兗礦綜合機械化放頂煤工作麵煤層自然發火防治技術
我國煤層自然發火情況嚴重，據統計國有重點煤礦中大約有56%的礦井存在煤層自然發火危險，而特厚煤層開采自然發火更為嚴重。近年來，隨著我國特厚煤層綜采放頂煤技術的試驗和推廣，煤炭的產量和效益大幅度提高，日產原煤高達1.0－1.6萬t，日產值達200多萬元，工作麵設備投資在4000－5000萬元，年產500萬t的礦井基本上可實現一礦一麵，確保工作麵安全生產顯得尤為重要。但這種采煤法的開采強度大、采空區遺留殘煤多、冒落高度大、漏風嚴重，隨之出現了難以解決的火災、瓦斯、粉塵等一係列問題。據統計，我國煤礦有50%以上的綜采放頂煤工作麵存在著自然發火危險，嚴重威脅著礦井的安全生產。因此，防滅火技術的研究工作也是綜放工作麵安全生產的關鍵之一。
1、我國煤層自然發火防治技術概況
1.1防滅火技術
20世紀50年代我國開始研究並在煤礦推廣黃泥灌漿防滅火技術，60-70年代研究阻化劑防火、均壓通風、高倍數泡沫滅火等技術，80－90年代研究礦井自然發火預測係統、惰氣防滅火、快速高效堵漏風、帶式輸送機火災防治等技術，並逐步形成適應普通采煤法和高產高效采煤法的綜合防滅火技術。目前我國煤礦煤層開采時期采用的火災防治技術措施，從總體上說有惰化、阻燃、堵漏、降溫及其綜合防治技術，共同發揮作用來實現防滅火的目的。
1.1.1惰化防滅火技術
惰化技術主要是指將惰性氣體送入擬處理區，抑製煤自燃的技術。主要用在當發生外因火災或因煤自燃火災而導致的封閉區。我國研製了燃油型DQ－150、DQ－1000型惰氣發生裝置，裝備了我國煤礦救護隊，成為滅火救災的重要設備。此外還研製了BGP－200型高倍發泡機以及YZWP－180型惰泡發生裝置。
近年來，注氮防滅火技術已在我國煤礦迅速推廣應用。除部分煤礦用深冷固定製氮機組和管輸下井注氮係統外，有些礦井開始裝備近年來新研製的地麵移動式碳分子篩變壓吸附製氮機組（BXND－500型、KYZD－800型）、井下移動變壓吸附製氮機組（JXZD－400)、膜分離製氮機組（KMDS－600型）等。由束管監測係統連續監測測定，確定采空區氧化、自燃、窒息三帶寬度後，用埋管或打鑽向采空區自燃帶連續注氮，惰化自燃帶，達到防火的目的。在撲滅巷道火災中，建臨時密閉後，向封閉區注氮氣，使火區氣體氧濃度降至10%以下可滅明火，降至1％－2%可快速滅火，燃燒深度大的火源，注氮量應達到火區體積的2－3倍。
1.1.2阻燃物質防滅火技術
阻燃物質防滅火技術主要是指將一些阻燃物質送入擬處理區，從而達到防滅火目的。除已作為常規防滅火措施使用的黃泥漿外，近年來發展起來的有粉煤灰、頁岩泥漿、選煤廠尾礦漿、阻化劑和阻化泥漿等，已經得到較廣泛的應用。
1.1.3堵漏風防滅火技術
工作麵推過後，及時封閉和采空區相連通的巷道、無煤柱工作麵順槽巷旁充填隔離帶、隔離煤柱裂隙注漿堵漏風等均屬於堵漏風防滅火。我國近年研究了雙料型高水速凝充填料和液壓快速注漿設備，並進行了無煤柱工作麵順槽巷旁充填隔離帶的試驗，已獲成功。還研製了KBJ一100/5, KBJ一50/3型速凝粉煤灰漿設備和注漿工藝，灰漿輸送距離達800m，用於構築永久密閉、煤壁裂隙、巷道高冒區灌注、膠結等作業。該設備和材料還可用於快速構築密閉。
1.1.4災變時期風流穩定、控製及救災指揮技術
我國研究火災時期風流穩定性和風流控製還處於建立物理數學模式進行通風網路解算和災變風流模擬的階段，未達到實用化階段。近年來還開展了救災專家係統的研究，試圖將眾多防滅火專家的技術經驗，經計算機軟件形成人工智能，組成救災專家決策係統，以便在各火災發生時快速選擇救災方案，避免人為因素的片麵性。由於該研究的工作量大、難度大，還沒有正規產品間世。自動防火監控風門、自控防火水幕也是開發研究的內容，已達實用化階段。
1.2火災的預測預報技術
1.2.1煤自然發火危險性的判定
20世紀80年代前，煤自然發火危險性的判定沿用前蘇聯的著火溫度法鑒定煤自然發火傾向，其結果和開采後證實的情況基本相符，但對於高硫煤差異較大。
近年來，研究色譜動態吸氧法測定吸氧量和吸氧速度，判定自然發火傾向，並研製了ZRJ－1型色譜自燃性測定儀，在煤礦已推廣使用。
在研究煤的自然發火期及其影響因素中，近年來采用了2種技術途徑：一是用煤堆實驗裝置在模擬條件下測定並解算發火期；二是測定煤的吸氧速度、氧化反應速度，以熱傳導及熱平衡原理推算最短自然發火期，並結合地質、開采、通風等影響因素的修正係數確定煤的發火期。
