及横川进行充填密闭，快速封堵防止漏风，有效减少或杜绝采空区漏风，从而缩短了采空区氧化带。

为防止在工作面回采过后其采空区后方横川出现漏风现象，利用高强度复合发泡封堵系统，对横川使用袋墙构筑密闭框架后使用高强度发泡混泥土构筑堵漏强进行密闭封堵。高强度发泡材料形成的墙体不仅能够对漏风地点起到堵漏作用，其高强度性能还能够起到支撑顶板、增强煤柱支撑顶板能力的作用，具有很好的实用性能。

3.4 施工工艺流程

3.4.1 系统装备及材料

高强复合发泡系统装备主要由注浆泵、注浆管、搅拌机、空气压缩机和计量磅等组成。高强复合发泡材料主要由高强水泥、调凝剂、复合发泡剂及其他辅料等构成。试验发泡产生的效果及形成的成型效果如图1、图2所示。

图1 发泡材料发泡试验效果Fig.1 Effect diagram of foaming test foaming materials

图2 发泡材料成型效果Fig.2 Forming effect diagram of foaming material

3.4.2 施工工艺流程

采用高强复合发泡材料对工作面采空区漏风进行封堵密闭时，其浆液配制及注浆施工工艺流程如图3所示。

图3 高强复合发泡材料封堵密闭施工工艺流程Fig.3 Sealing construction process of high strength composite foam material

4 应用效果分析

4.1 检测方法

为检测工作面采空区封堵效果，采用示踪技术对工作面采空区漏风量进行测量，其基本原理是利用示踪气体质量守恒原理，即利用恒流释放装置放出示踪气体，在已知释放的示踪气体浓度和流量的情况下，在巷道风流下风侧设置多个气体采集点，通过SF6气体检测仪对巷道风流中的示踪气体浓度进行检测，若检测到示踪气体浓度恒定不变，则表明通风线路沿途未出现漏风现象；若检测到示踪气体浓度呈现下降趋势，则表明沿途有漏风现象。通过对前后风流中气体浓度的对比分析，利用公式（2）计算得出沿途漏风量，并找出沿途各地点漏风规律。

式中：△Q为两采集点之间沿途漏风量；QA、QB分别为采样点A和采样点B处的风量；q为示踪气体初始释放时的速率；CA、CB分别为采样点A和采样点B处示踪气体浓度。

4.2 现场检测方案

根据10202工作面巷道布置及现场通风系统实际情况，在工作面采空区及回风巷共计布置5个示踪气体采集点和1个SF6示踪气体释放点，采样点布置情况如图4所示。

图4 1 0202工作面漏风量采样点布置示意Fig.4 Layout of Air Leakage Sampling Points in 10202 Working Face

SF6示踪气体释放点设置工作面，该位置距工作面进风巷口50 m左右，气体连续释放的流量设置为200 mL/min，在工作面距离气体释放点下风流侧50 m处设置第1个采样点，随后每间隔30 m设置1个采样点，共在工作面布置4个采样点，在工作面回风巷距工作面50 m处再布置1个采样点。在SF6气体释放30 min后开始从第1个采样点向下依次采集检测气体浓度。

4.3 检测结果分析

按照上述现场气体检测方案，采用GC-4000A型气象色谱仪对各测点的气体浓度进行检测，并利用公式（3）计算出工作面漏风量和漏风率，具体情况见表1，对进入工作面采空区后又流出的风量测定结果见表2。

表1 10202工作面各采样点处SF6气体测定浓度Table 1 Determination of SF6 gas concentration at each sampling point of 10202 working face

表2 工作面各区段风量测定结果Table 2 Measurement results of air volume in each section of working face

式中：q为示踪气体释放速率，mL/min；αi为工作面第i段处的漏风率，%；Ci+1为各采样点处检测的示踪气体浓度，%；Q为工作面总进风量，m3/min。

根据表2数据分析可知，工作面漏风量表现为中部区段大，向外逐渐减小现象，这主要是因为工作面中部区域比两端头空间区域的负压大，漏入到工作面采空区内的风流从工作面中部流出，但工作面风流沿程整体漏风量由原来的130 m3/min下降至64 m3/min，地表裂缝漏风量由原来的95 m3/min降低至25 m3/min；采取堵漏措施后，增加了采空区后方风阻，从而延长了工作面漏风区段的长度，由此表明工作面采用高强度复合发泡封堵材料进行堵漏后，能够有效减少采空区漏风量，对采空区遗煤自燃起到很好的抑制作用。

5 结 语

磁窑沟煤矿10202工作面通过采用高强度复合发泡材料对工作面通风系统沿程漏风地点进行封堵后，相比采取措施前采空区漏风量大幅度降低，工作面风流沿程整体漏风量由原来的130 m3/min下降至64 m3/min，地表裂缝漏风量由原来的95 m3/min降低至25 m3/min，有效抑制工作面采空区遗煤氧化自燃，对工作面采空区火灾防治起到了良好的效果，为类似条件下矿井火灾防治提供了技术参考，具有一定的推广应用价值。