适用读者： 煤矿矿长、总工程师、防灭火队长、通防科长、地测科长
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｜中国矿业大学技术支持
一、 特厚易自燃煤层采空区防灭火的工程痛点与安全红线
在陕北榆神、新疆哈密及山西大同等主产区，易自燃特厚煤层开采十分普遍。由于采空区遗煤量大、顶板垮落缝隙发育且进回风隅角压差大，采空区自燃火灾一直属于重大安全生产红线。
传统注氮、注黄泥水浆或喷洒化学阻化剂等手段在实际应对中存在显著局限：
- 黄泥水浆易沉淀沉降产生顶部次生漏风通道：黄泥浆水固比小、析水量大，浆液干缩后形成大量顶部贯通空洞，防灭火效果持续时间短，且井下沉渣清理难度极大。
- 单纯高压注氮缺乏物理隔氧胶结屏障：氮气易随工作面漏风快速流失，一旦停止注氮，采空区深部遗煤温度会迅速回升，无法建立常态化本质安全。
- 传统水泥基胶结料水固比低且成本昂贵：若采用高浓度水泥或黄砂胶结充填，由于材料用量巨大，吨煤防灭火成本高达几十元，矿方财务难以长期承受。
因此，研发并推广高结结晶水、高水固比（水固比达 3:1 至 9:1）的高水充填材料实施采空区漫灌封堵，成为兼具极高性价比与本质安全防灭火的创新路径。
二、 甲乙双组份高水材料水化结晶机理与阻氧力学模型
2.1 高水材料水化结晶与凝胶固化方程
高水材料由甲料（含硫铝酸盐水泥、速凝悬浮剂）和乙料（含硬石膏、石灰及复合激发剂）两部分组成。甲乙两组份在水下分别搅拌形成悬浮浆液，并在管道末端混合后发生剧烈的水化反应，生成钙矾石（Ettringite，\(C_3A \cdot 3CaSO_4 \cdot 32H_2O\)）结晶网状结构：
在其分子结构中，水分子以结晶水和结合水形式固定在网状晶体中，水固体积比最高可达 9:1（含水量达 90%）。
反应动力学控制方程显示，其凝固时间 \(T_{gel}\)（min）与温度 \(T\) 及激发剂浓度 \(C_{act}\) 呈指数关联：
通过调节 \(C_{act}\)，可将凝固时间精准控制在 10 ~ 30 分钟以内，实现“混合即速凝、漫灌不流失”。
2.2 采空区渗流阻力提升与氧气压降模型
高水材料凝固后填满采空区垮落遗煤空隙，将多孔介质流阻 \(R_{drag}\)（\(\text{Pa}\cdot\text{s/m}^3\)）提升数千倍：
孔隙率 \(\phi\) 从原始 30% 降至 3% 以下，使得漏风风速跌落至 \(0.001\text{ m/min}\)。采空区深部氧气浓度 \(C_{O2}\) 沿程衰减服从：
漏风流速 \(v_{leak} \rightarrow 0\) 导致残余氧气在距工作面 15 米内即被快速耗尽，使自燃带彻底消失。
甲/乙双组份独立高水制浆
井下防爆站甲桶（硫铝酸盐水泥）与乙桶（石膏/激发剂）按 9:1 水固比独立搅拌
双管道平行长距离下井泵送
甲乙浆液单液状态下保持 24 小时绝对不凝固，管道泵送零堵管风险
采空区入口特制枪头 1:1 混合
双液在输送枪头处瞬间剧烈碰撞混合，启动 15 分钟速凝计时程序
采空区自流漫灌与自适应充填
低粘度双液浆渗入遗煤碎石缝隙，充填覆盖面积达 98% 以上
钙矾石网状晶体快速水化凝固
15 分钟内固化形成含水量 90% 的超强抗压胶结体，流阻提升 4 个数量级
采空区高致密防火屏障构建
漏风流速降至接近 0，深部氧浓度压低至 5% 安全红线以下，彻底阻断自燃
三、 高水漫灌防灭火核心技术参数设计
控制系统通过比例泵实现甲乙料浆 1:1 精确混合，确保水化结晶质量。
3.1 高水材料采空区防灭火关键工艺参数表
| 控制参数 | 工程设计标准 | 检测频次与仪器 | 控氧防灭火安全逻辑 |
|---|---|---|---|
| 水固比 (Water-Solid Ratio) | 3:1 ~ 9:1 (根据火区等级调节) | 体积流量计，在线连续 | 保持高含水量，释放结晶吸热抑温效能 |
| 初凝时间 (\(T_{gel}\)) | 15 \(\pm 3\text{ minutes}\) | 贯入试针法，每班检测 | 保证浆体充分漫灌扩散同时防止长距离流失 |
| 固结体 24h 抗压强度 | \(\ge 1.5\text{ MPa}\) | 压力试验机测试 | 承担采空区顶板初期垮落压力，不粉碎 |
| 结晶固水率 | \(\ge 98\%\) (无游离水析出) | 量筒沉淀法 | 杜绝大量游离水流失造成的次生风路空洞 |