1.2.2自然發火預測預報
(1)預測預報指標
過去礦井火災預測預報指標主要采用CO，但最新研究表明CO已不是在任何情況下都可作為惟一的和最靈敏可靠的判別煤自燃火災的指標。最新的研究結果為：使用CO、C2H4及C2H23個指標，綜合地將煤自然發火分為3個階段：①礦井風流中出現10-6級CO時的緩慢氧化階段；②出現10-6級CO和C2H4時的加速氧化階段；③出現10-6級CO、C2H4和C2H2的激烈氧化階段，此時即將出現明火。應用這3個指標，不僅可預測火災，而且還可判別其階段，據此而采取不同的防滅火技術措施。本項技術已在較多礦井中得到應用，但對不同的煤層必須分別進行模擬實驗，優選其指標的具體應用值，才能正確地應用該項技術。
(2)預測預報手段
預報自然發火的手段，在20世紀70年代前是用井下人工采氣樣、地麵儀器03manbetx
，並結合溫度檢測和人的感知來判斷發火危險性。80年代煤礦普及氣相色譜03manbetx
方法，並研究應用束管監測係統抽吸井下氣體、地麵集中03manbetx
、微機自動數據處理和預報自然發火。束管監測係統已成為工作麵自然發火預報和采空區注氮防火的主要監測手段。
1.2.3外因火災檢測係統
我國煤礦近年曾發生膠帶輸送機或機電硐室火災，並造成重大經濟損失或人員重大傷亡。為此，近年相繼開發出幾種裝置和儀器設備，如煤炭科學研究總院重慶分院研製開發的KHJ－1型礦井火災監控係統及自動滅火裝置以及MPZ－1A型膠帶輸送機自動滅火裝置，它們由速差、溫度、煙霧、紫外線、熱敏電纜等5種傳感器和電源控製箱聯接，控製箱由單片微機實現監測控製、智能判斷、控製噴灑泡沫或水噴霧滅火，為我國煤礦外因火災的預測預報及防治增添了新的手段和能力。這些係統都是我國自己研製開發的產品，適應我國的具體情況，可供有關礦井選用。
2、煤層自然發火機理
2.1煤體自燃的起因和過程
煤自燃的發生和發展是一個極其複雜的動態變化的物理化學過程，其實質就是一個緩慢地自動放熱升溫最後引起燃燒的過程。該過程的關鍵有兩點：一是熱量的自發產生；二是熱量的逐漸積聚。
導致煤在常溫下產生熱量的因素很多，如水對煤的潤濕熱、煤分子的水解熱、煤中含硫礦物質水解及氧化熱、煤中細菌作用放出的熱量、煤對氧的物理吸附熱、煤對氧的化學吸附熱以及煤與氧的化學反應熱等等。這些因素對於煤體自發產生熱量都起著一定的積極作用，在某些條件下甚至是決定性的作用。但大量的研究工作發現煤的自燃主要是由煤氧複合作用放出熱量而引起，煤與空氣接觸後首先發生煤體對氧的物理吸附，之後又發生煤氧化學吸附和化學反應。
導致煤體自燃除熱量的自發產生之外，另一關鍵要素就是自發產生的熱量被逐漸積聚。煤體自燃所需熱量的積聚不但與煤氧複合作用放出熱量有關，還與煤體的散熱條件有關。實際條件下，煤體的放熱與煤體表麵活性結構種類和數量、煤體的溫度、氧氣濃度等因素有關；自燃煤體的散熱條件則主要包括煤體的空隙率、漏風強度以及周圍環境的溫度等。當煤體的放熱量大於煤體的散熱量時，煤體熱量被積聚，煤體溫度上升；當煤體放熱量小於散熱量時，則煤體溫度保持穩定。煤體熱量積聚過程，也就是煤體自然的發展過程，而自燃正是煤體放熱與散熱這對矛盾運動發展過程的結果之一。
綜上所述，煤自然發火主要是由空氣滲透進入鬆散煤體，空氣中的氧與煤分子表麵的活性結構接觸，發生物理吸附、化學吸附及化學反應，同時放出熱量，在一定的蓄熱環境下，煤體不斷地氧化、放熱、升溫，當煤溫超過臨界溫度後，煤體繼續升溫，達到煤的著火點溫度，最終導致煤體燃燒。
巷道在掘進過程中，煤體暴露於新鮮空氣中，在采動壓力作用下受壓而破碎、離層，風流在各種動力作用下滲透進入煤體，使煤體氧化放熱。當煤體放熱速率大於周圍環境散熱速率時，引起升溫，最後導致自燃。由於巷道煤層所處位置、鬆散煤體堆積形態、漏風動力、散熱條件等與一般煤層不同，具有自己的特性，尤其是綜放無煤柱開采。因此，巷道煤層自燃除了具有一般煤層自燃的共性之外，還有自己的特性。
2.2煤層自燃特點
2.2.1由於受煤礦開采條件及采煤工藝的限製，工作麵布置走向長度大，上千米煤巷采用綜掘一次完成，因而巷道煤體暴露於空氣的時間較長，一般均超過煤層最短自然發火期。
2.2.2巷道內因火災大多起始於距巷道表麵一定深度的中部。在采動壓力的作用下，暴露麵處的煤體破碎程度較大，漏風阻力小，漏風強度較大，超過引起煤自燃的上限漏風強度，熱量不能積聚，無法形成自熱高溫點；離暴露麵較遠的深部煤體，由於漏風通道不暢通，漏風阻力較大，氧氣滲透到該處時濃度已很小，低於煤自燃的下限氧濃度，處於窒息狀態，亦無法形成自熱高溫點；而在距暴露麵一定深度的中部，漏風強度適中，風流速度慢，氧氣濃度適宜，最容易滿足煤自燃的條件而形成自熱高溫點。
