采煤工作面運輸巷空巷防火充填技術研究

陳 虎 張紅軍 閆玉山

（兗煤菏澤能化有限公司趙樓煤礦，山東 鄆城 274700）

1 礦井概況

趙樓煤礦位于山東省鄆城縣城東南約22 km，巨野縣城西13 km，行政區劃歸鄆城縣、巨野縣管轄，隸屬兗煤菏澤能化有限公司。井田南北長約9.9 km，東西寬約12～15.9 km，面積143 km2。礦井2005 年1 月動工，2009 年12 月建成投產。

趙樓礦井采用立井開拓，在工業廣場設主井、副井、風井三個井筒。礦井開采水平為-860 m 水平，主要開采3 煤層。目前礦井布置2 個采煤工作面、8 個掘進工作面。礦井核定生產能力為330 萬t/a。井口標高+45 m，歷史最高洪水位+44.1 m。礦井為低瓦斯礦井、沖擊地壓礦井、水文地質類型中等礦井。沖擊傾向性鑒定結果為3 煤層及頂底板均具有弱沖擊傾向性。主要災害為沖擊地壓、自然發火、煤塵爆炸。

礦井現開采3 煤，2018 年4 月，經山東鼎安檢測技術有限公司煤自燃傾向性鑒定，3 煤為Ⅱ類自燃煤層，最短發火期為55 d。

2 7302 工作面概況

2.1 基本情況

7302 工作面為七采區西翼首采工作面，工作面煤層存在分岔與合并現象，工作面推進方向切眼及停采線處為3 煤合并區，中間部分分岔為3上、3下煤，分岔區約占整個工作面面積的75%。煤層厚度（合并區3 煤或分岔區3上、3下煤厚度之和）5.3～7.5 m，平均6.0 m；分岔區內3上煤層厚度1.8～3.5 m，平均2.4 m；3下煤層厚度2.5～3.6 m，平均3.0 m；分岔區煤層間距0.7～12.4 m，平均5.1 m。夾矸為泥巖、碳質泥巖。

煤層7302 綜放工作面呈刀把式布置，如圖1，走向長202.8/800/377.5 m，面長155/295/233.7 m，面積352 934.3 m2，平均煤厚6.7 m，可采儲量272.5 萬t。7302 綜放工作面南鄰設計的7304 工作面，東距七采區輔運巷，最近距離220 m，西部及北部鄰近五采區與七采區邊界。煤層底板標高：-733～-821 m，平均-777 m。

圖1 7302 工作面布置圖

2.2 運輸巷情況

7302 運輸巷東部、南部為7302 工作面，北部為7302 運輸順槽，西部為7302 工作面2#切眼。運輸巷分兩段，里段平行于工作面順槽，影響推進125 m；外段巷道為矩形斷面，凈高為4.0 m，凈寬為4.0 m，與工作面呈45°夾角，長度210 m，影響推進142 m。工作面同時揭露運輸巷長度約5.6 m。

7302 運輸巷采用錨網索復合式支護，頂板支護采用Ф22 mm×2400 mm 高強度螺紋鋼錨桿配合長4800 mm/4000 mmT 型鋼帶，巷道兩幫部支護采用Ф20 mm×2500 mm 高強度全螺紋錨桿配合2000 mm/1150 mmT 型鋼帶，頂板施工18#B 槽鋼錨索梁加強支護，錨索采用Ф22 mm×6200 mm 高強度低松弛預應力錨索。

3 運輸巷存在發火風險分析

7302 綜放工作面最大開采深度超過900 m，原巖溫度高，該工作面運輸順槽受鄰近FZ14 斷層、3煤層分叉等地質構造影響，工作面跨中間運輸巷開采，中間運輸巷頂幫錨桿、錨網用采煤機截割，易產生火花，存在火災重大風險。運輸巷空巷遺留部分破碎煤體，極易造成煤體氧化升溫自燃。工作面跨中間運輸巷開采期間推進速度較為緩慢，為運輸巷空巷遺煤氧化聚熱提供了充足的時間，浮煤氧化的熱量不易散發，導致熱量集聚，溫度升高，存在自然發火重大風險。

