馬中飛  教授級高工(江蘇大學)  朱慶華  高級工程師(徐州礦務集團張集煤礦)
學科分類與代碼：620．3010
[摘  要]  高分子復混溶脹膠體材料具有固水性強、脫水緩慢、脫水后遇水可再生、與煤粘附性強、能形成焦化層、流動性和滲透性好及無毒、無味、無腐蝕、高溫無煙等特性。長期以來，半前進式工作面防治煤炭自燃技術措施中，一直未采用高分子復混溶脹膠體材料。徐州礦務集團公司張集礦在自燃煤層的7423工作面半前進式開采中，采用了高分子復混溶脹膠體材料封堵沿空留巷漏風、噴灑覆蓋采空區遺煤、封閉聯絡巷道等為主的綜合防滅火
技術與措施，取得了良好的效果，采空區漏風串降到4．35％，工作面開采期間杜絕了煤炭自燃隱患的出現，因此，高分子復混溶脹膠體材料防治半前進式工作面煤炭自燃技術是成功的。
    [關鍵詞]  高分子復混溶脹膠體材料  半前進式工作面  防治煤炭自燃
Study On Controlling Coal Spontaneous Combustion at Semi—progressive Working Face by Macromolecular Mixed Soluble Expansive Colloidal Material
Ma Zhongfei，Prof (JiangsuUniversity)    Zhu Qinghua，Senior Engineer (Xuzhou Coal Mine Group Corp．Zhangji Coal Mine)
Abstract：Macromolecular mixed soluble-expansive colloidal-material has characteristics of strong hydration，slow dehydration，regenerative with water after dehydration，strongly adhesive to coal，easily to form coke-like layer，good fluidity and permeability，non-toxic，odorless，  non-corrosive，and smokeless under high temperature．For a long time，this material has not been applied in the technical measures for controlling coal spontaneous combustion at semi-progressive working face. As a result the control effect on spontaneous combustion is not good．When this material is used to seal the coal seam on spontaneous combustion at #7423 semi-progressive working face of Zhangji Coal mine，to cover the residual coal，and to seal Off connecting tunnels，favorable outcome is obtained．The golf leakage drops to 4．35％．The hidden danger Of spontaneous combustion of coal is eliminated. It proves that this material could be successfully used in controlling the spontaneous combustion at semi-progressive working face．
Key words：Macromolecular mixed soluble expansive colloidal material  Semi-progressive working face Spontaneous combustion control
1  引言
    半前進式采煤工作面系指“Z”形通風系統的回采工作面，其進風平巷或回風平巷為沿空留巷。進、回風平巷的風流方向相同，如用常規手段，必然造成供給工作面的風流通過沿空留巷漏向采空區，其防治煤炭自燃難度非常大。高分子化合物是指分子量很高的化合物，它有許多特殊性能，如溶液粘度高，通常只能呈粘稠的液態或固態，脫水后可再生等。2002年，徐州礦務集團張集煤礦，因接續緊張而在7423面采用了半前進式采煤法，筆者利用高分子化合物的特殊性能，研制了高分子復混溶脹膠體材料，并在該面采取以使用高分子復混溶脹膠體材料為主的綜合防滅火技術與措施，取得了良好的效果。
2  張集煤礦及7423面概況
    張集煤礦改擴建生產能力為90萬噸，主要開采山西組7層煤、9層煤，礦井開拓方式為立井多水平開拓，現生產水平為—700m水平，生產的采區有東一、東二及西三采區，礦井通風方式為兩翼對角式，采煤方法主要采取后退式開采，落煤工藝有綜采和炮采兩種，全部跨落法管理頂板。礦井因發生過煤和瓦斯突出現象，于2001年下半年被定為煤和瓦斯突出礦井，9—’煤層為突出煤層，當前生產的西三、東二采區煤層瓦斯含量較高，瓦斯涌出量為0．4～18m3／min，東一采區瓦斯含量較低；煤塵有煤塵爆炸危險，爆炸指數為29．42％～38．99％；主采的7層煤、9層煤均有自燃發火傾向性，屬自燃煤層。1990年以來，礦井因多種原因發生過5次自燃發火現象，其中，7層煤3次，9層煤2次。
