地表塌陷區“多點、分層、全覆蓋”一體化模式防滅火技術研究與應用

1 概 述

礦井火災是煤礦主要災害之一。礦井火災一旦發生，輕則影響安全生產，重則燒毀煤炭資源和物資設備，造成人員傷亡，甚至引發瓦斯、煤塵爆炸事故。煤層自燃火災的防治，不僅需要具有既能很快地降低煤溫，又能很好的地隔絕煤氧接觸，并同時在防滅火過程中有安全可靠的技術保障。

2 礦井概況

拜城縣峰峰煤焦化有限公司宏鑫煤礦位于天山南麓山前丘陵區，地勢總趨勢為北高南低、西高東低的陡斜坡地形。礦區內地形表現為三縱兩橫，即縱向溝谷三條：從東向西依次為阿合東莫學克溝、阿合西莫學克溝、采特爾溝，溝谷為“U”型；兩橫為：一條沿A煤組煤層露頭的“U”型谷、一條沿B煤組煤層露頭的“U”型谷。

井田范圍內可采煤層二層，自上而下分別是C2、B1煤層；C2煤層平均厚度2.03m，B1煤層平均厚度7.09m。煤層傾角平均47度為急傾斜煤層，目前礦井開采煤層為B1煤層。

2014年5月份[新煤行管（2014）125號]文批準鑒定結果：礦井瓦斯絕對涌出量為10.49m3/min，屬于高瓦斯礦井。自燃傾向性鑒定，B1煤層屬于二類易自燃煤層，自燃發火期4～6個月。煤塵具有爆炸性。

從地面打鉆資料顯示，采空區火區都在露頭煤以下20m左右，分布較淺，并集中在西翼邊界處沿煤層走向共約100m的條帶范圍內。

3 問題的提出

礦井生產初期，采煤方法相對落后，均采用倉儲式采煤方法進行回采，回采率低，采空區丟煤嚴重。淺部開采結束后，地表受采動影響形成塌陷區，局部造成山體垮塌。地表通過塌陷區向采空區漏風嚴重，逐步形成火區。

丘陵地帶急傾斜煤層地表塌陷自燃發火區治理難點：①塌陷區上方為山體垮落帶下方為采空區，大型工程機械無法靠近。②用單一回填黃土方法堵漏，隨著采空區垮落，治理周期短，人力向塌陷區運土不安全。③從地面向采空區打孔注漿防滅火，由于采空區上部塌陷區與地表導通，上部漏風得不到有效治理，預防性注漿后仍會死灰復燃。地表塌陷自燃發火反反復復得不到有效治理逐步向下蔓延將直接影響整個礦井安全。

4 解決思路

通過總結以往治理地表塌陷區自燃發火經驗，針對現場實際情況，我們成功制定出一套“多點、分層、全覆蓋”一體化模式的防滅火技術，在實際應用過程中效果良好。

4.1 “多點”

多點即多點布孔，在塌陷區煤層底板處，沿煤層走向布置順傾向施工注漿鉆孔。由于急傾斜煤層，泥漿向下方滲透較快，四周擴散困難，如果鉆孔布置不合理，會出現采空區下方密閉墻向巷道潰漿，而局部高處還沒有灌漿現象。考慮這些因素后我們多次在冒落區模擬采空區的環境，相同高度相同角度埋管注漿。根據現場效果得出鉆孔間距4.5m時，在短時間內可以達到注漿效果。

4.2 “分層”

分層即分層回填，淺部采空區與深部采空區不同，淺部采空區上方垮落帶與地表直接導通，打鉆注漿后還必須對上方山體垮落帶進行回填封堵，方能達到滅火效果。簡單回填黃土，治理周期短，受地理位置限制勞動強度大，環境危險，而且效果不明顯。垮落帶大致可分為壓實層、裂隙層和砟石層。針對不同層位狀態不同，采用不同材料，通過不同方式進行逐層處理。壓實層由于巖體密實需要帶壓進行注漿，裂隙層用大功率泥漿泵將泥漿通過管路打到山體冒落區直接澆灌，最后是砟石層，由于山體垮塌后大石塊較多，泥漿不容易留住，利用噴漿機向大石塊區域噴射黃土干濕料，不僅充填平整而且密實，效果非常好。

4.3 “全覆蓋”

全覆蓋即噴射混凝土覆蓋，山體垮塌后，周邊巖體開裂漏風，塌陷區上方新噴射的黃土干濕料容易風化減少失去作用，全覆蓋噴射混凝土后，不僅可以加固巖體，還可以保護黃土層，起到雙重保護作用。

5 現場應用

在宏鑫煤礦井田西部邊界有一處塌陷區，塌陷區上部山體垮塌嚴重，塌陷面積約300m2。塌陷區范圍內常年冒煙，表土層燒焦，近距離可聽見火風壓形成的呼呼聲。多處裂隙向井下漏風嚴重。若不能有效治理，內部火區逐步向下延伸會與1570回風巷上部采空區導通，危害整個礦井安全。

5.1 塌陷區形成原因及危害

5.1.1 形成原因

通過現場調查和圖紙比對，該處塌陷區是由礦井早期采用倉儲式采煤方法開采淺部煤層后采空區塌陷造成。由于漏風嚴重采空區煤炭自燃形成火區。

5.1.2 危 害

塌陷區若不能有效治理，內部火區逐步向下延伸會與1570回風巷上部采空區導通，危害整個礦井安全。

5.2 塌陷區治理方案

經公司領導現場調研研究決定，采用“多點、分層、全覆蓋”一體化模式防滅火技術對其進行治理，首先在煤層底板側向火區內部打鉆注黃泥漿，然后對火區上方垮落帶進行分層回填，最后噴漿覆蓋，內外兼治的方法徹底治理塌陷區自燃發火。

5.2.1 注漿施工工藝流程

放線定孔→鉆孔→下管→封孔管→注漿→封孔。

5.2.2 注漿鉆孔布置與施工

鉆孔采用ZYW-4000鉆機128mm鉆頭成孔。鉆孔沿B1煤層走向布置沿傾向施工，傾角30°，鉆孔間距4.5m，孔深35m。封孔管采用108mm鋼管，長度5m，封孔長度不小于3m。

5.2.3 漿液配置

泥漿材料：水、黃土混合而成。

泥漿配比：1（黃土）：4（水）。

泥漿制作工藝：原材料按照配比要求裝入混凝土攪拌機充分攪動，在攪動過程中混合均勻，形成漿液。用篩網過濾較大的砂石后輸入注漿泵。

5.2.4 注漿順序

注漿采用BW-250型注漿泵，孔口封閉一次性注漿。注漿時濃度要由低到高，逐步達到配比濃度。

6 “多點、分層、全覆蓋”一體化防滅火技術現場應用效果

治理前，塌陷區范圍內常年冒煙，表土層燒焦，近距離可聽見火風壓形成的呼呼聲。多處裂隙向井下漏風嚴重。治理后，徹底杜絕了漏風現象，地表溫度也恢復正常。井下1570回風巷上部采空區氣體取樣分析，未發現一氧化碳。

7 結 論

該技術與常用滅火方法機理相同，但針對實際情況存在的問題，采用不同的工藝流程，達到滅火的效果，一體化防滅火技術不但投入少，工期短，見效快，還易操作，施工安全。此項工程不僅為企業節約成本200余萬元，而且為礦井延伸提供了安全保障。

收稿日期：2018-3-25

作者簡介：張曉飛（1981-），采礦助理工程師，本科，現任峰峰集團拜城縣峰峰煤焦化有限公司宏鑫煤礦總工程師。