乌鲁木齐白土窑矿业有限公司
火区治理井筒启封
技 术 方 案
乌鲁木齐白土窑矿业有限公司
2013年2月11
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2012年2月20日火区治理方案
一、矿井发火情况及火源位置分析
2011年12月27日,白土窑矿井下发现高浓度CO,且在多个地点检测到高温烟气,被迫于2012年元月2日封闭三个井口（主立井、副立井、回风斜井），见图1至图3。
工业广场保护煤柱图1 井下采掘及火区情况示意图
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副井 风井 主井 绞车房 B2 小窑采空 +850车场 回风上山 轨道上山 行人上山 +800水平 B1 图2 井下火区剖面图 垮落空间 着火浮煤 垮落浮煤 垮落空间 着火浮煤 垮落浮煤 煤层巷道（砌碹） 煤层巷道（砌碹） 图3 火区巷道情况剖面和断面图 发火位置分析：
1）原生火源最有可能来自于行人上山西侧的采空区，通过与行人上山、轨道上山的联巷闭墙烧出；
2）其次，原生火源还可能来自于行人或轨道上山碹顶的松散煤体；
3）行人、轨道上山及相关联巷碹顶松散煤体经高温气流加热，氧化自热加速，可能形成次生高温火源点。
发火程度分析：
1）原生火源已达到明火状态；
2）+900水平的巷道，以及行人、轨道上山碹顶松散煤体经高温气流加热，初始煤温已达到临界温度以上，且局部地区可能已形成次生高温火源。
二、火区治理及启封目标
本次火区治理工程须达到以下几个目标：
1）控制西侧采空区内的高温火源，防止其继续发展；
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2）消除轨道、行人和回风上山内的高温，启封主、副、风井筒，恢复井下主要采掘巷道；
3）防止煤层内主要巷道（轨道、行人和回风上山）复燃或自燃。
三、火区治理总体思路
考虑到矿井实际情况和火区治理的紧迫性，依据可能发火位置分析，以及火区现状，确定火区治理总体思路为“消高温、控火源、建隔离、防复燃”。
1）消高温：在地面向行人、轨道和回风上山的碹顶施工钻孔，灌注液态N2，消除行人、轨道、回风上山内的大范围高温，同时降低火区氧浓度。
2）控火源：在地面向与行人和轨道上山西侧采空区联巷闭墙内施工钻孔，灌注液N2降温，并压注胶体泥浆（凝胶），充填闭内巷道，防止启封后，西侧采空区内的高温火源从该处烧出。
3）建隔离：地面钻孔注完液N2后，再压注胶体泥浆（凝胶）对碹顶进行充填，切断巷道碹顶的漏风通道，并为缩封或启封后建立临时闭墙及防复燃打好基础。
4）防复燃：火区启封后，迅速对行人、轨道和回风上山进行喷浆，并向碹后压注复合胶体泥浆充填，防止碹后松散煤体自燃或复燃。
四、火区治理及防复燃技术方案
本方案依据“风险小、速度快、成本低”的原则制定，并在实施过程中根据火区的变化作相应修订。
技术要求：针对强、手段精、易操作、数量足、质量高。 1）地面钻孔布置
根据火区状况，依据液氮和胶体泥浆的单孔作用范围，结合“消高温、控火源、建隔离”的需求，在布置钻孔时尽量考虑一孔两用。钻孔具体布置见图4和图5。
2）地面钻孔工程量
地面钻孔按8个考虑（含+840水平工作面采空区灭火钻孔）。即：+900水平5个，平均每个孔深200米，共计1000m；+850m水平1个，孔深约260m；同时，在因自然发火而封闭的工作面采空区内施工注液氮钻孔2个，孔深约270m，合计钻孔长度1800m，根据施工情况增减。
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工业广场保护煤柱图4 地面钻孔布置平面示意图