7423工作面位于張集礦—700m東一采區，該工作面回采的7—’煤層厚度平均3～4m，工作面走向長500m，傾斜長143—205m，煤炭具有自然發火傾向，屬自燃煤層，煤炭自然發火期為3～6個月，通過實驗，該面煤炭低溫氧化特性主要是：CO和C2H6在整個氧化階段均出現，其濃度隨溫度的升高而升高；C2H4出現溫度為90℃，可作為自燃溫度的指標。該面瓦斯涌出較小，回采時的瓦斯涌出量為1．5m3／min。工作面采用半前進式回采工藝，綜合機械化采煤方法，全部冒落法管理頂板，工作面皮帶機道沿空留巷，材料道沿煤層實體布置，工作面通風系統為“Z”形，材料道進風，皮帶機道回風，工作面供風量877m3／min。3  高分子復混溶脹膠體材料防治煤炭自燃技術
3．1高分子復混溶脹膠體材料配制及防滅火特性、機理分析
    配制的防治煤炭自燃用高分子復混溶脹膠體材料由聚丙烯酸類、聚丙烯腈等為主的高分子聚合物添加適量的阻燃劑、促焦劑、消煙劑、成模劑而成。經實驗和分析，它具有如下特征：
    (1)水份進入分子結構中，形成堅固的三維網狀結構，固水性強，脫水緩慢，脫水后遇水可再生，有效期長，克服了傳統方法漿體或膠體易失水干裂而出現漏風反復現象；
    (2)與煤有較強的粘附性(掛壁性)；
    (3)能形成焦化層，隔氧阻燃功能好；
    (4)具有破壞燃燒自由基的功能；
    (5)吸水后呈粘稠的塑性體，有良好的流動性和滲透性，膠體粘度調節方便，不會堵管；
    (6)無毒、無味、無腐蝕、無煙性，克服了低分子凝膠成份的環境污染性、人體損害性、腐蝕性、有煙性。
    其防滅火機理是高分子復混溶脹膠體材料與水均勻混合后，吸水膨脹為高分子復1昆溶脹膠體(屬彈性凝膠)，當高分子復混溶脹膠體滲透到煤和巖石裂隙時，該膠體充填包裹松散破碎煤(巖)體，使煤體形成隔氧阻化層，隔絕煤同氧氣的接觸。其防滅火過程為：高分子復混溶脹膠體包裹尚未氧化的煤炭時，大大地延緩了煤炭的氧化；遇到煤炭自燃的高溫時，該膠體一方面不斷被汽化，一方面高強度吸熱，減緩了氧化反應，稀釋了凝相區釋出的可燃氣體的濃度；遇到溫度達250~C以上的凝聚相區時，產生大量的膨脹氣泡層包裹覆蓋在煤體
表面，使軟化膨脹的煤體表面產生一層蜂窩狀焦化層，達到隔熱隔氣的功效。
3．2  高分子復混溶脹膠體材料封堵沿空留巷漏風技術與措施
7423工作面通風防滅火系統見圖1。
    沿空留巷堵漏風措施由沿空留巷巷旁支護墻和高分子復混溶脹灰膠帶組成，如圖2所示。巷旁支護墻在皮帶機道沿空留巷采空區側進行，巷旁支護墻由碎煤和水泥按一定比例混合后砌成，墻體斷面為梯形，上窄下寬，平均墻寬為2m，墻高4m左右，砌墻工作納入工作面循環作業中，墻體緊跟工作面液壓支架，及時進行砌墻支護。高分子復混溶脹灰膠帶位于巷旁支護墻的采空區側，高度略大于巷旁支護墻高度，沿傾斜方向寬度為3～5m，它．由電廠的粉煤灰和高分子復混溶脹膠體材料在工作面皮帶機道外口的注漿站按一定配比制成灰漿后，通過泥漿泵及注漿系統灌注到巷旁支護墻側形成。高分子灰膠的成份配比，即粉煤灰：高分子復混溶脹膠體材料：水的比例為0．7：0．002：0．8。
注漿站建在東一軌道下山與皮帶下山聯絡巷內，漿池規格為2mx2mX2m，注漿泵為NBB一250／6型泥漿泵，注漿管路直徑為50mm，沿7423皮帶機道沿空留巷巷旁支護墻上有每6m預留的注漿管，注漿工作在工作面整修班進行，每班4～5人，分別負責制漿、開泵、接管路、注漿等工作。
3．3  高分子復混溶脹膠體材料噴灑采空區遺煤技術與措施
    為防止采空區遺煤的煤炭自燃，向采空區噴灑高分子復混溶脹膠體材料。噴灑方法是，用高分子復混溶脹膠體材料按1：160的比例加水，制成混合液，每平方米噴灑10kg混合液。在工作面整修班，用農用噴霧器，接直徑為4分的膠管，向采空區噴灑防滅火高分子復混溶脹膠體材料。
3．4  高分子復混溶脹膠體材料封閉聯絡巷道技術與措施
    (1)在7423工作面的材料道和聯絡巷內砌筑雙墻加泥漿塞的防火墻(具體位置如圖1所示)，防止向采空區漏風；泥漿由粉煤灰、高分子復混溶脹膠體材料按0．7：0．002加80％的水構成。
    (2)用高分子復混溶脹膠體作為封堵劑封堵7423工作面材料道的回風小井。即在小井下口巷道內用密棚把小井下口封住，然后，先用浮煤、浮矸加高分子復混溶脹膠體材料作封堵劑(水灰按30：1的比例)在小井下部充填一層2m厚的密封層，再充填矸石或浮煤等；在小井上口留出2m，再充填一層密封層。
3．5  其他配套措施
    (1)加快工作面推進，保證工作面月推進度不低于50m。
    (2)從回采工藝上采取措施，提高工作面煤炭回收率。
    (3)工作面開始生產后，及時對7423工作面的材料道外段進行封閉。   
    (4)巷旁支護墻始終緊跟工作面支架，防止風流從支架背后向采空區流風。
    (5)進行工作面沿空留巷巷旁支護時，嚴格按回采作業規程規定的要求施工，巷旁支護墻體高度、寬度符合有關規定和要求，并每隔6m在墻體內預埋一根5m長的2時鋼管，用于采空區的注漿。
    (6)采空區噴灑高分子復混溶脹膠體時，嚴格按措施要求，對規定范圍采空區內全面噴灑，確保防滅火效果。
    (7)由于工作面沿推進方向是下山布置，在工作面皮帶機道內建立了可靠的排水系統，防止采空區出水淹埋巷道。
