胡朝輝

（冀中能源股份有限公司 邢東礦，河北 邢臺(tái) 054000）

0 引言

隨著采煤工藝的不斷革新，配套的采礦設(shè)備也在更新?lián)Q代，促使煤礦效率大幅度的提升，開(kāi)采深度和強(qiáng)度逐步增大，但同時(shí)礦井安全生產(chǎn)也面臨重要挑戰(zhàn)。隨著煤體的采出，采空區(qū)的面積越來(lái)越大，采空區(qū)的遺煤自燃和瓦斯爆炸事故嚴(yán)重影響了煤礦的安全生產(chǎn)工作，依據(jù)煤炭自燃的3 個(gè)必要條件，采空區(qū)的封堵尤其重要[1]。采空區(qū)的有效封堵，不但可以隔絕采空區(qū)的有毒氣體外泄，而且可以阻礙新鮮風(fēng)流進(jìn)入采空區(qū)，減少煤炭自燃的必要條件氧氣含量。專(zhuān)家學(xué)者針對(duì)采空區(qū)的封堵技術(shù)進(jìn)行多方面的研究，依據(jù)具體情況采取的封堵方式也不同，目前主要有密閉墻、表面噴涂、裂隙充填等封堵技術(shù)。在學(xué)習(xí)借鑒前人的基礎(chǔ)上，針對(duì)邢東礦1127 工作面采空區(qū)的自然發(fā)火特點(diǎn)，采用膨脹材料充填密閉墻和裂隙封堵技術(shù)對(duì)采空區(qū)進(jìn)行封堵，效果良好。

1 工程概況

邢東礦自2001 年11 月18 日開(kāi)始投產(chǎn)，年產(chǎn)量為120 萬(wàn)t/a，開(kāi)采深度最大達(dá)到1000 m，是華北地區(qū)采深最大的礦井之一。礦井分2 個(gè)水平開(kāi)采，分別為-760 m 和-980 m 水平，該礦1127 工作面位于-760 皮帶大巷以西，工作面大致與其垂直；工作面北部約75 m 為1125 工作面；南部約110 m 為F23 導(dǎo)水?dāng)鄬樱呦蜷L(zhǎng)967 m，傾斜長(zhǎng)57 m。所采煤層為2 號(hào)煤，2 號(hào)煤層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，厚度穩(wěn)定（構(gòu)造影響除外），煤層厚度變化由外向里呈增大趨勢(shì)，除受構(gòu)造影響煤層變薄以外，其余煤厚均在4.50 m 以上，煤層厚度變化不大，煤層厚度來(lái)源于相關(guān)鉆孔煤厚資料算術(shù)平均值。據(jù)中煤科工集團(tuán)重慶研究所試驗(yàn)，2 號(hào)煤煤層自然發(fā)火傾向性為Ⅱ類(lèi)自燃。1127 工作面在停采后，一直有自燃隱患，出現(xiàn)自燃標(biāo)志性氣體CO，是該礦“一通三防”工作的重大隱患。

2 采空區(qū)自然發(fā)火原因分析

通過(guò)對(duì)邢東礦以往采空區(qū)的自燃現(xiàn)象進(jìn)行分析，主要原因如下。

（1） 所采的2 號(hào)煤層具有自然發(fā)火傾向，為Ⅱ類(lèi)自燃。

（2） 工作面在停采后，監(jiān)測(cè)到標(biāo)志性氣體CO，存在自然隱患[2]。

（3） 采空區(qū)發(fā)生自燃，主要為工作面采空區(qū)內(nèi)存在著浮煤和工作面之間留有保護(hù)煤柱，為采空區(qū)自燃提供了物質(zhì)基礎(chǔ)。

（4） 由于邢東礦是深部開(kāi)采，礦山壓力大，導(dǎo)致煤柱在壓力下邊的破碎，致使采空區(qū)封閉不嚴(yán)；探水鉆孔封堵如果不及時(shí)，就會(huì)向采空區(qū)漏風(fēng)，為煤層自燃提供了條件[3]。

（5） 采空區(qū)一旦漏風(fēng)，新鮮的風(fēng)流進(jìn)入了采空區(qū)，采空區(qū)內(nèi)氣體已形成的平衡狀態(tài)被打破，采空區(qū)O2含量增加，為浮煤和松軟破碎煤柱提供了氧化條件，增加了自燃的危險(xiǎn)性。

3 采空區(qū)防火密閉墻技術(shù)應(yīng)用

3.1 密閉墻技術(shù)原理

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)采空區(qū)的封堵，最終確定密閉墻的形式，通過(guò)砌筑兩堵磚墻，磚墻是無(wú)縫的，不能通過(guò)氣體，靠近巷道外側(cè)磚墻預(yù)留孔洞，方便注漿材料的注入。檔磚墻達(dá)到規(guī)定的強(qiáng)度后，用注漿泵注入膨脹充填材料，先主微膨脹材料，達(dá)到一定高度后，注入中度膨脹材料，注到要求的高度后停止，撤出充填管路，把預(yù)留孔洞進(jìn)行封堵，對(duì)巷道外側(cè)的氣體進(jìn)行監(jiān)測(cè)，確保密閉墻不外漏。充填密閉墻示意如圖1 所示。

