牛俊國(guó)

（山東能源集團(tuán)魯西礦業(yè)有限公司，山東 菏澤 274700）

工作面在回采過(guò)程中受采煤工藝、地質(zhì)構(gòu)造以及管理水平等影響，采空區(qū)出現(xiàn)大量遺煤，且受頂板周期來(lái)壓影響，煤柱漏風(fēng)通道發(fā)育，導(dǎo)致沿空側(cè)采空區(qū)遺煤在高溫氧化作用下出現(xiàn)自燃現(xiàn)象，造成采空區(qū)內(nèi)CO 濃度升高，威脅著工作面安全生產(chǎn)。由于采空區(qū)面積大，煤柱堵漏、注氮等措施效果不明顯。研究提出將唐口煤礦6309 工作面大采空區(qū)劃分為8 個(gè)網(wǎng)格化小采空區(qū)，壓注凝膠等防滅火材料，注入惰性氣體，確保工作面安全穩(wěn)定回采。

1 礦井及工作面概況

唐口煤礦核定生產(chǎn)能力390 萬(wàn)t，礦井開(kāi)拓方式為立井單水平開(kāi)拓，礦井通風(fēng)方式為分區(qū)式通風(fēng)，采煤方法為走向長(zhǎng)壁全部垮落法開(kāi)采。開(kāi)采煤層為3 煤，煤種屬氣煤，3 煤為自燃煤層，自燃傾向性等級(jí)為Ⅱ類，最短自然發(fā)火期為62 d。礦井-990 m水平揭露地溫在30 ℃以上，本區(qū)平均地溫梯度2.0℃/100 m，原巖溫度38 ℃，遺煤原始溫度高，縮短了煤的自然發(fā)火進(jìn)程。唐口煤礦井下制冷系統(tǒng)于2016 年6 月投入運(yùn)行。夏季運(yùn)行，在井下通過(guò)管路將制冷水輸送至各采掘工作面，利用安裝在進(jìn)風(fēng)筒上的空冷器，實(shí)現(xiàn)對(duì)采掘工作面降溫的目的。

6310 工作面位于630 采區(qū)，井下位于630 回風(fēng)大巷西南側(cè)，為630 采區(qū)第九個(gè)回采工作面，西南至太白西路保護(hù)煤柱，東南5 m 為已回采結(jié)束6309工作面，西部為未開(kāi)拓的實(shí)炭區(qū)。工作面上下方煤層均未開(kāi)采，工作面煤層標(biāo)高-905.7～-920.4 m，地面標(biāo)高約+34.1～+40.5 m，埋深在939.8～960.9 m，平均埋深約950.4 m。工作面走向可采長(zhǎng)度860 m，面寬190 m，煤層厚度約9.1～10 m，均厚9.68 m。工作面采高4.0 m，放煤高度5.68 m，工作面采用全風(fēng)壓通風(fēng)方式，需風(fēng)量1871 m3/min，實(shí)際配風(fēng)量2100 m3/min。

6310 工作面軌道順槽側(cè)6309 采空區(qū)為綜采放頂煤工作面采空區(qū)，采空區(qū)遺煤較多，且6309 工作面回采結(jié)束后，順槽區(qū)域受支撐煤柱及頂板支護(hù)影響難以垮落嚴(yán)實(shí)，形成連通通道，極易發(fā)生自燃火災(zāi)，造成有毒有害氣體涌出，增大煤炭自燃隱患。因此，為治理采空區(qū)自然發(fā)火問(wèn)題，采取了分段隔離防滅火技術(shù)。

2 采空區(qū)分段隔離實(shí)施方法

為治理大面積采空區(qū)自然發(fā)火問(wèn)題，綜合分析采空區(qū)內(nèi)漏風(fēng)通道情況，采取壓注防滅火材料隔離阻斷的措施進(jìn)行采空區(qū)自然發(fā)火治理[1-3]。壓注材料需充填滿全部空間，并且向采空區(qū)內(nèi)壓注的防火隔離材料需要具有一定的堆積性、阻燃性，同時(shí)兼顧經(jīng)濟(jì)性。最終選擇壓注凝膠，凝膠由水玻璃、凝膠促凝劑和水按照一定的比例混合而成，具有保水量大、價(jià)格便宜、現(xiàn)場(chǎng)易施工等優(yōu)點(diǎn)。該材料可通過(guò)調(diào)節(jié)促凝劑比例，控制凝固時(shí)間，從而控制采空區(qū)內(nèi)凝膠的堆積效果[4-6]。

在6310 軌道順槽施工注凝膠鉆孔，采取分段隔離方式，對(duì)6309 采空區(qū)進(jìn)行防滅火技術(shù)治理[7-8]。即將6309 大面積采空區(qū)分成8 個(gè)網(wǎng)格化小范圍采空區(qū)，分別編號(hào)1～8 號(hào)，每段100 m，減少網(wǎng)格之間的相互影響，提高防滅火措施的針對(duì)性，降低防滅火難度。具體如圖1。