    (8)對7423面皮帶機道經常進行清理、維護，防止巷道失修、通風斷面變小，減少向采空區的漏風。
    (9)當班的采空區注漿工作結束前，注漿施工負責人始終能夠按要求安排人員用清水沖洗注漿管路，防止了管路被泥漿堵塞。
    (10)嚴格按查火制度，每周對7423212作面的上隅角、回風流和防火墻內外的CH4，C02，CO氣體濃度和溫度等情況進行一次全面的檢查，發現問題，及時匯報處理，防止發生自燃發火事故。
    (11)加強對該地區的通風設施管理，對進回風聯絡巷內的風門，安排專人看管，保證通風系統的穩定、可靠。
4  防滅火效果
4．1防火堵漏效果
為測定防火堵漏效果，于2002年9月，采用了SF6示蹤氣體法測定。SF6示蹤氣體釋放點在工作面進風側5m和回風側5m處，取樣點在皮帶機道，每100m設置一個，共布置5個。定點、定量釋放純SF6示蹤氣體30rain后，在上述5個采樣點同時采集氣樣。然后分析各采樣點的SF6濃度，并計算漏風量，計算結果如下表所示。不難看出，工作面總漏風率為4．35％，說明防火堵漏效果較好。
防火堵漏風效果測定表
┌─────┬────┬─────┬────┬────┬────┬────┐
│  項目    │采樣點1 │采樣點2   │采樣點3 │采樣點4 │采樣點5 │備  注  │
├─────┼────┼─────┼────┼────┼────┼────┤
│SF6濃度   │        │          │        │        │        │        │
│  (ppm)   │0．088 1│0．086 7  │0．086 0│0．085 5│0．084 6│        │
├─────┼────┼─────┼────┼────┼────┤        │
│  風量    │        │          │        │        │        │        │
│(m3／m[n) │841．9  │856．1    │862．3  │867．7  │  877   │7423面  │
│          │        │          │        │        │        │總風量  │
├─────┼────┼─────┼────┼────┼────┤        │
│  漏風量  │        │          │        │        │        │為877   │
│(m3／min) │        │    14．2 │    6．2│    5．4│    9．3│        │
│          │        │          │        │        │        │m~／min │
├─────┼────┴─────┴────┴────┴────┤        │
│總漏風量  │                                                  │(風速蓑 │
│          │    35．1                                         │測定)   │
│(m3／min) │                                                  │        │
├─────┼─────────────────────────┤        │
│總漏風率  │    ^                                             │        │
│          │    4．35                                         │        │
│    (％)  │                                                  │        │
└─────┴─────────────────────────┴────┘
4．2  煤炭自燃防治效果
    7423面自2002年3月22日開始回采，通過采取高分子復混溶脹膠體材料為主的綜合防滅火技術措施，至2002年11月28日回采結束為止，杜絕了煤炭自燃隱患的出現，使該面安全回采煤炭46．9萬噸，而且緩解了礦井生產接續緊張的局面，贏得了生產主動·的局面，取得了良好的社會經濟效益，有力地促進了礦井安全生產。
5  結  論
    理論結合實際，采用高分子復混溶脹膠體材料成功地防治張集礦7423面半前進式開采的煤炭自燃事故，保障了安全生產。該材料表明：高分子復混溶脹膠體材料具有固水性強、脫水緩慢、脫水后遇水可再生、與煤粘附性強、能形成焦化層、流動性和滲透性好及無毒、無味、無腐蝕、高溫無煙等特性。它改變了半前進式開采的煤炭自燃防治效果差的狀況。這也說明，在類似條件下，只要采取以高分子復混溶脹膠體材料為主的煤炭自燃綜合防治技術措施，采用半前進式開采方法是可行的。
(收稿：2002年12月；第一作者地址：江蘇省鎮江市學府路301號；江蘇大學生物與環境工程學院安全工程系；郵編：212013；第二作者地址：江蘇省徐州市；徐州礦務集團張集煤礦；郵編：221147)
參考文獻
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