圖1 充填密閉墻示意Fig.1 Implication of filling closed wall

3.2 密閉墻材料的選擇

密閉充填材料的選擇有助于密閉墻的的密閉程度，防止密閉墻的二次漏風(fēng)，此次采用的是膨脹充填材料，主要由高水材料、膨脹固化劑按適當(dāng)?shù)谋壤龢?gòu)成。為達(dá)到充填體和巷道周邊充分密閉采空區(qū)，對(duì)主要技術(shù)要求進(jìn)行試驗(yàn)配比，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)室大量的試驗(yàn)，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐，獲得膨脹充填材料的最有配比。按照膨脹材料的最優(yōu)配比加入一定比例的水，經(jīng)過(guò)攪拌機(jī)攪拌均勻，通過(guò)注漿泵經(jīng)過(guò)管路泵送至充填地點(diǎn)，在較短的時(shí)間內(nèi)凝結(jié)固化成充填體[4]。膨脹充填材料的最優(yōu)配比見(jiàn)表1。

表1 膨脹充填材料2 種優(yōu)化配比Table 1 Two optimized ratios of expansive filling materials

3.3 采空區(qū)防火密閉墻方案

針對(duì)1127 工作面地質(zhì)情況，及其對(duì)采空區(qū)煤層自燃原因的分析，最終確定采用密閉墻來(lái)隔絕采空區(qū)與外部巷道氣體的聯(lián)通，并參考原有工作面采空區(qū)密閉墻的技術(shù)參數(shù)，確定了密閉墻的規(guī)格參數(shù)。兩道磚墻+膨脹充填材料構(gòu)成密閉墻，每道磚墻的厚度為0.7 m，膨脹充填材料的厚度為5 m，充填密閉墻規(guī)格及充填管路布置如圖2 所示。為了充分有效的密閉，及減少巷道兩幫范圍內(nèi)受破壞煤體對(duì)密閉墻的影響，進(jìn)行適當(dāng)掏槽，采空區(qū)側(cè)向兩幫掏槽0.5 m 深，槽寬為0.7 m，與墻厚度相同；巷道外側(cè)向兩幫掏槽0.5 m 深，槽寬為1.5 m，其中0.7 m 寬用于砌磚墻，0.8 m 用于充填密實(shí)[5]。

圖2 充填密閉墻及充填管布置Fig.2 Layout of filling closed wall and filling pipe

靠近巷道外側(cè)的砌筑過(guò)程中留設(shè)充填管和出氣管入口，在達(dá)到規(guī)定的強(qiáng)度后，布置充填管和出氣管，由于巷道具有坡度，坡度為8°，充填管和出氣管的端頭應(yīng)布置到采空區(qū)側(cè)，保證充填材料能夠充滿(mǎn)整個(gè)密閉空間。在充填過(guò)程中，首先進(jìn)行微膨脹料漿的充填，達(dá)到充填高度的80%時(shí)[6]，進(jìn)行中度膨脹料漿充填，當(dāng)出氣管出現(xiàn)充填材料停止充填，達(dá)到充填標(biāo)準(zhǔn)。

3.4 巷道頂板注漿工藝

在充填密閉墻形成以后，巷道周邊的圍巖應(yīng)力會(huì)再次達(dá)到一種新的平衡狀態(tài)，在這個(gè)過(guò)程中，頂板下沉變形，應(yīng)力向巷道兩幫深處發(fā)展，在深部礦井高地應(yīng)力的作用下，巷道周?chē)鷷?huì)產(chǎn)生裂隙，從而形成導(dǎo)氣通道，破壞密閉墻的密閉效果，為了降低這種情況的產(chǎn)生，需要對(duì)巷道頂板進(jìn)行注漿加固，同時(shí)增加承載力。針對(duì)邢東礦巷道埋深大、礦壓大的特點(diǎn)，結(jié)合巷道原有的支護(hù)條件，巷道頂板破碎區(qū)域的高度為1.36 m，從而確定注漿高度為1.5 m。注漿一般采用等距布孔、梅花形布置方式。注漿擴(kuò)散半徑R=1 ～2 m，孔間距一般取0.8。此次注漿孔間距取1 m，并結(jié)合破碎拱形態(tài)，確定鉆孔分布如圖3 所示。

圖3 鉆孔分布示意（標(biāo)注單位：m）Fig.3 Distribution of boreholes(tagging unit:m)

4 工程效果分析

通過(guò)對(duì)1127 工作面采用膨脹材料充填密閉墻技術(shù)，達(dá)到了隔絕采空區(qū)的作用。對(duì)采空區(qū)的氣體監(jiān)測(cè)和密閉墻外的氣體的監(jiān)測(cè)，采空區(qū)側(cè)的氣體氧氣濃度保持在5%以下，CO 濃度在保持在0.001%以下，采空區(qū)內(nèi)的煤體未發(fā)生自燃[7]；密閉墻外的氣體和正常巷道的氣體含量一致，密閉墻密閉效果良好。解決了以往的采空區(qū)密閉墻，在頂部、底部及兩幫裂隙帶經(jīng)常出現(xiàn)漏風(fēng)現(xiàn)象，隨著采空區(qū)壓力現(xiàn)象，漏風(fēng)現(xiàn)象越來(lái)越嚴(yán)重，給采空區(qū)自然發(fā)火治理帶來(lái)重大隱患。膨脹充填極大的改善了采空區(qū)密閉墻的密閉性能，通過(guò)合理的選擇配比，將密閉墻周?chē)舛聡?yán)密，保證了礦井的防火安全。

5 結(jié)語(yǔ)

邢東礦1127 工作面采空區(qū)采用膨脹材料充填密閉墻技術(shù)，達(dá)到了隔絕采空區(qū)的作用，避免了漏風(fēng)現(xiàn)象的產(chǎn)生，極大提高了采空區(qū)密閉性，保證了采空區(qū)防火安全，解決了邢東礦采掘的不斷延伸、采空區(qū)面積逐步擴(kuò)張、采空區(qū)的管理困難的問(wèn)題，保障了礦井的安全生產(chǎn)，為其它工作面的采空區(qū)的密閉提供了有效手段。