鄭友志 丁 帥 陳 舸

（徐州意創(chuàng)化工科技有限公司，江蘇 徐州 221005）

采空區(qū)自然發(fā)火的形成有三大重要因素，即采空區(qū)內(nèi)的漏風(fēng)供氧條件、煤氧反應(yīng)蓄熱條件和采空區(qū)遺煤。雖然采空區(qū)遺煤不是人為可以輕易控制的因素，但是如果采取有效的技術(shù)措施控制前兩個(gè)因素，采空區(qū)遺煤發(fā)生自燃的危險(xiǎn)性就會(huì)大幅度降低。

根據(jù)錢鳴高院士礦山壓力“O 形圈”理論以及譚允禎教授關(guān)于綜采放頂煤工作面采空區(qū)自燃區(qū)劃分的文獻(xiàn)[1]可以看出，控制采空區(qū)自燃三帶分布的區(qū)域范圍是防治采空區(qū)自然發(fā)火的主要措施。掌握了采空區(qū)的三帶分布范圍，就可以有效地提高工作面采空區(qū)防滅火措施的準(zhǔn)確性，為安全生產(chǎn)提供可靠的理論依據(jù)[2-4]。

1 工程概況

天安集團(tuán)星村煤礦3310 工作面標(biāo)高-1130～-1185 m，煤層厚度8.4 m，位于三采區(qū)中部。由于礦井采深大、地壓大、井下溫度高，自然發(fā)火期大幅縮短，極易自燃。

礦井在工作面進(jìn)回風(fēng)隅角采用Π 型鋼梁加單體支護(hù)的超前支護(hù)方式，兩隅角的單體支護(hù)拆裝頻繁，兩順槽來(lái)壓不穩(wěn)定，經(jīng)常形成空頂、垮塌不及時(shí)的情況，漏風(fēng)嚴(yán)重。因此，快速有效地封堵進(jìn)回風(fēng)端頭的漏風(fēng)就是最為關(guān)鍵的防滅火措施。

目前能夠選擇的處理措施一共有以下三種：

（1）工作面進(jìn)回風(fēng)隅角掛設(shè)擋風(fēng)簾。掛設(shè)擋風(fēng)簾，會(huì)給工作面兩端頭附近的機(jī)械設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)、挪動(dòng)及工作人員進(jìn)出、運(yùn)料都造成一定程度的影響，并且在這種工作狀態(tài)下?lián)躏L(fēng)簾的擋風(fēng)環(huán)境很容易被破壞繼而影響擋風(fēng)效果，漏風(fēng)量大；掛設(shè)風(fēng)簾隨意性較強(qiáng)，無(wú)法持續(xù)可靠接頂、接底和靠幫，易造成遮擋不嚴(yán)、人為開合甚至掉落，造成工作面漏風(fēng)量忽高忽低，極不穩(wěn)定。因此這項(xiàng)措施實(shí)施起來(lái)可靠性較差，效果不理想。

（2）木板墻或掛網(wǎng)噴涂高分子材料。聚氨酯類高分子反應(yīng)型材料反應(yīng)熱造成的次生危害很多，施工人員容易吸入有毒有害氣體，刺激眼睛、皮膚和呼吸道；另外，聚氨酯類高分子反應(yīng)型材料燃燒產(chǎn)生的有毒有害氣體會(huì)對(duì)施工人員的安全造成極大的威脅，且國(guó)家已制定了有關(guān)反應(yīng)型高分子材料使用限制的規(guī)定，嚴(yán)格限制。

（3）煤袋墻配合擋風(fēng)簾構(gòu)筑擋風(fēng)屏障。擋風(fēng)簾的掛設(shè)是個(gè)動(dòng)態(tài)的非實(shí)體擋風(fēng)屏障，為了實(shí)現(xiàn)實(shí)體性進(jìn)回風(fēng)隅角擋風(fēng)屏障，很多礦井選擇在進(jìn)回風(fēng)隅角位置就地取材，用防靜電編織袋直接裝碎煤（或煤矸）進(jìn)行壘墻，擋風(fēng)墻的兩側(cè)頂部和底部必須和相鄰的支架尾梁、巷幫、頂板以及經(jīng)過(guò)處理的底板緊密結(jié)合，主要的優(yōu)勢(shì)就是就地取材，沒有運(yùn)輸壓力。

