祁 琳

（陽泉煤業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司， 山西 陽泉 045008）

陽泉煤業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司（全文簡稱陽煤）一礦主采15 號煤層，煤層埋深為449～608 m，煤層最大厚度7.70 m，最小厚度6.60 m，平均厚度6.98 m。81303 大采高工作面南方為81301 采空區(qū)，沿煤基本頂破直接頂板掘進(jìn)，與相鄰采空側(cè)工作面間煤柱寬度8 m。

81303 小煤柱工作面煤層節(jié)理裂隙發(fā)育，自然發(fā)火等級為Ⅲ類；需對煤柱側(cè)采空區(qū)注無機(jī)防滅火材料，防止自然發(fā)火。

1 無機(jī)防滅火材料簡介

無機(jī)防滅火材料為一種在高水灰比條件（W/C=（8～10）∶1）下快速凝結(jié)的新型防滅火材料，按1∶1 的比例配合使用。該材料單組份加水不凝結(jié)，而兩組份一旦混合則快速凝結(jié)，可長距離輸送?；旌虾蟾鶕?jù)需要在規(guī)定時間內(nèi)凝固，凝結(jié)體吸水時間長，固水時間長，并有失水再生能力，且受熱失水速度慢，具有較好的致密性、堆積性、附壁性，可提高滅火效能和滅火速度，并有效阻止復(fù)燃。

2 無機(jī)防滅火材料防滅火機(jī)理

1）無機(jī)防滅火材料可覆蓋采空區(qū)浮煤，隔絕氧氣。

2）無機(jī)防滅火材料漿液體積含水量達(dá)89%，有效抑制煤層自燃。

3）無機(jī)防滅火材料漿液滲透性強(qiáng)、流動性好。無機(jī)防滅火材料在甲料漿和乙料漿按1∶1 的比例配合使用時，才能達(dá)到最好的凝固效果和強(qiáng)度效果，兩種漿液配比不均會嚴(yán)重影響材料的使用效果，因此選用雙液注漿泵進(jìn)行施工。

3 無機(jī)防滅火材料封堵加固煤柱

注漿后的巖體增加了由加固材料形成的漿脈，將裂隙附近的巖石單元由二向應(yīng)力狀態(tài)轉(zhuǎn)變成三向受力狀態(tài)，顯著提高破碎巖石的極限強(qiáng)度，起到了轉(zhuǎn)換破壞機(jī)理和增加巖體強(qiáng)度的作用，而且巷道破碎煤巖體注漿后，凝固后的漿液固結(jié)體將封閉圍巖的裂隙，使破碎煤巖體形成一個整體，提高承載能力，增大圍巖的強(qiáng)度，大大減小巷道變形。

81303 工作面回風(fēng)側(cè)煤柱存在不同程度的破裂、破碎，導(dǎo)致裂隙增大，增加了采空區(qū)的漏風(fēng)量，加速了遺煤氧化蓄熱[1]。針對小煤柱未加固過的、且出現(xiàn)瓦斯涌出及老采空區(qū)對工作面巷道漏風(fēng)的部分，通過對煤柱內(nèi)部注入無機(jī)防滅火材料，與煤體形成固結(jié)體，不僅可以加固破碎的煤體，更主要的是可以封堵煤柱中的裂隙，阻止風(fēng)流進(jìn)入采空區(qū)，隔絕含氧環(huán)境。

3.1 注漿材料

注漿材料選用無機(jī)防滅火材料。

3.2 注漿參數(shù)

注漿參數(shù)主要有：水灰比、注漿壓力、注漿量、注漿孔布置等。

1）水灰比。根據(jù)實驗室試驗結(jié)果，綜合考慮井下施工條件，漿液固結(jié)強(qiáng)度及材料消耗等因素，確定漿液的水灰比1.5∶1.0。

2）注漿壓力。注漿壓力一般不超過2 MPa。根據(jù)81303 工作面小煤柱破碎情況以及設(shè)計的滲透范圍，確定注漿終止壓力為1.5 MPa。注漿中，當(dāng)注漿孔達(dá)到設(shè)計終壓后，關(guān)閉注漿泵3～5 min，當(dāng)注漿壓力明顯下降時，再點動開啟注漿泵，直至注漿壓力穩(wěn)定在注漿設(shè)計終孔壓力值（1.5 MPa）不再下降，即可停機(jī)。