4 綜合防滅火措施

4.1 運輸巷巷道下部煤炭充填

運輸巷外段使用煤炭充填巷道下部（2±0.2）m 范圍，其余部分使用防火材料充填，保證全巷道充填密實。充填段內留設Ф219 mm 塑料管2 路作為通風管，固定在頂板錨網上。其中一路通風管在每根管路上預留Ф18 mm 孔，用于下步充填段的防火處置[1]。運輸巷外段充填封堵斷面示意圖如圖2。

圖2 運輸巷外段充填封堵斷面示意圖

4.2 運輸巷里段端頭筑擋墻封堵

在運輸巷里段端頭使用單體液壓支柱、木板煤粉袋筑擋墻。單體液壓支柱支設4 棵，排距1 m，垂直于巷道呈一條直線布置。木板尺寸為長×寬×厚=4800 mm×500 mm×50 mm，緊密排列固定在液壓單體支柱上。在木板的非單體側覆蓋一層風筒布，防止擋墻漏風。在風筒布外側全斷面施工2 m 厚煤粉袋，實現運輸巷嚴密封堵。在擋墻上方中間位置留兩路Ф219 mm 管路做后期通風管道。具體筑墻位置及筑墻方式如圖3。

圖3 運輸巷里段端頭擋墻筑墻方式示意圖

4.3 7302 運輸巷充填前防滅火準備工作

（1）通防工區根據措施要求，提前將2 臺防滅火注膠泵、4 臺開關、2 臺攪拌器、30 噸普瑞特Ⅳ防滅火材料，10 噸LFM 新型充填材料等物料運輸至7302 運輸巷三岔口處，并在順槽非采幫側按順序碼放好。

（2）聯系綜采一區對2 臺防滅火注膠泵和2臺攪拌器進行搭接電源，供應負荷。

（3）配合綜采一區在運輸巷里段端頭施工2道板障，隨煤袋墻同步壘高，并預留1 m 空間進行充填LFM 新型材料。

（4）預先靠幫距頂板1 m 處留設兩路Ф25 mm 防滅火液壓膠管至運輸巷里段端頭，方便后期充填處理。

4.4 運輸巷里段充填LFM 新型材料

（1）在運輸巷里段端頭處施工煤袋墻至2 m高時，利用預留兩路Ф25 mm 防滅火液壓膠管改為壓風和供水管路，利用風泵、LFM 新型充填材料、半圓桶等對運輸巷里段端頭預留1 m 空間的板障隔段進行充填，對兩幫和頂底板預先掏槽，并四周敷設風筒布減少漏風和漏料。

（2）累計充填LFM 新型材料3.75 t（備注：水灰比為1:0.4～0.8，1 噸LFM 輕型充填材料可充填約8 m3的空間）。

4.5 運輸巷外段充填普瑞特Ⅳ

（1）從供電線路中引出兩路線纜，連接配套的隔爆開關，一路接高粘度泵，一路接制漿裝置；從供水管路引出兩路水管到制漿裝置兩個配料箱；制漿裝置與高粘度泵之間用兩路Ф51 mm 高壓管連接；高粘度泵與混合裝置之間用兩路Ф32 mm 高壓管連接；混合裝置出口連接Ф51 mm 高壓膠管至注漿點。

（2）檢查電器設備接線是否安全可靠，檢查管路連接可靠；開啟供水閥門，向制漿裝置中加入清水；分別接通制漿裝置及注漿泵電源，檢查確保設備運行平穩，注漿管出口壓力正常，即可開始注漿施工。

（3）安排專人負責開泵、停泵操作；制漿裝置中按比例添加水及材料，同時開啟制漿裝置攪拌制漿；開啟高粘度泵抽取攪拌均勻的A、B 料水溶液，在前端混合器中進行充分混合，通過注漿管路對治理區域進行連續大流量注漿；開啟注漿泵抽料同時，保證制漿裝置持續配水、料制漿。