進(jìn)回風(fēng)隅角在使用煤袋墻構(gòu)建擋風(fēng)墻方便快捷的同時(shí)，也存在著很多的弊端。碎煤本身成本也很高，而且易燃特性沒有改變，頻繁使用碎煤構(gòu)建擋風(fēng)墻，留下大量的遺煤，后期存在自然發(fā)火隱患；同時(shí)，工人勞動(dòng)強(qiáng)度很高而且施工過(guò)程中存在較大的安全隱患。

經(jīng)過(guò)廣泛調(diào)研和科研攻關(guān)，確定了向預(yù)制充填袋內(nèi)充填無(wú)機(jī)泡沫形成泡沫固體的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)隅角快速擋風(fēng)墻的新工藝。

根據(jù)隅角空間尺寸預(yù)制的充填袋按要求吊掛在隅角空洞位置，然后將無(wú)機(jī)泡沫充填材料按照一定的比例配置成漿液，通過(guò)氣動(dòng)泵輸送至充填袋，在一定時(shí)間內(nèi)完全凝固承壓，形成了安全有效的擋風(fēng)墻，減少往采空區(qū)漏風(fēng)，如圖1。

圖1 工作面進(jìn)回風(fēng)端頭封堵措施及三帶分布圖

由于工作面推進(jìn)速度快、來(lái)壓速度快，現(xiàn)場(chǎng)要求快速完成掛裝、充填以及拆卸單體的全過(guò)程，這就要求無(wú)機(jī)泡沫充填材料迅速凝固并能完全承壓。因此，為達(dá)到技術(shù)要求，礦方與徐州意創(chuàng)化工科技有限公司開展聯(lián)合研究，在原充填LFM 輕型充填材料2 h 承壓的基礎(chǔ)上，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)情況，大幅度縮短材料凝固和承壓時(shí)間，研發(fā)了新型快速凝固泡沫充填材料。

2 進(jìn)回風(fēng)端頭快速凝固型充填材料技術(shù)特點(diǎn)

充填袋擋風(fēng)墻是采用向預(yù)制充填袋內(nèi)充填無(wú)機(jī)泡沫漿液形成泡沫固體的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)隅角快速擋風(fēng)墻的新工藝。有些煤礦的聯(lián)絡(luò)巷道有采用柔膜袋充填材料的先例，因?yàn)樾枰獓?yán)密封堵漏風(fēng)，巷幫和頂板掛設(shè)工藝非常復(fù)雜，充填材料普遍采用自制的高水材料或者水泥采取上下分層不同強(qiáng)度的處理方式[5-6]；有的煤礦采取A、B 料再添加聚丙烯纖維和發(fā)泡劑的工藝措施[7]，施工工藝復(fù)雜，同時(shí)存在著頂板來(lái)壓后側(cè)幫和頂板漏風(fēng)的可能，因此推廣受限，只能應(yīng)急情況下使用。

LFM 輕型充填材料是徐州意創(chuàng)化工科技有限公司研制的無(wú)機(jī)泡沫充填材料，單料配水即可使用，反應(yīng)溫度不超過(guò)60°，材料本身不燃燒也不助燃，流動(dòng)性好，與頂板和側(cè)幫煤壁的粘附性強(qiáng)，具有柔性承壓的特性。充填袋和內(nèi)部的充填材料在進(jìn)回風(fēng)端頭來(lái)壓正常的情況下能可靠地根據(jù)巷道和頂板的變形嚴(yán)絲合縫地接幫接頂，完全終凝時(shí)間不超過(guò)1 h，在施工完成后即可進(jìn)行單體的回撤，快速便捷。

LFM 輕型充填材料是無(wú)機(jī)泡沫型充填材料，符合《煤礦井下用聚合物制品阻燃抗靜電性通用試驗(yàn)方法和判定規(guī)則》（MT113-1995）標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的技術(shù)要求；LFM 輕型充填材料通過(guò)了國(guó)家認(rèn)可的第三方檢測(cè)機(jī)構(gòu)的國(guó)家環(huán)保檢測(cè)認(rèn)定和產(chǎn)煙毒性試驗(yàn)[8]。

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

3.1 預(yù)制充填袋結(jié)構(gòu)和制作材料的選擇

充填袋應(yīng)選用阻燃抗靜電的材料制成，嚴(yán)格執(zhí)行煤礦安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，表面電阻≤3×108，有焰燃燒時(shí)間≤3 s。充填袋受力結(jié)構(gòu)由布面、加強(qiáng)筋、拉筋構(gòu)成，充填袋內(nèi)部必須要有橫向加強(qiáng)帶和縱向加強(qiáng)筋來(lái)支撐吊掛時(shí)不變形并維持一定的強(qiáng)度。