2.2.3煤體導熱性差，火源隱蔽，往往是在發現巷道煤體表麵溫度異常時，內部火勢已形成。自燃火源點逆著風流方向發展，有害氣體順著風流方向流動，有時隻見有毒有害氣體而不見明火，使尋找火源點的工作非常困難。
2.2.4巷道外因火災，火勢發展迅猛，很快就會形成大火，但隻要氧濃度小於12％火勢就熄滅。在發火初期隻有著火處煤溫很高，由於煤（岩）體導熱性差，周圍煤（岩）體的溫度升高緩慢，煤體的熱容量小，因此出現外因火災初期，火勢易於撲滅。巷道鬆散煤體自燃火災則不同，它是煤氧結合放出熱量引起自然升溫而形成的火災，由於煤體的長期氧化，逐漸地向周圍煤（岩）體散熱，同時自身熱量也逐漸積聚，煤（岩）體溫度升高，儲存了很大的熱能，火源點周圍煤（岩）體的溫度很高，欲降低如此大範圍高溫煤（岩）體的溫度難度很大，且易使暫時撲滅的火災複燃。
2.2.5井下巷道屬於半封閉空間，煤自燃產生的有毒有害氣體和滅火時產生的水蒸氣等隻能朝一個方向移動，救災人員工作空間回旋餘地小，給救災人員帶來很大威脅。
2.2.6厚煤層綜放開采順槽沿底板掘進，巷道頂煤自然發火較多，火源位置高。頂煤受礦壓和采動影響，易破碎離層；有些煤層煤質鬆軟，掘進過程中時常冒頂形成空洞區；有的上分層已采，下分層采用綜采放頂煤技術，由於煤層起伏變化、中間煤層破碎等原因，使綜放順槽與頂部采空區連通。
2.2.7無煤柱開采留小煤皮的沿空巷道與鄰近層采空區連通，火源沿巷道頂板及沿空側（或頂部）采空區發展迅速，火勢控製困難。
2.2.8兩道頂煤在回采前破碎區已受到長時間的氧化升溫，由於端頭頂煤放出率低，該頂煤垮落采空區後，產生5－8m寬的丟煤帶，采空區這2條遺煤帶相對其他地點溫度更高，自然發火期縮短；當接近停采線時，為了撤架而不放頂煤，使得采空區形成較大麵積懸空，且留有大量浮煤，而撤架時間又較長，使自燃性增強。當相鄰綜放麵沿空送巷和回采時，由於一次采落煤層厚度大，采動影響範圍廣，相應漏風量增加，容易引起巷道自燃火災。
2.2.9巷道自然發火主要發生在巷道高冒區、地質構造帶、煤體破碎帶、裂隙發育之處，以及巷道有突變的區域（巷道變形、起伏、擴大、縮小、轉彎、分叉、彙合及巷道內安設風門、風窗、風嶂、堆放雜物等）。這些區域漏風強度變化較大，浮煤易自燃。
2.3煤自嫩的危險區域
2.3.1采空區遺煤帶
工作麵開采初期，以工作麵開切眼附近采空區為主；工作麵開采過程中，以靠近工作麵順槽的相鄰采空區遺煤帶為主；工作麵停采撤架期間，以停采線附近采空區為主。
2.3.2巷道頂煤
極易自燃區為煤巷頂板局部高冒區、煤巷地質構造破壞區、煤巷起坡破碎區、煤巷煤柱沿空側廢棄硐室及開切眼、停采線；易自燃區為煤巷地質構造軸部破碎區、巷道硐室及溜煤眼、煤巷頂部破碎區、工作麵回采期間煤巷超前變形區；可能自燃區為煤巷上幫中部破碎區、煤巷上幫上部破碎區、煤巷下幫破碎區。
3、煤層自然發火防治技術
3.1膠體材並防火技術
3.1.1凝膠堵漏技術
凝膠是具有粘塑性的膠體化合物，它由主劑和促凝劑兩種溶液經混合後反應而形成。其混合液在凝固前粘度近似於水，但滲透到煤和岩石裂隙中，成膠後粘度則是水的1500倍．能有效地防止漏風，如主劑濃度為6％的100mm厚的膠體層可抵抗4000Pa的空氣壓力，因而凝膠是一種很好的“內部堵漏”材料，用來進行頂板裂隙的封堵及冒落空洞的充填，效果很好。凝膠除密封性能外，還具有良好的固水和吸熱降溫性能，因而也常用作直接的滅火材料。
凝膠壓注工藝簡單，操作方便，如圖4－4－1所示。係統采用TBW－50/15型泥漿泵2台；0.5m3水箱4個，其中2個配液、2個壓注。材料由主劑（水玻璃）、促凝劑（銨鹽）和水按一定比例混合而成，通過調整三者的配比來控製成膠時間和膠體硬度，以適應滅火和防火的不同需要，一般成膠時間能夠控製在幾十秒至幾十分鍾不等。
3.1.2膠體泥漿滅火技術
(1)膠體泥漿滅火機理
膠體泥漿利用基料、促凝劑的膠凝作用，以黃泥漿作充填劑，增加膠體強度、耐溫性能和增強有效期。以水玻璃為基料形成的膠體是二氧化矽的膠體，其膠體結構如圖4-4-2所示。膠體內部充滿黃泥漿、水和部分NaHCO3、Na2CO3、NH4OH等分子，矽膠起骨架作用，黃土起稠化充填作用．把易流動的水固定在矽膠內部。
