摘要：我国煤炭资源丰富，煤炭自燃是是制约我国煤炭产业发展的重要因素，是矿井火灾的主要体现形式，且其中60%以上发生在采空区。煤自燃产生的有毒、有害气体是矿井作业人员一大威胁，可能引起瓦斯、煤尘爆炸，给矿井带来巨大经济及人员损失。根据超高水材料具有高结晶水、凝结时间可调、渗透性强、凝结体强度大、对于煤体的湿润性以及惰化性强等特性，采用超高水材料综合防灭火技术成功抑制采空区引起的煤炭自燃，显著降低了工作面架间及回风流CO等火灾气体的浓度，保证了工作面安全推采。
关键词：超高水材料；力学特性；煤炭自燃
补连塔煤矿位于内蒙古自治区鄂尔多斯市伊金霍洛旗境内，主采煤层属Ⅰ类易自燃发火煤层，因矿区煤层埋藏浅、层间距小，受采动影响12煤采空区与22煤采空区相连通，极易发生煤自燃火灾，并且由于邻近层已经被开采，采空区的漏风通道相对更加复杂，为采空区火灾的防治带来很大的困难。超高水材料最初作为采空区充填材料而被广泛的应用，由于其具有很好的防灭火性能，因此在治理复杂条件下采空区煤炭自然发火，同样也具有非常好的效果。
一、煤层概况
该煤矿煤层变质程度低，挥发分较高，为Ⅰ级容易自燃煤层，自然发火期为一个月左右。综采工作面两顺槽均沿煤层倾向布置，工作面沿煤层走向布置，推进长度4500m，工作面切眼300m，煤层倾角1-30，煤层厚度6.97-7.32m，平均厚度7.07m。煤层底板起伏不大，标高为1076-1090m，煤层推进主要以正坡为主，多部分地段为运顺高回顺低。工作面布置主、辅两个切眼，主、辅切眼间距100m。
二、超高水材料的防灭火特性及机理
1、超高水材料的防灭火特性
1)高结晶水特性，目前超高水材料水体积分数可达到95%-98%，形成的机理是组成尽可能多的钙矾石。钙矾石的分子式为3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O，水占分子量的46%。钙矾石在合理配比的含水溶液中，能够形成较强的结晶能力，形成针状和网状结构，这些针状、网状结构之间存在很大的孔隙，可以固结更多含量的水分。在受压情况下，其固结含水量仍然占重量70%左右，加上其自身含水量，水体积比在95%以上。与此同时，在超高水材料制备成浆液过程中伴随产生C－S－H胶体以及铝胶，这部分介质也具有高固水特性。
2)超高水材料做为一种新型的防灭火材料，具有早强、速凝的特点，同时凝结时间主要受水体积含量和复合添加剂含量的影响。
3)渗透性强且凝结体具有足够强度。超高水材料水体积含量都是95%以上，最高可达到98%，浆液的流动性非常强。超高水材料最初发明便是应用于采空区充填，因此其具有足够的强度。
4)超高水材料含水量在95%以上，湿润性与水相当，当超高水材料注入煤体后，注浆口附近浆液积聚，能够浸湿全部煤体，随着浆液向深部煤体的漫延，由于压力的下降，主要依靠浆液的渗透性润湿、沾湿煤体表面。当超高水材料浆液在煤体表面流速减慢后，随着煤体表面分子对浆液分子的束缚力大于液体分子流动的作用力，液体分子会向固液界面集结，吸附在煤体表面，形成一层较厚的液膜，惰化煤体表面结构，隔绝氧气。
2、超高水材料的防灭火机理。超高水注浆材料中水体积分数在95%以上，注浆前，浆液温度与外界温度基本一致，都比较低，然而火区温度较高，二者温差很大，因此，向火区内注入大量超高水浆液后，浆液温度会升高形成水蒸气，带走火区大量热量，导致火区温度急剧下降，从而降低煤的氧化活性和氧化速率，产热量显著降低。另外注浆后增强了煤体内外的热量交换，使散热速率逐渐大于氧化产热速率，煤温迅速降低，最终熄灭。超高水材料浆液具有成膜性和湿润性，在大量浆液注入自燃煤体后，浆液将流经的煤颗粒湿润，然后形成一层膜将分散的煤颗粒包裹，隔绝氧气，同时浆液会充填于煤体颗粒间的裂隙，浆液初凝后，堵塞煤体表面漏风裂隙，有效阻止氧气进入煤体内部。另一方面，超高水材料具有较强的注浆堵漏功能，在煤层漏风区域，可实现密实充填，切断氧气通道，有效控制漏风，彻底隔绝煤与氧气的接触。