（4）運輸巷外段長度約200 m，充填空間高為2 m，寬4 m，合計充填總體積約1600 m3。采用普瑞特Ⅳ材料進行施工，分別將A 料、B 料按一定添加比（本次施工水灰質量比16:1）添加至雙組分一體化制漿裝置，與水充分攪拌混合形成預混液，通過高粘度泵送成膠系統制備出普瑞特，通過注漿管路灌注入防滅火區域。約2 min 后可以形成固體材料。工藝流程如圖4。

圖4 普瑞特Ⅳ應用工藝流程圖

（5）現場應用過程中，每小時可達到充填空間24 m3，累計使用普瑞特材料85 t，充填空間1360 m3。

（6）施工結束后，立即清理以下部位：制漿裝置、注漿管路、注漿泵。制漿裝置停機前，必須繼續供清水約10 min，保證輸送裝置進料口、出漿口必須清理干凈。注漿管路內必須用清水沖洗干凈，保證管路內無殘余漿料以防堵塞管路。

4.6 運輸巷外段充填高水充填材料

（1）采用水、甲、乙、AA、BB 材料進行混合配比施工（質量比為6:1:1:0.1:0.04），甲料和AA 料進行混合配比，乙料和BB 料進行混合配比，利用原施工普瑞特高粘度泵，通過兩趟注漿管路后混合成一路灌注入防滅火區域，大概5 min 后凝結成固體，強度可達到1 MPa，人踩在固體上材料無變形。

（2）現場應用過程中，每小時可達到充填空間24 m3，累計使用礦大高水充填材料17.5 t，充填空間140 m3。

5 效果分析

實際充填工作量見表1。

表1 趙樓煤礦7302 運輸巷充填工作量統計表

（1）利用LFM 新型材料、普瑞特Ⅳ、高水充填材料三種防滅火材料，在7302 運輸巷進行充填巷道防滅火現場試驗研究，掌握了各種防火材料施工的正確方法，得出了充填巷道的實際應用效果。LFM 新型材料工藝簡單，適合小范圍充填噴涂及加固，應用范圍較廣；普瑞特Ⅳ防火材料利用22 kW雙缸注漿泵，提高充填效率，穩定可靠；高水充填材料適合大面積、大范圍采空區或巷道充填，施工效率高，成膠固體強度好，四種材料要求配比精確性高，現場充填應用效果好。

（2）采用高水材料等防火材料配合煤炭充填空巷新技術，使得垮落空間的頂板及兩幫得到有效支護。工作面過空巷時，采煤機像采煤一樣直接切割充填體，上部充填體成為直接頂。由高水材料固結形成的充填體具有較大的承載能力，能夠支撐基本頂，同時傳遞液壓支架支護阻力，保持充填體墻壁及頂板完整。充填體具有較好的變形特性，受到超前支承壓力作用時，能適量變形從而讓壓，防止充填體發生片幫、冒頂。高水材料制成的充填漿液具有很強的流動性和滲透性，漿液經擠壓滲透到圍巖縱橫交錯的裂隙中并固結后，呈層狀、網狀、脈狀分布，在圍巖中形成網絡骨架結構，構成圍巖復合結構。在圍巖淺部，漿液固結體呈薄厚不一的片狀或條狀，幾乎可相互連通形成網絡骨架，形成網絡骨架的高水速凝材料的抗壓強度不一定比圍巖大，但高水速凝材料固結體具有良好的韌性和粘結性，能將破碎圍巖粘結成整體，阻止圍巖進一步片幫或冒落。

（3）具有優良流動性的高水等防滅火材料能夠把巷道或空間圍巖中的各種大小裂隙充滿，最終把圍巖裂隙、破碎矸石及碎煤膠結起來，使得原來的巷道或空間重新成為一個整體，提高了巷道或空間的整體性能和承載性能，防火的同時也從而有效預防了沖擊礦壓。

6 結語

用高水材料等防火材料配合煤炭充填空巷新技術形成的固結體不但能夠起到支護的作用，而且還易于被采煤機切割，大大提高了綜采工作面過空巷的效率。

現場應用的效果也證明了該材料具有注漿速度快、滲透性好、封堵漏風效果好、防止復燃且具有增強支護效果、防沖擊礦壓等優勢，該項技術具有良好的推廣價值。