一、 千米深井高地温与采空区自燃的“热火叠加”工程痛点
随着我国煤炭开采深度的不断延伸，东部及西北众多千米深井普遍面临严峻的“高地温热害”与“采空区煤自燃”双重威胁。
在深部高温高湿回采环境中，传统防灭火与降温手段面临巨大的技术瓶颈与安全红线：
- 高地温显著加速遗煤低温氧化动力学过程：当原始岩温突破 $45^\circ\text{C}$，采空区遗煤自燃感应期缩短 60% 以上，微弱的氧气供给即可诱发爆发性自燃。
- 采空区自燃释放巨额热量导致热害剧烈恶化：自燃产生的高温热风窜入回采工作面，导致工作面环境温度高达 $38^\circ\text{C} \sim 42^\circ\text{C}$，引发作业人员中暑晕厥，频繁触动矿井高温停产红线。
- 传统注水或注氮效果极差：常规洒水在高温下迅速蒸发产生剧烈湿热蒸气，适得其反；注氮虽然能抑氧，但缺乏高相变潜热吸收能力，无法从根本上把深部高温降下来。
因此，引入具有巨大相变潜热吸热能力的高水材料（High-Water Material）实施采空区漫灌降温与热阻断隔热墙构建，是解决深部矿井热火叠加灾害的必由之路。
二、 高水材料相变吸热降温与三维热阻断力学模型
2.1 高水固结体水化结晶潜热吸热与温度场降温方程
高水材料由甲（硫铝酸盐水泥）与乙（石膏及激发剂）双组份按水固比 9:1 混合而成。固结体中包含 90% 体积的水分，其中 60% 转化为钙矾石网状晶体结晶水，30% 为孔隙自由水。
采空区三维温度场 $T_{goaf}(x,y,z,t)$ 的吸热衰减微分方程为：
$$\rho c_p \frac{\partial T}{\partial t} = \nabla \cdot (k_{therm} \nabla T) - Q_{latent} \cdot \frac{\partial m_{water}}{\partial t}$$
式中：$Q_{latent}$ 为自由水蒸发与结晶吸热潜热（总吸热能力突破 $2500\text{ kJ/kg}$）；$k_{therm}$ 为高水固结体的导热系数（较碎石堆降至 $0.25\text{ W/(m}\cdot\text{K)}$）。
注入 100 吨高水材料能瞬间吸收高达 $2.5 \times 10^8\text{ kJ}$ 的热量，将 $10000\text{ m}^3$ 采空区高温火区整体降温 $20^\circ\text{C}$ 以上。
2.2 采空区边沿热阻断隔热墙热阻导热模型
在采空区进回风侧密闭墙内部充填 2 米厚的高水材料隔热墙，其传热热阻 $R_{wall}$（$\text{m}^2\cdot\text{K/W}$）表达为：
$$R_{wall} = \frac{\delta_{wall}}{k_{therm\_hw}} = \frac{2.0}{0.25} = 8.0\text{ m}^2\cdot\text{K/W}$$
较传统砖砌密闭墙（$R \approx 0.8\text{ m}^2\cdot\text{K/W}$）提升 10 倍以上，彻底阻断了采空区内部百余度高温向回采工作面散发。
高地温采空区高水降温防灭火工作流：
[甲乙双液高水材料独立制浆] --> [采空区双液混合枪头漫灌] --> [钙矾石结晶吸收巨额热量] --> [采空区环境温度降至25℃] --> [热阻断防灭火隔热墙构建]三、 高水降温防灭火核心技术参数设计
通防科与防灭火队长需严格设计高水材料水固比、凝固时间及采场温度指标。
3.1 高水降温防灭火与热阻断控制参数对账表
| 控制参数 | 工程设计边界标准 | 检测手段与设备 | 降温防灭火与热害控制逻辑 |
|---|---|---|---|
| 高水材料水固比 (W/B Ratio) | $8.5:1 \sim 9.5:1$ | 重量法 / 比重计连续 | 保持 90% 超高含水量，提供最大吸热潜热容量 |
| 甲乙双液凝固时间 | $10 \sim 20\text{ mins}$ | 凝胶时间测定仪 | 保证充分渗入遗煤缝隙后快速凝固固化 |
| 采空区环境降温目标 | 温度从 $> 45^\circ\text{C}$ 降至 $\le 25^\circ\text{C}$ | 多点热电偶测温阵列 | 将采空区温度降至煤自燃临界点以下 |
| 隔热墙热阻 $R_{wall}$ | $\ge 7.5\text{ m}^2\cdot\text{K/W}$ | 导热系数测定仪 | 阻断采空区内部高温向工作面热传导 |
| 采空区氧气浓度 $C_{O2}$ | $\le 5.0\%$ | 束管监测系统 (KJ90N) | 形成高致密密闭，阻断氧气渗入诱发发火 |