3）注漿孔布置和孔深。注漿孔布置的原則主要是保證漿液盡可能多且均勻地滲透到小煤柱中，注漿管要打到小煤柱內(nèi)部。

如圖1 所示，注漿孔布置一排，孔間距均為4 m，鉆孔直徑為32 mm，鉆孔為上行孔，仰角為7°，孔長4.03 m，開孔高度為1.5 m，終孔位置位于煤體內(nèi)部且豎直方向高于開孔處0.5 m（具體參數(shù)可根據(jù)現(xiàn)場施工情況作調(diào)整）。

圖1 注漿孔布置圖（mm）

3.3 注漿設(shè)備及注漿管

充填設(shè)備為電動雙液注漿泵。充填需要的主要設(shè)備及參數(shù)見表1 所示。

表1 注漿主要設(shè)備一覽表

注漿管采用外徑20 mm，長4 m 的PVC 管制作，內(nèi)徑8 mm，壁厚6 mm，外端加工50 mm 長M20外螺紋。注漿管里段2.1 m 部分加工6 組（12 個）Φ6 mm 出漿孔，封孔長度1 870 mm。

3.4 注漿施工工藝

無機(jī)防滅火材料充填工藝如圖2 所示。

無機(jī)防滅火材料充填工藝系統(tǒng)包括無機(jī)防滅火材料制漿系統(tǒng)、輸送系統(tǒng)和充填區(qū)域三部分。制漿系統(tǒng)由4 個攪拌桶組成，2 個攪拌甲料漿，另外2 個攪拌乙料漿，制漿時分別往1、2 號與3、4 號攪拌桶中加入規(guī)定要求的水，然后往1 號攪拌桶中加入加甲料、甲料，攪拌5 min 制成甲料漿，往2 號攪拌桶中加入加甲料、甲料，攪拌5 min 制成甲料漿備用；往3 號攪拌桶中加入加乙料、乙料，攪拌5 min 制成乙料漿，往4 號攪拌桶中加入加乙料、乙料，攪拌5 min制成乙料漿備用。漿液制好后，通過雙液注漿泵同時吸1 號攪拌桶中的甲料漿和3 號攪拌桶中的乙料漿，甲料漿和乙料漿通過兩趟高壓膠管分別輸送，在注漿點通過混合器將甲料漿和乙料漿混合后注入注漿區(qū)域。待1 號桶和3 號桶中的漿液注完后，立即調(diào)換吸漿管路，注2 號桶中的甲料漿和4 號桶中的乙料漿，同時在1 號桶和3 號桶中加水制漿，實現(xiàn)連續(xù)注漿[2]。

圖2 無機(jī)防滅火材料充填工藝示意圖

鉆孔布置要求：鉆機(jī)采用山東祥德生產(chǎn)的ZDY-4200LPS(A)型鉆機(jī)，Ф75 mm 的鉆頭，具體孔徑根據(jù)封孔要求來確定；按照第5 章的封孔工藝進(jìn)行封孔，其中封孔（PD 材料）注漿段約為1.5 m；封孔后，PD 材料凝固需要24 h，所以需要24 h 后再注無機(jī)防滅火材料對煤柱進(jìn)行加固。

4 無機(jī)防滅火材料防止采空區(qū)自然發(fā)火

采空區(qū)存在大量遺煤、浮煤，在風(fēng)流不斷流入的情況下，提供了很好的氧氣環(huán)境，有利于遺煤、浮煤不斷氧化。當(dāng)氧化放熱積蓄到足夠量的時候，可發(fā)生自燃。向采空區(qū)注入無機(jī)防滅火材料，可以覆蓋遺煤、浮煤，隔絕氧氣，有效阻止其進(jìn)一步氧化[3]。而且，無機(jī)防滅火材料中的大量水分可以吸收遺煤的蓄熱，熄滅著火的高溫自燃煤體，降低自燃危險。