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副井 风井 主井 绞车房 B2 +850车场 回风上山 轨道上山 行人上山 +800水平 B1 图5 地面钻孔布置剖面示意图 3）地面钻孔参数 地面钻孔终孔位置至巷道顶部2-5m左右，且不返水。孔径120mm，全长下直径108mm普通套管，套管内再下直径65mm特种耐低温套管。
4）井下钻孔（防复燃）
井下巷道碹后充填钻孔待矿井启封后施工，钻孔长度6～10m，井下钻孔（下套管）施工位置、长度视情况而定，钻杆（套管）外径50mm，内径38mm。
5）防灭火材料
采用液态N2做为灭火降温材料；
采用快速密闭（板闭+聚氨脂喷涂）构筑临时闭墙； 采用水泥喷浆对井下主要生产巷道进行表面喷涂； 采用复合胶体充填巷道碹后空间。
复合胶体
6）材料使用量
液态N2用量：1200t，平均每孔150t。 快速密闭：10套，封堵4至5道闭墙。
复合胶体胶凝剂：20吨，形成复合胶体约20000 m3。 黄土：约12000m。
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7）施工工艺
地面钻孔使用定向钻机，孔径120mm，套管内径108mm。
井下钻孔使用“井下一次成孔钻具”进行施工，使用钻杆当套管。 地面使用液态N2可通过钻孔直接灌注，无需设备。
灌注胶体泥浆（凝胶）和复合胶体，采用专用的灌注系统，装载机配合。 8）火区监测
准备相应的检测仪器，对钻孔孔底温度和火区内的气体成分进行监测与分析。
五、启封方法及顺序
1）井下气体及温度指标达到规程规定的要求时才能进行启封工作。
2）启封时采用独头通风方工启封副井，至井底后进行侦察，条件许可的情况下启封风井形成短路风流，井下形成通风系统。
3）启封时按如下顺序进行：
气体、温度达到规定——启封副井井口——采用局部通风机排井筒瓦斯——进入井下进行侦察——确定启封区域（行人、轨道、回风上山；行人或轨道上山和回风上山；+950水平以上）——构筑临时通风设施——启封风井形成通风系统——维护巷道消除隐患——启封主井筒。
根据实际施工情况，与设计方案基本相符，只是把注液氮的时间和注入量进行了调整，实际注液氮约500t，注液态二氧化碳约100t。
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2012年7月9日火区治理方案
一、火区治理情况概述
2012年5月16日启封副井口，5月19日上午排完副井底积水，中午启动主扇通风，半小时后下井侦察，随后指挥部、技术人员、工人下井进行工作，至下午6点左右井下巷道复燃，采取措施后控制住火势，经过3天左右的钻孔、注胶工作，+900车场启封成功，车场所有启封巷道消除了高温及复燃隐患。进一步巩固灭火效果的同时，对+900车场的巷道进一步缩封，至6月8日止，+900水平除绞车硐室及轨道上山全部启封。
经过准备，于6月10日启封主井井口，恢复矿井通风、供电、排水及+800、+850水平运输系统，同时+800水平向火区漏风较为严重，+850水平火区发展较快，采取相应措施后（+800水平打孔注胶封堵漏风，+850水平打孔注胶灭火、降温、封堵漏风），+800水平漏风得到有效控制，+850水平火区也得到抑制，全矿井已启封巷道全部进入安全状态。见下图。
经过近40天的井下灭火、降温、封闭、堵漏，已启封的+900、+850、+800车场巷道已基本正常，但火区仍然有漏风现象，经分析主要漏风点在+850、+800车场巷道较为破碎的支护，经过讨论决定对已启封的+900、+850、+800车场巷道进行喷浆处理，彻底消除行人、轨道上山的火区漏风。
6月27日上午打开+900绞车硐室，由于处理绞车硐室工作人员有CO中毒现象，且绞车硐室灭火工作难度较大，决定对绞车硐室进行再次封闭。
27日下午井下封闭时由于位置较上且采用砖墙，造成工作时间较长，火区发生小范围瓦斯爆炸，井下人员于18点全部撤离井下，20点停止主扇运转，21点风流开始逆转由风井进风副井出风，采取断电及撤离副井附近所有人员后观察，28日凌晨2点左右，副井井口地面发生瓦斯爆炸，造成副井井口设施损毁。