| 工作面环境温度 | $\le 26^\circ\text{C}$ (原 $> 38^\circ\text{C}$) | 温湿度传感器连续 | 消除高温热害，满足国家矿山安全红线 |
四、 高地温热火灾害应急处置 SOP
在回采过程中，若采空区局部温度陡升或工作面环境温度突破 $28^\circ\text{C}$，启动应急 SOP：
SOP 1：束管监测采空区深部温度陡升突破 65℃ 应急预案
- 触发判定：采空区第 4 组热电偶显示 2 小时内温度从 $38^\circ\text{C}$ 陡升至 $68^\circ\text{C}$，CO 浓度上升至 35ppm。
- 应急处置步骤：
- 步骤 A：防灭火指挥部立即启动采空区高水材料高压大流量漫灌程序，将井下双液泵排量提升至 $60\text{ m}^3\text{/h}$。
- 步骤 B：向甲液中掺入 2% 的高效耐高温吸热添加剂，经专用混合枪头向高温发火源直注 80 吨高水材料。
- 步骤 C：在进回风侧密闭墙内部连续压注高水材料，快速加厚热阻断隔热墙至 3.0 米。
- 步骤 D：监控至深部温度回落至 $28^\circ\text{C}$ 以下且 CO 降至 5ppm 以下，恢复正常回采。
五、 山东兖州千米深井高地温采空区降温防灭火案例
5.1 工程背景与治理方案
山东兖州某千米深井，主采 3 号煤层，采深 1050 米，原始岩温高达 $46.8^\circ\text{C}$。回采过程中采空区屡屡自燃发火，引发工作面温度突破 $39.5^\circ\text{C}$，导致矿井频繁触发热害与防灭火红线被迫停产。
为根治热火叠加灾害，矿井实施“高水材料采空区漫灌降温与热阻断隔热墙协同工程”。
5.2 实施前后热害与防灭火指标对账表
| 对比项目 | 传统注水/注氮治理 | 高水材料降温与热阻断工程实施后 | 热害与防灭火治理效果 |
|---|---|---|---|
| 采空区深部最高温度 | $145^\circ\text{C}$ (高温发火区) | $24.2^\circ\text{C}$ (常温稳定) | 彻底熄灭火源并降低采空区温度 |
| 工作面平均环境温度 | $39.5^\circ\text{C}$ (热害严重停产) | $24.8^\circ\text{C}$ (清凉舒适) | 工作面温度压降 $14.7^\circ\text{C}$ |
| 采空区自燃发火次数 | 3 次/年 | 0 次/年 | 彻底杜绝采空区自燃火灾 |
| 工作面通风湿热蒸气 | 极大 (空气湿度 98%) | 正常 (空气湿度 65%) | 显著改善井下作业环境 |
| 矿井月回采推进度 | 35 米/月 | 115 米/月 | 月推进效率提升 228% |
六、 高水降温防灭火设计与准备清单
通防科与热害治理技术员在开展工程设计前需准备以下基础资料：
- [ ] 采区原始地温与热流密度测定报告：掌握 1000m 深部的地温梯度与基岩热导率。
- [ ] 高水材料在高温（$50^\circ\text{C} \sim 80^\circ\text{C}$）下的水化结晶试验报告：确保高温下不提前爆凝。
- [ ] 采空区三维通风漏风与温度场耦合模拟报告：定位最高温发火区与最强漏风通道。
- [ ] 井下防爆高水制浆站与长距离双液泵送管道布设方案：确保双液单流泵送零堵管。
七、 常见问题 FAQ
Q：高水材料含水高达 90%，在 $45^\circ\text{C}$ 高温下会不会失水干缩开裂？
A：不会。高水材料形成的是由三硫型水化硫铝酸钙（钙矾石）构成的超级网状晶体结构，结晶水被牢牢包裹在晶格内部，在低于 $100^\circ\text{C}$ 的环境中不会脱水。固结体体积保持 100% 稳定，绝不干缩开裂。
Q：高水材料降温防灭火，单位立方米充填成本高不高？
A：综合工程成本非常低。因为高水材料的水固比高达 9:1，即 1 吨固体粉料可以配制 10 吨（约 $10\text{ m}^3$）的高水固结体，固体材料消耗量仅为常规水泥浆的 1/10，材料运费与制浆成本大幅下降。
关于作者
张洁贞，中矿天智信息科技（徐州）有限公司高级销售经理。 专注于千米深井高地温热害治理、采空区高水材料漫灌降温及热阻断防火墙工程设计。 联合中国矿业大学矿山灾害防治与环保重点实验室，为您提供热害评估、制浆站建设及温度监测一体化服务。
本文首发于 zhangjiezhen.cn，转载请注明出处。
声明：文中技术参数已脱敏。高水降温方案设计必须结合具体采区地温与发火区温度定向计算。