未成膠的混合液在泵壓和自重的作用下，通過鑽孔和煤體裂隙進入高溫區，有一小部分混合液由於未成膠就遇到高溫，其中的水分迅速汽化，快速降低煤表麵溫度，殘餘的固體形成一層膜，阻礙煤氧接觸而進一步氧化自燃。隨後流動的混合液隨著液體溫度升高，成膠速度加快，在不遠的周圍形成膠體。該膠體包裹煤體，隔絕煤氧接觸，使煤的氧化放熱過程立即中止，煤氧化產生的有害氣體消失。混合液滲入煤體孔隙形成膠體。膠體泥漿吸收大量熱能後，膠體緩慢失水蒸發，以蒸汽形式排放大量熱能，煤體溫度進一步下降，使煤體氧化放熱性能大量降低，火勢熄滅。隨著膠體混合液的不斷注入，成膠範圍不斷擴大，火勢熄滅圈增大，直至整個火源熄滅。當膠體泥漿完全幹涸失水後，殘餘物中的孔隙較多，雖大大降低了原煤體的孔隙率，但仍能使一部分空氣通過。煤體經膠體泥漿處理過後氧化放熱性能大為降低，但在較高溫度下仍能複燃。一般在常溫下，經過膠體泥漿處理過的碎煤所產生的氧化熱不足以引起煤體升溫，故不會再自燃。因此，采用膠體泥漿滅火後的火區，仍應使火區溫度逐漸下降，儲存的熱能充分釋放，否則仍有複燃危險。
(2)膠體泥漿的滅火工藝
膠體泥漿滅火係統是在黃泥灌漿係統的基礎上，增加促凝劑添加係統，如圖4－4－3所示。地麵漿池製漿水土比為4：1－5：1,基料添加比例為90－100kg/m3漿，攪拌均勻。井下促凝劑添加比例視所需的成膠時間而定，一般成漿時間為7－8min時促凝劑比例為20kg/m3漿；成膠時間為3－4min時凝劑比例為30kg/m3漿;成膠時間為25s時促凝劑比例為50kg/m3漿。
(3)膠體泥漿滅火技術的特點
a膠體泥漿穩定性好。膠體泥漿熱穩定性比純膠體更好，在高溫火炭中不熔化、失水速度很慢。完全失水後的殘渣是耐火的黃土和SiQ2，仍然充填著煤體孔隙，增加漏風供氧阻力，降低煤體氧化放熱性能。膠體泥漿耐壓穩定性隨著含土量的增加而增高，黃土不僅起充填作用，黃土本身也是一種膠體材料，當黃土與矽膠形成複合膠體泥漿時耐壓性能比任何一種單質膠體性能都好。因此高濃度（含土量為25%－40%）膠體泥漿可充填高冒空頂區，而純凝膠或純泥漿都不能。
b成膠時間可控製。成膠時間可根據促凝劑的添加量加以控製，最快成膠時間為25s，慢的可控製在1-2d。根據火區不同條件、需要輸送的距離及鑽孔滲透的範圍，選擇不同的成膠速度。膠體泥漿進入火源高溫區，由於溫度升高，成膠速度會加快。
c大量浮煤堆積高處的火源采用水和泥漿難以撲滅。灌漿和注水滅火，漿和水往低處流，形成一定的泄漏通道，通道上部和周圍的火難以撲滅，且注水和注漿的管路中都帶有一定的空氣，形成的通道一旦停注也成為暢通的漏風通道，使火難以撲滅。另外，漿水經過塊煤表麵，隻能帶走一部分表麵溫度，煤內部溫度短時間內不會下降，停水後溫度迅速上升，一旦供氧馬上複燃。采用膠體泥漿滅火技術，能有效地克服上述缺點。它能在碎煤中充填空隙，很快使煤氧隔離窒熄，控製好成膠速度不會形成泄漏通道。即使高溫蒸烤失去水分，仍有25％左右的黃土存在於空隙中，可起防火作用。
d利用地麵灌漿係統配製膠體泥漿，實現大流量連續注膠，勞動強度低，井下運輸量少，比井下注膠係統優越，尤其對大麵積火區的滅火更顯其優勢。
3.1.3新型複合膠體材料防滅火技術
(1) XK2－PR稠化劑合成材料及配方
XK2－PR稠化劑是一類複合材料，它的生產過程包括原料精製、溶液聚合、水解、低溫幹燥、混合、粉碎等過程。為降低防火成本，在選擇滅火材料時，應以原料易得、合成方便、用料省、效果好為原則。根據上述原則，采用有機、無機材料和複合材料的混合物稠化劑。
配方：
基料І 8-12份
基料Ⅱ 50-70份
引發劑 微最
添加劑 少量
成膜助劑 少量
高純水 23-27份
調節劑 適量
(2)合成步驟及工藝
XK2—PR高效水膠體添加劑的合成步驟流程如圖4－4－4所示。
將圖中所述原料（調節劑除外）按一定比例在配料槽內配好，再流入混合器均勻混合，將混合產物在進料溫度控製器中預熱到50°C後，再進入聚合反應釜。在反應釜內引發劑分解產生自由基，單體在引發劑引發下發生自由基鏈反應，也就是聚合反應。反應進行10h，即得到塊狀柔軟的高聚物、單體、引發劑及溶液的混合物。將混合物中的單體在脫單體塔內脫去，就得到了較純的共聚物。脫去的單體再返回混合器進行回收利用，反應得到的共聚物送至水解池，在堿性介質中水解。水解產物再經流動床幹燥器幹燥後，與CMC、分散劑一並粉碎混合，即得到所需粒度的稠化劑粉末。
(3)配套設備