三、防灭火方案
1、超高水材料的灌注范围。为实现超高水材料能够覆盖整个采空区，需要通过多种方式进行灌注，主要包括方式:通过高位钻孔和工作面两端头预埋的管路向采空区注入超高水材料方式。
1)高位钻孔灌注超高水材料。根据22三盘区工作面底板标高及巷道布置情况，通过地面钻孔将注浆管路引至22煤辅运大巷至各工作面回风顺槽。通过各回顺联巷预留管路实施注浆。同时在12煤上覆采空区对应的地表位置向12煤采空区切眼区域施工钻孔4个（钻孔设计原则：①尽量减少钻孔施工数量②12311切眼硐室距后帮大于3米位置和两线与切眼交叉处对应地表施工，将整个工作面全部包围，确保浆液覆盖效果③现场地表实际勘测，满足钻孔施工要求），钻孔内全程下套管，通过钻孔向采空区内注超高水材料封堵采空区空间。有利于阻止支架后方20m范围内的煤体被氧化，从而阻断采空区火情向工作面发展。
2)两端头埋管灌注超高水材料。22煤煤层工作面平均倾角为1-3°，因此沿工作面两端头埋管注浆，可以很好的向采空区流动，可是小倾角很容易让大量浆液流至采空区两端，超高水材料的凝结时间可以进行调节，因此通过调整添加剂的比例，加速凝结，很好的解决了浆液流失的问题。两端头所埋管路的管口位置在架后20m的位置，通过该管路注浆可以覆盖该区域内的大部分煤体。
2、超高水材料的灌注工艺。首先在搅拌机中，将一定比例的水与超高水材料混合形成浆体，一般要求在搅拌机中先放适量水，然后放入高水材料浆液配比为2.5∶1，A料与AA料配比为10∶1，B料与BB料配比为25∶1，分别在1#、2#搅拌容器中形成浆液后，通过充填泵、管路输送到采空区内，流入到相应的地点，完成对采空区的充填工作，工艺非常简单。
3、防灭火效果分析
通过上隅角和高位钻孔向采空区内灌注超高水材料，在架后20m左右范围内形成了隔离带，大量的超高水材料在该区域内堆积，封堵了采空区内部分漏风通道;减少了采空区的漏风量，由于其含水量高达95%，覆盖在煤体表面，降低了该区域的温度，减缓了煤体氧化速度，有效的缩短了氧化带宽度;在工作面下部超高水材料封堵了相邻采空区的部分外部通道，增加了外部漏风的通风阻力，有效的减少了外部漏风量，从而抑制了采空区煤炭的自燃。通过对井下密闭、管路及地面钻孔检查发现，采空区内温度、气体等煤炭自然发火指标均恢复正常，防灭火效果较好。通过采样分析后Ｏ２浓度均低于5%以下，在采取注超高水防灭火措施后，回风流CO浓度逐渐降低至24×10－6以下，随后保持基本稳定。
结论
通过研究神东补连塔矿22煤大采高综采工作面采空区煤炭自燃特点，提出了超高水材料防灭火技术在特厚煤层综采工作面中的应用，该技术适用于开采深度较浅，地质条件较为简单的综采工作面在回采期间的防灭火。采用该技术后，超高水材料有效地覆盖了架后20m左右区域内的煤体，减缓了该区域内煤体的氧化速度，有效缩短了采空区氧化带宽度;封堵了采空区内的大量漏风通道，从而增加了漏风通道的通风阻力，减少了向采空区的漏风量。
参考文献：
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［2］冯光明．超高水充填材料及其充填开采技术研究与应用［D］．徐州:中国矿业大学，2012．
［3］丁玉，朱红菊．矿用超高水充填材料及其结构的实验研究［J］．中国矿业大学学报，2012，39(6):89．
论文作者:张虎
论文发表刊物:《防护工程》2018年第21期
论文发表时间:2018/11/12
标签：采空区论文; 浆液论文; 材料论文; 工作面论文; 煤层论文; 高水论文; 钻孔论文; 《防护工程》2018年第21期论文;