圖1 6309 采空區(qū)分段隔離墻布置圖

2.1 在沿空巷道向采空區(qū)施工措施孔

1）施工范圍。6310 軌道順槽沿空側(cè)巷道長(zhǎng)度為830 m，從門(mén)口以里50 m 處起，每間隔100 m 施工1 組注凝膠孔，每組含3 個(gè)鉆孔，共計(jì)8 組。

2）鉆孔布置。沿6310 軌道順槽由外向里的順序施工注凝膠孔，鉆孔每組設(shè)置3個(gè)鉆孔，橫向打設(shè)，鉆孔左右間距3 m，距離底板2.0 m，傾角5°～10°，鉆孔深度6 m，鉆孔透孔至6309 皮帶順槽，孔徑均為Φ75 mm，下Φ50 mm 注漿管，注漿管下至孔底，貫通6309 采空區(qū)，孔口采用水泥配速凝劑封孔，封孔長(zhǎng)度2 m。施工完成后孔口安裝閥門(mén)。

3）施工方法。打眼設(shè)備及要求：注凝膠孔采用氣動(dòng)140 鉆機(jī)配Φ73 mm 鉆桿、Φ75 mm 金剛鉆頭及相應(yīng)長(zhǎng)度鉆桿，由里向外逐個(gè)打眼，孔口要圓，利于注凝膠管安裝及封閉。

鉆孔透孔完畢后，為防止老空區(qū)瓦斯等有害氣體涌出，下設(shè)套管速度要快。套管下設(shè)完畢后，立即安裝Φ50 mm 截止閥，防止采空區(qū)有害氣體溢出及氧氣進(jìn)入。

2.2 采空區(qū)注凝膠分段隔離

通過(guò)打設(shè)的8 組措施孔向6309 采空區(qū)壓注凝膠。從切眼向外依次通過(guò)措施孔向6309 采空區(qū)壓注凝膠，每組措施孔分為3 個(gè)鉆孔，首先壓注中間鉆孔，然后壓注左右兩側(cè)鉆孔。每個(gè)鉆孔壓注21 t水玻璃和7 t 促凝劑、水混合后的凝膠體，每組3個(gè)措施孔共壓注84 t 凝膠。

壓注時(shí)使用NJB-80/2 型防滅火凝膠泵或風(fēng)動(dòng)注漿泵，凝膠泵主要由主泵、輔泵、膠料流量調(diào)節(jié)器、電動(dòng)機(jī)及附件構(gòu)成。凝膠泵通過(guò)Φ25 mm 高壓膠管輸送水玻璃與凝膠促凝劑到混合器，經(jīng)混合器混合后壓注到采空區(qū)內(nèi)。水玻璃:促凝劑:水（質(zhì)量比）調(diào)節(jié)為9:3:88，液態(tài)在30～400 s 內(nèi)形成固態(tài)膠體。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件，壓注凝膠量為充填滿全部順槽未垮落空間。凝膠壓注流程如圖2。

圖2 凝膠壓注流程圖

8 組鉆孔全部壓注完成后，對(duì)1 號(hào)、5 號(hào)凝膠隔離墻施工質(zhì)量進(jìn)行了抽檢。抽檢采用窺視儀，在6310 軌道順槽內(nèi)施工窺視孔，窺視孔施工在巷道頂部，檢驗(yàn)?zāi)z堆積情況。將窺視儀探頭插入采空區(qū)內(nèi)，經(jīng)檢查孔內(nèi)及四周全部是凝膠，證明采空區(qū)內(nèi)凝膠已充填至巷道頂部，達(dá)到了預(yù)期效果。

2.3 監(jiān)測(cè)采空區(qū)

對(duì)分割后的獨(dú)立采空區(qū)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，在每個(gè)獨(dú)立采空區(qū)中施工觀測(cè)管，安裝U 型水柱計(jì)，每天安排專人對(duì)觀測(cè)管采樣色譜分析，同時(shí)記錄U 型壓差及示數(shù)。通過(guò)氣體化驗(yàn)分析發(fā)現(xiàn)第7、8 號(hào)網(wǎng)格內(nèi)受采動(dòng)影響漏風(fēng)通道發(fā)育，氧氣濃度及一氧化碳濃度高，存在自然發(fā)火預(yù)兆，需要采取針對(duì)性措施。束管布置如圖3，各網(wǎng)格采空區(qū)內(nèi)氣體情況如圖4。