a、井下移動式壓注設備。對於井下膠體用量較少的火災防治地點，可使用XK－5型稠化膠體壓注機（圖4－4－5)在井下直接對煤層高溫區域壓注稠化膠體的注膠工藝（如圖4－4－6）。XK一5型稠化膠體壓注機上部有2個料鬥，一個是振動加料料鬥，一個是加水攪拌混合料鬥。用加料勺不斷地向振動料鬥內加入稠化劑，通過變換下料口的大小控製下料量，並通過篩板均勻地灑入到混合料鬥內，與水混合均勻後進入壓注泵。混合料鬥內采用水攪拌，攪拌力的大小可由攪拌水管和補水水管上的閥門相互配合來控製。混合後液體吸入主泵，然後經分流器注入發火區域。
該膠體壓注工藝及設備操作簡便，物料全自動配比，不需人工配料，設備體積小，易於運輸，使用、維護方便。
b、利用地麵灌漿係統壓注工藝。有時井下煤層著火麵積很大、火勢凶猛，或支架後部大範圍著火，則需要大流量的注膠滅火工藝。該工藝主要是利用煤礦現有的地麵灌漿防滅火係統、注砂防滅火係統及防塵水管路係統，用自動配比給粒器按比例往地麵灌漿池出漿口添加XK2－PR稠化劑，通過灌漿管路運送到井下用膠地點，再壓注到火區。其注膠滅火工藝如圖4一4一7所示。
該稠化膠體壓注工藝不需要向井下運輸材料，總流量通常在30－100m3/h,尤其適用於煤礦井下大麵積火區或高瓦斯礦井火災的治理。地麵自動配比給料機電機功率200W,重量25kg,操作簡單，使用、維護方便。
(4)複合膠體材料的特點
a、 XK2－PR稠化膠體添加劑的濃度為3‰時，就能與傳統的膠體滅火材料（如凝膠）濃度為10％時的性能相當，在滅火中采用該材料可使在井下的運輸量減少30倍以上，大大降低工人勞動強度；
b、稠化膠體添加劑對水質的依賴性小，在pH值大於4的水中XK2一PR都可形成較好的膠體，一般的鹽對膠體性能的影響不大；
c、根據工藝需要調節材料的溶解速度，可以滿足不同的工藝要求，材料的溶解速度可通過改變粒度、添加劑等手段來調節，可根據需要製成係列產品；
d、稠化膠體耐火性能很好；
e、具有一定的強度，膠體能夠滲透到煤層的裂隙中，堵住漏風；在煤層間隙受力發生蠕變，不會破裂；由於膠體有粘彈性，它能緊密充填於煤層間隙，即使煤層壓裂破碎也不會產生漏風裂隙；
f、由於它有觸變性，在用泵進行運輸時粘度較低，運輸阻力不大，而進入煤層靜止後粘度增大，可滯留在煤層中吸熱堵漏；由於材料受熱粘度降低，使其在煤層中向高溫點的流動變得容易，而從高溫點向外流相對較困難，這對滅火有利；
g、稠化膠體材料在常溫下脫水很慢、不變質，可長期保存在煤層中，防止煤層自然發火或火區複燃。
3.4粉煤灰凝膠料堵漏技術
3.4.1粉煤灰凝膠料的組成
粉煤灰凝膠料是在凝膠的基礎上加入粉煤灰骨料混合後反應而成，其成分有粉煤灰、凝膠材料和水。經鍋爐嫉燒後的粉煤灰，是一種次生礦物。其主要化學成分為：二氧化矽(SiO2）平均含量48.5%；其次為三氧化二鋁（Al2O3）和三氧化二鐵，平均含量分別是22.62%和6.87%；再次是氧化鈣(CaO)、氧化鎂(MgO）、三氧化硫（SO3）和二氧化鈦（TiO2），其他成分含量很少。粉煤灰的燒失量約為11％，本身含可燃物的數量較低。粉煤灰顆粒粒徑較小，且均勻度高，容易形成漿，便於輸送，適合於作密閉充填材料。
我國煤礦目前使用的凝膠材料主要由水玻璃、碳酸氫按和水組成，在成膠過程中放出大量的氨氣，其濃度超過《煤礦安全01manbetx
》規定的標準，作業環境惡劣，對操作工人的身體健康極其不利。
兗礦集團公司東灘煤礦與煤科總院重慶分院研究了一種新型凝膠。凝膠由基料、膠凝劑和水組成，是通過對10多種基料和膠凝劑進行性能03manbetx
、配比試驗及對比試驗，在綜合分析比較後，優化出基料A和膠凝劑B。這2種材料均為液體，其中基料A是一種阻化劑，膠凝劑B是一種無機物鹽類。
2)粉煤灰凝膠灌注工藝
粉煤灰凝膠灌注采用KPZ－1型井下移動式噴注設備，粉煤灰、基料A和膠凝劑B等材料用礦車運送下井，以一定材料配比的粉煤灰、基料A和水在KPZ－1型噴注設備的攪拌機中攪拌成漿後，經過過濾器過濾，由注漿泵將漿液經無縫鋼管輸送到注漿點附近，與計量泵翰送來的膠凝劑B在混合器混合均勻，最後通過鑽孔灌注到相鄰采空區丟煤帶（或其他堵漏地點），工藝流程如圖4－4－8所示。
3）粉煤灰凝膠料的特點
粉煤灰凝膠料具有高水、速凝、阻化降溫、無毒、無味等特點，可替代黃泥漿和純凝膠等灌注堵漏防滅火材料，克服了使用有氨凝膠井下環境受氨氣汙染的缺點，有利於保障工人的身心健康，另外利用了電廠粉煤灰廢棄物，降低了材料成本。粉煤灰凝膠料適於相鄰采空區丟煤帶、密閉、高溫點等灌注充填堵漏。