6月28日由于副井口发生瓦斯爆炸，30日封闭副井井口，7月1日封闭主井井口后井下发生瓦斯爆炸，根据爆炸规模及井下灭火的情况，经分析后井下情况可能如下图所示。
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工业广场保护煤柱图5 井下6月26日火区治理情况示意图
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工业广场保护煤柱图6 井下6月28日火区情况推测示意图
二、火区治理方案
1.治理方案思路
发生灾害后，经多次讨论并请国内著名灭火专家进行会诊，提出各种治理思路，主要有以下几种：
1）水淹法：引附近河流及水库水源，加上矿井本来的供水及涌水，把矿井用水全
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部淹没，直至+915水平。
2）下井恢复法：井上、下同时采取措施，在确保安全的情况下恢复井下各处闭墙，使火区处于井口爆炸前的状态。
3）地面隔离充填法：在地面施工5个钻孔，复用原钻孔2个，把行人、轨道上山从+800水平一直充填至+900水平，再采用土堆法充填绞车硐室。
4）保留主、副井法：采用隔离方式把主井、副井与火区隔开，在主副井之间重新施工巷道，让老系统与新系统全部分开，彻底放弃老系统。
5）保留主井法：彻底放弃副井、风井及井下+900、+850车场及设备，采用隔离方式把主井与火区隔开，解放+800车场及采区上山。
2.治理方案确定
根据上述方案论述，结合各方案的施工可行性、难度、可靠性、治理时间、恢复生产时间、治理投资、恢复生产投资、改扩建可利用设备、巷道等方面综合考虑，经过各方面交流、沟通，这里推荐方案3：地面隔离充填法。
3.治理方案论述（地面隔离充填法：见图8）
在地面施工5个钻孔，复用原钻孔2个，把行人、轨道上山从+800水平一直充填至+900水平，再采用土堆法充填绞车硐室。本方法分为几个关健步骤：
（1）从地面施工5个钻孔至井下巷道：由于前期施工钻孔准确率较高（最深250米），虽然钻孔深度最大加深到300左右，应该可以实现。详细位置见下图。
（2）封闭轨道下山口：由于采用地面注胶方式充填巷道，必须把轨道下山封闭以阻挡胶体进入水泵房和井底车场，封闭物须有阻挡胶体的强度。经过研究讨论认为，通过地面钻孔向轨道上山内注速凝砼，灌注长度按10-20米考虑，详细砼比例及速凝时间需现场实验后确定。
（3）封闭其它水平巷道：需封闭的水平巷道有：+900轨道上山联络道、+850行人上山车场绕道、+850轨道上山车场联络道，如果轨道上山能封堵成功，这几处封堵应更容易实现。
（4）灌注胶体充填+900以下轨道、行人上山及+850车场，使巷道内及砌碹上全部充满胶体泥浆，胶体泥浆脱出的水会慢慢全部淹没火区。
（5）用注细黄土及间断灌水的方式充填+900水平以上轨道上山及绞车硐室。 根据推算注砼量：400m3；黄土量：10000 m3；注胶量：15000 m3；钻孔：1200 m。
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工业广场保护煤柱图7 地面隔离充填法示意图
三、施工方法及顺序
1.施工方法
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1）钻孔施工：
推荐用原钻孔施工单位施工（准确率高、地层熟悉、环境适应）。钻孔终孔位置打透巷道砌碹，孔径114mm，套管直径89mm，下至砌碹处。
2）灌注砼：
灌注施工前对砼比例、水玻璃加入比例进行试验确定。 3）灌注胶体：
灌注时水土比1：1，胶凝剂添加量0.1%。 4）灌注黄土及间隔注水：
过筛的细黄土从绞车硐室钻孔灌入，每灌入约100公斤黄土，从钻孔倒入30公斤水，如此反复，直至钻孔注满。