4.1 充填材料

注漿材料選用無機(jī)防滅火材料。

4.2 充填參數(shù)

充填參數(shù)主要有：水灰比、注漿壓力、注漿量、注漿孔布置等。

1）水灰比。根據(jù)實驗室試驗結(jié)果，綜合考慮井下施工條件，漿液固結(jié)強(qiáng)度及材料消耗等因素，確定漿液的水灰比8∶1。

2）注漿壓力。由于注漿充填孔終孔位置位于采空區(qū)垮落巖石中，具體充填壓力根據(jù)現(xiàn)場實際確定。

3）充填量。預(yù)計每孔充填量為3 t 無機(jī)防滅火材料。

4）注漿孔布置和孔深。充填孔布置的原則主要是保證漿液盡可能多、均勻滲透到破碎圍巖中，根據(jù)充填工程實踐及實驗室試驗結(jié)果，注漿孔布置見圖3。每排1 個孔，鉆孔為上行鉆孔，仰角約為10°，鉆孔直徑為75 mm，孔深9.6 m。其中，200～300 m、500～600 m、1 500～1 700 m 這三個區(qū)段，鉆孔排距為20 m；300～500 m、1 000～1 100 m、1 400～1 500 m 這三個區(qū)段，鉆孔排距為10 m；600～1 000 m、1 100～1 400 m 這兩個區(qū)段，鉆孔排距為6 m（具體參數(shù)可根據(jù)現(xiàn)場施工情況作調(diào)整）。

圖3 注漿充填孔布置圖（mm）

4.3 充填設(shè)備及注漿管

充填設(shè)備為電動雙液注漿泵。充填需要的主要設(shè)備及參數(shù)見表1 所示。注漿管采用外徑20 mm，長9.6 m 的PVC 管制作，內(nèi)徑8 mm，壁厚6 mm，外端加工50 mm 長M20 外螺紋，封孔長度8 000 mm。

4.4 充填工藝

無機(jī)防滅火材料充填工藝同4.1.所述。

5 現(xiàn)場應(yīng)用效果

2018 年2 月開始回采，通過三個月的觀測，81303回采過程中通過定期取樣檢測孔內(nèi)部溫度、一氧化碳及氧氣等數(shù)據(jù)，鉆孔溫度均未超過臨近巷道溫度3 ℃以上，一氧化碳濃度未未出現(xiàn)明顯波動，無自燃發(fā)火征兆。81303 工作面回風(fēng)巷混合口風(fēng)流中的瓦斯?jié)舛葹?.7%左右，回風(fēng)上隅角瓦斯?jié)舛绕骄?.5%左右，煤壁瓦斯溢出量0.1%左右，封堵了回風(fēng)巷和相鄰采空側(cè)間氣體流動通道，同時有效覆蓋遺煤、浮煤，隔絕采空區(qū)存在大量遺煤、浮煤和氧氣的接觸，阻止其進(jìn)一步氧化，有效阻止煤體自燃，大大降低了采空區(qū)自燃發(fā)火性危險。

6 結(jié)語

81303 工作面采空側(cè)小煤柱通過注入無機(jī)防滅火材料，不僅有效改善了小煤柱煤體結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，而且覆蓋了相鄰采空側(cè)落山遺煤、浮煤，隔絕氧氣，有效阻止煤體自燃，降低了采空區(qū)自燃發(fā)火性危險，解決了一礦小煤柱工作面自然發(fā)火嚴(yán)重制約安全的生產(chǎn)隱患，保證了工作面正常生產(chǎn)推進(jìn)，為陽煤一礦小煤柱工作面安全生產(chǎn)積累了寶貴經(jīng)驗，同時對下一步陽泉礦區(qū)小煤柱工作面自燃發(fā)火治理技術(shù)研究應(yīng)用具有積極的推進(jìn)和借鑒意義。