（二）注氮防滅火技術
1.注氮防滅火的原理
氮氣是空氣中的主要成分，因此是一種取之不盡、用之不竭的氣體，它具有無毒、無臭、易於與空氣相混合等優良特性。氮氣滅火時，可以充滿任何形狀的空間，並將氧氣排擠出去，從而使火區中因氧含量不足而將火源熄滅，或者使采空區中因氧含量不足而使遺煤不能氧化自燃；在有瓦斯和火災氣體爆炸危險的火區內，注入氮氣能使可燃性氣體失去爆炸性；液態氮還可以吸收大量的熱量，降低火區溫度；氮氣滅火不會損壞或汙染機械設備和井巷設施，火區可較快恢複生產。
注氮防滅火技術的應用是與均壓和其他堵漏風措施相配合使用，如果注入氮氣的采空區或火區漏風嚴重，氮氣會隨漏風流失，就難以起到防滅火的作用。
2.綜放無煤柱開采注氮工藝
綜放無煤柱開采的工作麵，在其不同的回采階段有著不同的防滅火重點，而對於一個具體的工作麵，其開采布局及通風方式的不同，采取的注氮方法也應有所不同。所以，在對一個無煤柱綜放工作麵做注氮防滅火方案設計時，應首先分析工作麵不同回采時期的重點防滅火區域，再根據工作麵開采布局及通風係統，按照不同開采階段采取相應的注氮手段來防止自然發火。在工作麵開采初期，以開切眼為重點防火區域；工作麵開采過程中，防滅火的重點為相鄰采空區的遺煤帶；在工作麵停采後，為保證采煤設備及支架能夠安全撤出，停采線為重點防火區域。
1)埋管注氮工藝
對工作麵開切眼及停采線附近，由於需要強化注氮，所以應采用埋管式注氮，使氮氣直接惰化這2個區域的遺煤，防止其自燃。
過去使用的埋管注氮方法是在工作麵進風順槽沿巷道側幫鋪一根注氮管路，在管路上每隔一定距離留一個三通作為氮氣釋放口，氮氣釋放口在埋入采空區之前打開，以備向采空區注氮。這種注氮方法簡單易行，但無法對管路上的氮氣釋放口進行控製。由於埋入采空區的氮氣釋放口無法關閉，在其剛剛埋入采空區、處在散熱帶不需注氮時無法停止其注氮，當其進入采空區窒息帶時同樣因不能關閉氮氣釋放口而停止其注氮，因此埋入采空區內的注氮管路隻能按各氮氣釋放口的阻力大小自由分配注氮量，而不能將氮氣完全注入到所需惰化的采空區位置。兗州礦區在使用埋管注氮工藝時，對氮氣釋放口的控製作了研究，確定了2種埋管注氮工藝，即主管－分支管路注氮和主管一遙控裝置注氮。
(1)主管－分支管路注氮。注氮支管預先由進風順槽埋入采空區，前端接連0.5m左右的堵頭花管，花管斜向上指向采空區，並用木垛加以保護，以免堵塞注氮口。每個氮氣釋放口均與一根注氮支管連接，氮氣釋放口進入采空區窒息帶不需注氮時，應在工作麵順槽內將其關閉，並切斷與注氮主管路的聯係。每個注氮支管與主管路之間用三通連接，若要考察每個支管的注氮量，還應安裝流量計。當工作麵推過30m（即氮氣釋放口間距），埋入下一個注氮釋放口及支管，以此類推，其注氮管路布置如圖4－4－9所示。
當一個氮氣釋放口進入窒息帶停止注氮時，其外部與主管路連接處的三通、控製閥、流量計及一段主管可回收。
(2)主管－遙控裝置注氮。與主管－分支管路注氮工藝相比，主管－遙控裝置注氮工藝的主要特點是在氮氣釋放口的控製上采用遙控裝置，實現了對埋入采空區內氮氣釋放口的遠程控製。
遙控裝置的主體是一個防爆電磁閥，它的一端通過三通與主管路連接，另一端接0.5m長的堵頭花管作為氮氣釋放口，電磁與花管等隨注氮主管路一起埋入采空區，電源線從注氮管路中引出，外部設一控製開關。電磁閥斷電關閉，需注氮時電磁閥通電，閥門打開，通過花管向采空區注氮。遙控裝置在工作麵及采空區的布置如圖4－4－10所示。
2)旁路鑽孔注氮工藝
在工作麵的開采過程中，隨著工作麵的推進，後方采空區不斷被甩到窒息帶內而失去自燃的可能性。根據兗州礦區的經驗，隻要工作麵正常推進，工作麵後方采空區形成自然發火的可能性不大。但相鄰采空區尤其是靠近工作麵順槽的遺煤帶及開切眼、停采線，這些地方的浮煤在經曆了揭煤、氧化、窒息等漫長的過程後，一旦外部漏風供氧滿足其自燃的條件，很快會形成自然發火；而綜放麵回采前方采動超前壓力會破壞巷道的噴塗層，形成裂隙後構成漏風供氧的條件，工作麵回采過後，自身采空區與相鄰采空區連成一片，漏風供氧更為充分，此時的防滅火重點為相鄰采空區的遺煤帶。
旁路鑽孔注氮就是通過工作麵順槽向相鄰采空區遺煤帶打鑽孔進行預防性注氮惰化采空區的一種手段，正常情況下以惰化超前工作麵100m以內巷道旁側遺煤帶為主。因為這一段巷道開始接近或正處於工作麵采動超前壓力的影響範圍內，巷道受壓後裂隙增加，漏風隨之增大，遺煤帶漏風供氧條件好，易造成自燃或複燃。因此，旁路鑽孔注氮開始注氮的位置是距工作麵80－90m。