2.施工顺序
1）利用原5#钻孔注胶体泥浆，注入黄土量约800m，水土比1：1，注完800 m土后，暂停等待。
2）注5#孔进同时施工轨道下山下部钻孔，钻孔完成后立即进行注砼工作。 3）施工+850水平车场隔离钻孔，施工完成后注砼。
4）继续原5#钻孔注胶体泥浆，水土比2：1，直至注满为止，黄土量约2500 m3。 5）同时施工绞车硐室钻孔、清通原2#钻孔并打通至砌碹下、施工行人上山上部钻孔。
6）通过原2#钻孔注砼隔离。
7）通过行人上山上部钻孔注胶体泥浆，水土比1：1，注黄土量约1300 m3。 8）通过轨道上山绞车硐室钻孔注胶体泥浆，水土比1：1，注黄土量约5000 m3。 9）根据钻孔气体变化情况，确定胶体高度达到+900水平。 10）所有以上过程必须检测副井、风井、各钻孔气体、负压指标。
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2012年12月23日火区启封方案
一、火区治理情况及分析 1、火区治理情况
根据确定的火区治理方法，从2012年7月至今，主要进行了如下工作（见下图）： 1）施工了新1#钻孔（成功），新2#钻孔（正在施工），新4#钻孔（未到位，已报废），新5#钻孔（成功）。
2）利用新1#孔注黄土200 m3，砼150m3，把轨道上山下部封死。利用新5#孔注黄土胶体2500 m3，根据计算已彻底充填轨道上山及+850水仓、泵房。
3）利用原5#钻孔和新4#钻孔灌注黄土约200 m3，估计行人上山下部已部分充填，砌碹上部空间局部已充满。
4）CO气体由封闭前的2000ppm降至目前的40ppm左右。
2、火区情况及启封条件分析
根据近几个月所做工作，现对井下火区情况进行分析（见上图）：
1）轨道上山的高温已消除，+850水仓及泵房火源有可能未彻底熄灭，但可以确定已被封闭；
2）行人上山火源及高温未消除，+850车场及绕道火源未熄灭，与+900水平连通； 3）+900以上轨道上山与绞车硐室火源及高温未消除，且与+900水平连通。 4）井下高温及火源点仍有少量漏风。
5）+900水平四道风门有可能损坏或变形，并处于打开状态。
6）+900水平巷道积水较深，四道风门处有可能水深0.4米，最深处可达到1.5米。 7）+850水平车场可能积水，在回风上山下口处最深，有可能达到1.5米，水下可能有大量於积物。
8）+800水平水泵房於积物较多，可能短时间内无法恢复，各处巷道可能有於积物。
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20m15m工业广场保护煤柱图8 火区治理效果分析图
二、井筒启封思路
经过以上地面治理工作，火区得到有效控制，井下火区并未全部熄灭，局部高温
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点仍处于阴燃状态，而在地面很难有效治理这些区域，为了彻底熄灭火区使矿井得到恢复，在具备了井筒启封条件时，启封井筒进入井下进行火区治理工作。
1）利用+850人行上山处的地面钻孔注液氮，控制井下气体指标及火区漏风情况，启封主、风井，形成井下通风系统。
2）启封后12小时内救护队员从主井—+773水平—+850水平—+900水平关闭并加固四道风门。
3）加固封闭+850车场、水仓的封闭，杜绝向火区供风。
4）恢复+773—+850水平供电、排水、运输系统，清理巷道，形成+850运输、排水系统。
5）建立+850—+900水平供电、供水、行人系统。
6）对+900水平进行缩封，逐步解放+900水平，把火区压缩在最小范围内。
三、启封前的准备工作
1）通过钻孔或井筒连续监测火区内气体变化趋势，掌握缩封前火区内的气体成分和浓度，准备气相色谱仪、瓦检仪、CO便携仪、两用仪及其它仪器，并全部检修校正。