3.2 充填袋隅角施工安全技術(shù)措施

進(jìn)回風(fēng)隅角吊掛充填袋時(shí)，必須注意觀察頂、幫完好情況，作業(yè)人員不準(zhǔn)進(jìn)入無(wú)支護(hù)的空頂區(qū)作業(yè)；進(jìn)回風(fēng)隅角吊掛充填袋時(shí)，必須確保CH4＜1%、CO2＜1.5%、CO＜0.002 4%。

3.3 吊掛前準(zhǔn)備工作

充填袋吊掛前相應(yīng)位置要刷幫、清底，巷道中四周掏槽深度應(yīng)在10 cm 以上，底板深度不應(yīng)小于20 cm，要求見實(shí)幫實(shí)底。當(dāng)周圍巷幫較軟時(shí)，四周掏槽應(yīng)不小于20 cm。根據(jù)巷道寬度內(nèi)側(cè)點(diǎn)柱間距為1000 mm，設(shè)置100 mm×100 mm 的點(diǎn)柱4 根。底部要生根埋進(jìn)巷道底板5～10 cm，上端用鐵絲楔子固定牢固。外側(cè)點(diǎn)柱可用單體支柱，間距800 mm。

3.4 充填袋吊掛

先將充填袋展開后由上往下固定，頂部要留出200～300 mm 防止注漿時(shí)往下脫落，更好地讓材料接頂。內(nèi)側(cè)頂部先用扎絲每200 mm 一個(gè)固定點(diǎn)固定到頂板錨索上并固定牢固，側(cè)邊要插到掏槽內(nèi)進(jìn)行固定，底部也插到掏槽內(nèi)，如圖2。

圖2 進(jìn)回風(fēng)端頭充填袋結(jié)構(gòu)及掛設(shè)示意圖

3.5 現(xiàn)場(chǎng)充填工藝

充填式擋風(fēng)墻是采用向充填袋內(nèi)充填無(wú)機(jī)泡沫漿液凝固的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)的，將無(wú)機(jī)泡沫充填材料按照一定的比例配置成漿液，然后通過(guò)氣動(dòng)泵輸送到充填袋，一小時(shí)后無(wú)機(jī)泡沫漿液凝固形成實(shí)體并可完全承壓，起到堵漏風(fēng)的作用。

LFM 輕型充填材料為單一與水混合無(wú)機(jī)泡沫材料，水灰配比1:0.8～1（圖3）[8]。使用最新研制的快速凝固性充填材料，從準(zhǔn)備工作到充填袋成墻結(jié)束只需要兩個(gè)小時(shí)即可完成，充填材料終凝時(shí)間不超過(guò)1 h，2 h 后外側(cè)單體可撤除，有效提高了密閉墻的施工速度，提高了施工安全性。

圖3 LFM 輕型充填材料的充填工藝

4 應(yīng)用成本核算

以天安集團(tuán)星村煤礦3310 工作面使用的充填袋在進(jìn)回風(fēng)隅角充填LFM 輕型充填材料為例，充填袋尺寸可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)單體支護(hù)和垮落的實(shí)際情況定制尺寸；充填體積為8～10 m3，僅需4 個(gè)工人一個(gè)班次即可注漿完成，1 h 充填體實(shí)現(xiàn)完全承壓，2 h后外側(cè)單體可撤除，有效提高了實(shí)體擋風(fēng)墻的施工安全性和效率。

5 結(jié)論

對(duì)于實(shí)施大采深、易自燃礦井采煤工作面進(jìn)回風(fēng)端頭封堵漏風(fēng)的措施，充填袋與快速凝固型LFM 輕型無(wú)機(jī)泡沫充填材料相結(jié)合的新工藝，可代替部分隅角施工煤袋墻進(jìn)行堵漏漏風(fēng)，可有效地提高隅角實(shí)體墻的施工效率，大幅度提高現(xiàn)場(chǎng)施工的安全性。成型后的擋風(fēng)墻同時(shí)具備封堵漏風(fēng)和柔性承壓能力，頂板來(lái)壓時(shí)能大大減少隅角的漏風(fēng)量，有效控制和縮小采空區(qū)的自燃區(qū)域。同時(shí)，各種規(guī)格形狀的充填袋與無(wú)機(jī)泡沫充填材料相結(jié)合的模式在各種復(fù)雜異形區(qū)域封堵漏風(fēng)等方面也有良好的應(yīng)用前景。