在工作麵順槽內向旁側遺煤帶打鑽孔，一般孔深8-l0m，下1寸套管，靠鑽孔裏邊一節為堵頭花管，外邊通過軟管用快速接頭與注氮主管路連接，套管與巷道壁之間要封堵嚴，避免注入的氮氣外泄，並防止漏風。鑽孔及管路布置如圖4－4－11所示。鑽孔一般應提前打好並下套管，當其接近注氮區域時將注氮鑽孔與主管路接通，開始注氮，鑽孔接近工作麵隅角時，拆下連接軟管，將套管外部封死，停止注氮。
3.3防滅火技術綜合應用實例
3.3.1火區概況
興隆莊煤礦 4322綜放麵1999年11月開始回采，至2000年10月底采至設計停采線。為減少斷層損失煤量，依據4303綜放麵過8m斷層的成功經驗，將停采線向外延長70m,推過王樓一號斷層（該斷層落差5m）。
在過斷層過程中和過聯絡巷（4322－2號聯絡巷和4324－2號聯絡巷）時頂板難以控製，冒頂頻繁，工作麵壓力大、頂板破碎，普遍丟失頂煤，丟煤厚度最厚達5.9m。工作麵沒提起刀來，造成割底板進入全岩，導致工作麵推進速度慢，特別是從10月11日到11月20日隻推進了29.6m，4322麵被迫於11月20日在4322二號聯巷上停采。
12月12日13時10分支架後煤層自然發火，並快速發展，煙霧迅速蔓延，采取調壓措施後仍不能將煙霧逼退，直接滅火無法進行，13日2時決定封閉處理。
3.3.2滅火過程
整個滅火過程可以分為4個階段：
第一階段，對火區進行封閉。12月11日13時西風井主要通風機停風15 min後，發現進風隅角和43號、44號架（支架編號自下而上）後有微量青煙，認為是霧氣，進行注漿注水處理後霧氣消失，同時44號架後局部出現58℃的高溫，經向44號、43號架後播管注水後高溫點消失。12月12日11時左右，在109號架和進風隅角後部發現煙霧，又進行了注水注漿處理。13時10分進入工作麵觀察，發現煙霧往外擴散到工作麵上口，立即采用水衝直接滅火，但未找到火點，煙霧逐漸擴大。反風結束到恢複通風後約7min時間，煙霧進一步擴大。恢複正常通風後，煙霧擴至工作麵上出口以外約20m處，用水衝散煙霧，並開啟工作麵上順風機，人員已能到達工作麵上口。但此時煙霧大、氣溫高，人員被迫撤出，已無法進行處理。現場采取建立調壓氣室升壓後仍不見效，工作麵回風流中的一氧化碳濃度迅速上升。為了防止02manbetx.com
進一步擴大，13日2時決定采取封閉火區措施，上順第一道密閉牆距工作麵出口約60m，第二道閉在三叉門以裏約5m處；下順第一道密閉牆距工作麵出口約30m，第二道閉在三叉門以裏。13日中班完成火區封閉，上、下兩頭風機停止運轉。接著對各道密閉牆進行了噴漿堵漏。
第二階段，采取綜合滅火措施，對封閉火區進行滅火。
(1)設檢測點並封堵漏風通道。為了隨時掌握火區氣體變化情況，重點設了5個檢測點：4322停采線下頭、4324二號聯絡巷、4322停采線上頭、4322二號聯、四采下部運煤巷，同一測點使用同型號的儀器並固定人員檢測。對與4322采空區相通的聯絡巷、溜煤眼、各種鑽孔進行詳細的檢查，對上述漏風或可能漏風的地點重新進行封堵，防止有害氣體泄漏。
(2)注氮控製火勢發展。12月13日從濟寧三號礦調用了一套SM5110型井下移動式注氮設備，在2號軌道下山向4322上頭外15m的上順槽中施工了2個注氮孔。15日夜班開始注氮，27日反映火區氣體變化的3個測點的一氧化碳濃度趨近於零，氧氣濃度在1%－2%之間。
(3)使用“測氛法”判斷高溫火點位置，提出了4個自燃隱患區，即A區、B區、C區、D區，其中B區是最大的懷疑區（參見圖4－4－12)。
(4)針對懷疑區打鑽探滅火。從12月13日開始施工探滅火鑽孔，在二號軌道下山累計施工鑽孔15個，其中打向B區2個；二號膠帶下山累計施工鑽孔21個，其中打向A區2個、B區2個、C區2個、D區5個；在消火道施工鑽孔71個。
(5)施工消火道。12月14日下午提出3個施工消火道的方案：a. 4322號聯排放瓦斯，抽沙袋垛，施工的總工程量44.6m，其中岩巷19.6m；b.在二號軌道下山重新開門口，按450施工岩巷27m；c.4322上順槽門口密閉排放瓦斯，然後在第一道密閉外下幫施工60m煤巷。考慮到時間和經濟的因素，采用了第一個方案，於是在12月19日大班4322二號聯排放瓦斯，沒有出現異常情況。20日開始施工消火道，施工期間考慮B區是重點懷疑區，故消火道延長20m，12月30日消火道竣工，總長度60.1 m.