| 防灭火采空区氧浓度 | \(\le 5\%\) (安全红线以内) | 束管气相色谱仪，每日分析 | 阻断煤炭链式氧化反应的极度缺氧条件 |
| 单吨材料充填体积 | \(4.0 \sim 8.5\text{ m}^3/\text{t}\) | 制浆称重统计 | 极大地降低吨煤防灭火材料采购与运输成本 |
四、 采空区高温自燃异常应急处置 SOP
在回采过程中遇到采空区一氧化碳飙升或局部温度突破 \(60^\circ\text{C}\) 时，启动高水漫灌应急响应 SOP：
SOP 1：回风隅角 CO 超限且局部温度异常上升应急处置
- 触发判定：束管监测显示采空区 25 米深处 CO 浓度达到 50ppm，且测温热电偶显示温度升至 \(65^\circ\text{C}\)。
- 应急处置步骤：
- 步骤 A：开启井下防爆高水制浆站，将水固比调至 4:1（快速提升早期强度）。
- 步骤 B：通过预埋在采空区的斜向注浆管，以 40m³/h 大排量向高温点区域压注甲乙混合浆体。
- 步骤 C：高水浆体在 20 分钟内凝固，钙矾石结晶吸收大量氧化热量，将高温区温度在 4 小时内降至 \(35^\circ\text{C}\) 以下。
- 步骤 D：持续注浆形成厚度超 3 米的高致密含水隔离带，切断供氧通道，CO 浓度降至背景值 0ppm。
五、 榆林高自燃煤层矿井漫灌防灭火工程案例
5.1 工程背景与治理方案
陕北榆林某矿主采 5 号煤层，属特易自燃煤层，最短自燃发火期仅 22 天。工作面采高 6.5 米，采空区遗煤较厚。
矿井在 502 工作面采空区全面推广高水材料低压漫灌防灭火技术。在工作面进回风顺槽沿采空区每隔 20 米预埋双液混合注浆管，定期进行自流漫灌。
5.2 防灭火与经济效果对比表
| 对比项目 | 黄泥灌浆 + 局部注氮 | 高水材料低压漫灌 | 防灭火与经济效益 |
|---|---|---|---|
| 采空区 CO 平均浓度 | 25 ~ 60 ppm (频繁超限) | 0 ~ 3 ppm (完全正常) | 彻底消除自燃隐患 |
| 采空区自燃带宽度 | 85 米 | 12 米 | 自燃危险区缩小 85.8% |
| 井下防灭火清渣人工 | 8 人/班 (清泥沉淀) | 0 人/班 (无游离水) | 释放井下劳动力 |
| 吨煤防灭火材料成本 | 12.5 元/吨 | 4.2 元/吨 | 防灭火材料成本下降 66.4% |
| 工作面月均推进进尺 | 180 米 | 260 米 | 消除了停采注浆阻碍 |
六、 高水材料漫灌工程设计与准备清单
通防科与防灭火队在实施高水漫灌前需准备以下基础资料：
- [ ] 煤样最短自燃发火期与升温氧化动力学报告：确定煤体的临界自燃温度与氧气消耗速率。
- [ ] 井下水质分析报告：检测混合用水的 pH 值及硫酸盐含量，防止水质影响高水材料水化反应。
- [ ] 采空区垮落高度与孔隙率测量台账：精确计算高水材料充填漫灌的目标体积与用量。
- [ ] 防爆双液制浆泵站与管路耐压测试证书：确保泵站额定压力 \(> 8\text{ MPa}\)。
七、 常见问题 FAQ
Q：高水材料含水量高达 90%，在采空区长期存放会不会发生蒸发失水失效？
A：不会。高水材料中的水分子绝大部分已被转化为钙矾石晶体中的结晶水（Chemical Bound Water），在井下相对湿度 \(> 90\%\) 的封闭环境中，结晶水极难挥发，可维持数年以上的长期稳定防火状态。
Q：甲乙两种单液浆在长距离管道泵送时，会不会在管内提前凝固堵管？
A：绝对不会。甲料浆和乙料浆在未混合前均为极稳定的悬浮液，单液浆可保持 24 小时以上不凝固。两组份只有在下井到达枪头混合器混合后，才会启动 15 分钟速凝程序，从根本上杜绝了输送管路堵管风险。
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。
专注于易自燃煤层采空区防灭火、高水材料速凝漫灌技术及井下防灭火系统集成。
联合中国矿业大学矿山灾害防治与环保重点实验室，为您提供材料配比、泵站选型及防灭火施工全套解决方案。
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*声明：文中技术参数已做脱敏处理。高水材料防灭火方案需结合具体矿井发火特性定制设计。*