圖3 束管布置示意圖

圖4 6309 采空區(qū)分割后不同網(wǎng)格內(nèi)氣體情況

3 隔離煤柱堵漏方法

為進(jìn)一步封堵隔離煤柱漏風(fēng)通道，采取注漿加固和噴涂高分子材料相結(jié)合的方式。結(jié)合隔離煤柱厚度5 m，巷道高度4 m 的實(shí)際情況，采取的注漿加固方法如下：采用手持式鉆機(jī)，施工Φ34 mm 鉆孔，鉆孔深度3 m；施工完成后將鉆桿拔出，下放1 寸鋼管作為套管，套管長(zhǎng)度3 m，其中第3 m 割孔作為篩管使用，外段2 m 采用平管，管口安裝Φ25 mm 截止閥；采用快速封孔材料封孔，封孔長(zhǎng)度0.5 m。鉆孔布置沿巷道走向方向間隔2 m 施工1個(gè)，從上到下施工3 排。鉆孔施工完成后開(kāi)始注水泥漿，壓注水泥漿以煤壁滲出漿液為停止標(biāo)準(zhǔn)。另外對(duì)煤柱采取噴涂高分子材料進(jìn)行堵漏，高分子材料為A、B 料混合反應(yīng)，利用高壓風(fēng)噴涂，噴涂整個(gè)沿空側(cè)煤幫并延伸至頂板上方1 m 范圍，確保堵漏效果。

4 注惰性氣體及效果檢驗(yàn)

采空區(qū)分段隔離后，為快速降低采空區(qū)內(nèi)氧氣濃度，采取“各個(gè)擊破”的方式，首先向8 號(hào)網(wǎng)格內(nèi)注氮?dú)猓獨(dú)饬髁?00 m3/h，每天注18 h。2021年12 月3 號(hào)開(kāi)始注氮?dú)猓刻鞂?duì)8 號(hào)網(wǎng)格取氣色譜儀分析，采空區(qū)內(nèi)自然發(fā)火標(biāo)志氣體濃度，采空區(qū)內(nèi)基本治理到位，取得了預(yù)期效果，累計(jì)共注氮?dú)?.36 萬(wàn)m3。采空區(qū)內(nèi)氣體監(jiān)測(cè)變化情況如圖5。從圖5 可以看出，自12 月3 號(hào)開(kāi)始?jí)鹤⒁旱?，采空區(qū)CO、O2濃度出現(xiàn)急劇下降趨勢(shì)，到12 月10 號(hào)左右CO 濃度低于25×10-6、O2濃度低于10%并趨于平穩(wěn)，達(dá)到了良好治理效果。

圖5 6309 采空區(qū)8 號(hào)網(wǎng)格內(nèi)氣體情況

根據(jù)8 號(hào)網(wǎng)格采空區(qū)治理的成功經(jīng)驗(yàn)，采取同樣措施對(duì)外段其他網(wǎng)格分別進(jìn)行了治理，并取得了良好的效果。截至2022 年2 月20 日，6309 采空區(qū)所有網(wǎng)格內(nèi)氧氣濃度均穩(wěn)定在10%以內(nèi)，一氧化碳濃度未超過(guò)24×10-6，無(wú)自然發(fā)火預(yù)兆，實(shí)現(xiàn)了預(yù)期目標(biāo)。

5 結(jié)論

采取采空區(qū)壓注凝膠分段隔離并注入惰性氣體技術(shù)，對(duì)6310 工作面軌道順槽側(cè)6309 采空區(qū)進(jìn)行防滅火治理，取得顯著效果，為采空區(qū)防滅火提供了成功經(jīng)驗(yàn)。具體如下：

1）沿空回采工作面采空區(qū)自然發(fā)火問(wèn)題具有周期性。受工作面推采影響，采空區(qū)內(nèi)漏風(fēng)通道發(fā)育，靠近工作面的沿空側(cè)采空區(qū)容易出現(xiàn)自然發(fā)火預(yù)兆，且自然發(fā)火區(qū)域隨著工作面推采不斷前移，具有周期性。

2）采取大面積采空區(qū)分段隔離技術(shù)，起到了“一舉兩得”的效果，一是阻斷了采空區(qū)內(nèi)的氣體流通，原來(lái)靠近工作面推采位置處的漏風(fēng)裂隙不能再影響整個(gè)采空區(qū)；二是分段隔離為注惰性氣體提供了相對(duì)封閉的狹小空間，使注惰性氣體效果明顯，采取“各個(gè)擊破”方法，達(dá)到了快速降低采空區(qū)內(nèi)氧氣濃度的效果。

3）采空區(qū)氣體監(jiān)測(cè)在火災(zāi)防治中起到了至關(guān)重要的作用，要加強(qiáng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的分析研究，提前預(yù)判采空區(qū)內(nèi)災(zāi)害情況，發(fā)現(xiàn)自然發(fā)火預(yù)兆，及時(shí)采取措施將自燃火災(zāi)控制在萌芽狀態(tài)，能夠大大降低火災(zāi)治理費(fèi)用和難度。