(6)對施工完的鑽孔注泥漿和壓注凝膠。考慮到工作麵采空區丟煤以及支架頂煤都已經達到發火期，因此需對整個工作麵進行防滅火處理，重點在工作麵上部。為了使4322二號聯上門口能與火區隔離，12月17日夜班向4322二號聯上變坡點施工的2個鑽孔壓注凝膠90m3。
12月24日在二號軌道下山向4322停采線上頭和B區鑽孔注凝膠145 m3。從12月25日開始，在二號軌道下山和二號膠帶下山向打到A區、B區、C區、D區和其他架後鑽孔循環壓注黃泥漿，截止到2001年1月10日累積壓注泥漿2900 m3。
2001年1月5日消火道施工出的鑽孔開始壓注凝膠，截止到1月10日累計壓注凝膠2100 m3。
第三階段，火區啟封。
2001年1月12日中班，4322麵上頭開始按計劃排放瓦斯，局部通風機正常通風後，工作麵溫度和氣體沒有出現異常情況，從工作麵上的情況來看高溫火點在麵上頭往下20m的範圍。第二天上午4322麵下頭也按計劃排放瓦斯，經測量下順槽回風量約60 m3，氣體溫度沒有異常情況。13日11時通風人員發現14號－19號（此時，為了工作方便，將工作麵支架編號改為自上而下）間窩以及頂板溫度達到34-39℃，上順槽和下順槽回風流一氧化碳10×10-6，13日20時16號－17號架間一氧化碳40×10-6，當時認為這是高溫火點的餘熱，並準備在14日大班從消火道向該區域壓注凝膠。14日8時下順槽回風流一氧化碳是24×10-6，上順槽一氧化碳15×10-6，9時發現工作麵上部1號－3號架間風流中一氧化碳達到50×10-6, 16號－17號架間鑽孔中一氧化碳高達6000×10-6。7時50分壓注凝膠開始，但是工作麵漏膠嚴重，隨後采用增大化肥添加量防止漏膠的措施。10時45分工作麵一氧化碳迅速升高，上順槽回風流一氧化碳高達100×10-6，逐對10號－20號支架壓注凝膠，甚至不加化肥注凝膠，但是10號和24號架間沒有凝膠和淋水，已有鑽孔對目前高溫點不起作用。分析認為這是由於凝膠遇高溫能迅速凝結，在10號和24號架間已經形成凝膠“鍋蓋”，即使注水也很難滲漏，故必須重新設計和施工鑽孔。12時20分16號－20號架間開始冒煙，13時50分16號－17號後尾梁見明火。由於準備土作不到位，在被動中實施直接滅火，同時由於下順槽回風量小，煙霧和有毒有害氣體主要從上順槽回出，更增加了直接滅火的難度。21時25分人員撤出，並關閉上順槽外側的風門。15日夜班重點利用消火道鑽孔壓注凝膠，到中班累計注凝膠1100m3，但工作麵上火勢沒有減小趨勢，15日12時40分決定救護隊再封閉下頭，同時把上頭風門堵嚴。15時2號膠帶下山開始向16號、17號架附近施工鑽孔，17時B係列鑽孔開始注水。16日夜班又開始注氮，到啟封前累計注氮17720m3。16日中班2號膠帶下山施工的17號鑽孔回水溫度最高達到36°C，說明注水已經產生效果。18日早班根據17日的探險情況，又重點對B係列鑽孔壓注凝膠200m3。18日10時由救護隊進入工作麵偵查，沒有發現異常情況，已經具備啟封撤麵的條件，決定立即恢複撤麵準備和防滅火保障工作。
第四階段，工作麵短鑽孔密集注凝膠，保證工作麵的安全撤除。
建立了工作麵煤層自然發火快速處理係統，即在工作麵布置了漿、水管各1路，通過鑽孔與消火道的管路、注膠設備相連接，並根據現場情況對注膠效果不好的架間及防火重點區域都補打鑽孔，可隨時對工作麵支架間實施快速大流量注凝膠或水。在架間用電煤鑽施工鑽孔80個，短鑽孔長度一般在3-7m，全部下1寸套管，最前一節下帶尖花管。2001年1月20日發現工作麵以及上順槽回風流一氧化碳一段時間忽高忽低，經檢查40號架以下部分架間鑽孔有一氧化碳，鑽孔中一氧化碳濃度最高達400×10－6，工作麵風流中一氧化碳最高達50×10－6，45號、46號架前頂板有熱氣。21日利用消火道鑽孔和工作麵鑽孔同時壓注凝膠200m3，工作麵鑽孔及風流中一氧化碳消失。
2001年1月24日開始撤架，期間工作麵氣體溫度基本正常，隻是在26日21時55分發現65號架後出現0.2－0.3m3明火，用水很快澆滅，沒有影響以後的撤架工作。到2月7日早班，工作麵支架全部撤出，2月8日停采線上下頭密閉施工完成永久封閉。