2）准备两种以上立井井下与井上的通讯器材或方式。
3）救护队加强窒息环境中建立临时密闭的学习和训练，学习和熟悉缩封区的位置及周围环境。
4）预备好建临时密闭所需材料（所需材料清单见下表），由矿方提前准备好码放在井口附近，火区封闭或加强封闭灾区时使用。
5）准备好缩封时所需的设备、线缆、压风系统管路及接头。 6）恢复井下通风系统的一切准备工作。 7）缩封后进入井下工作人员的准备和安排。 8）启封清理井口的前期准备工作。
四、启封技术方案
1、井口启封
1）清理主井口的覆盖物，打开相应的小口，调整固定主井潜水泵。 2）水泵调整完成后，清理主井口所有覆盖物，空载试运行箕斗。
3）箕斗运行正常后，打开暖风道供暖风，同时风井口清理工作（救护队施工）完成打开主扇，调整风量在200m3/min左右。
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4）风井气体指标正常后救护队员可下井侦察。
2、井下侦察
缩封时先打开副井井口，在风流稳定的情况下开启提升设备送救护队员下井侦察。侦察路线：主井井筒—主井井底车场及硐室（变电所、水泵房、井底清理巷、车场绕道等）—+800-850m轨道上山、皮带上山—+850m水平回风巷—+850m水平车场闭墙—+850m-+900m回风上山—+900m水平四道风门情况（关闭）—按原路返回。
侦察内容主要包括：井下巷道支护情况、气温、积水、水温、气体成份、风门、巷壁温度情况等。
侦察携带的主要仪器有：
（1）光学瓦检仪：主要用于检测CO2气体浓度。 （2）便携式瓦检仪：主要用于检测CH4气体浓度。 （3）便携式氧气检测仪：主要用于检测O2气体浓度。 （4）便携式CO检测仪：主要用于检测CO气体浓度。
（5）便携式四合一气体检测仪：主要用于检测、校核CO、O2、CH4气体浓度。 （6）红外测温仪：主要用于检测巷道、积水温度。
（7）红外热成像仪：主要用于检测巷道、积水温度。红外热成像仪可实时形成热图像，并可储存可见光与热图像的对比照片。
（8）需要的通讯仪器。
图9 四合一气体检测仪 图10 TH7700型红外热成像仪
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图11 红外热像图
3、启封后的主要工作
根据侦察结果如无意外情况，立即开展以下工作： 1）采用人工运输方式运所需材料及设备至+850m水平。
2）以最快速度恢复+850绞车房供电或供电至+850水平巷道，供电功率不得小于15KW。
3）+850水平抽水，在人员能够自由行动时，使用快速密闭对+850m水平车场两道闭墙进行加固。
4）同时尽快对+900m水平四道风门进行关闭并加固封闭。
5）检查所有可能与火区沟通的巷道及通道，采取加固、堵漏及水封等方式进行密封，确保这此通道不再向火区供风。
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20m15m启封12小时内关闭并加固四道风门工业广场保护煤柱图5 启封平面示意图
4、启封成功后的主要工作
1）清理+800水平巷道及恢复变电所及水泵房，形成+800运输、供电等系统。 2）恢复+800-+850的运输、供电、供水。
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3）通过+900回风上山口处的钻孔形成从地面到井下的输浆系统，由地面制浆输送到井下使用。
4）灌浆充填+850水平车场及水泵房通道。
5）缩封+900水平车场，解放+900水平主要巷道（除轨道上山和绞车硐室）。 6）启封副井并进行恢复工作，同时灌浆充填人行上山。 7）灌浆充填轨道上山和绞车硐室。
至此，井下火区全部使用泥浆充填完毕，也可认为火区已彻底熄灭。
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