煤礦深部采空區(qū)自然發(fā)火防治的技術(shù)實(shí)踐

蘇海龍 江成凱

（濟(jì)寧礦業(yè)集團(tuán)花園井田資源開發(fā)有限公司，山東 濟(jì)寧 272200）

1 工程概況

濟(jì)寧礦業(yè)集團(tuán)花園井田資源開發(fā)有限公司（簡稱花園煤礦）地處濟(jì)寧金鄉(xiāng)煤田，礦井于2005 年7 月開工建設(shè)，2009 年7 月建成投產(chǎn)，井田面積28.607 9 km2。截至目前，礦井保有資源儲量6 720.2萬t，可采儲量277.3 萬t，設(shè)計產(chǎn)能45 萬t/a。主要開采3#煤層，該煤層賦存較為穩(wěn)定，傾角2°～16°，平均厚度2.48 m，具有自燃傾向性，為Ⅱ類自燃煤層，煤樣吸氧量為0.66 cm3/g。

礦井先后完成了北翼一、二采區(qū)和東翼四采區(qū)的回采，從未出現(xiàn)有空區(qū)或密閉區(qū)域內(nèi)自然發(fā)火現(xiàn)象。2021 年上半年開始對五采區(qū)進(jìn)行開采，煤層深度由-500 m 至-700 m 范圍，增加到-800 m 范圍內(nèi)。根據(jù)實(shí)際揭露煤層的情況，較礦井其他已完成回采的區(qū)域，煤層厚度增加，賦存條件相對穩(wěn)定。由于煤層深度增加，對預(yù)防煤層自然發(fā)火工作提出了更高的要求。2021 年第四季度開始，對五采區(qū)含煤舊巷密閉檢查發(fā)現(xiàn)存在自然發(fā)火風(fēng)險，具體表現(xiàn)為：密閉內(nèi)連續(xù)性的氣體分析中檢測到微量的一氧化碳?xì)怏w，舊密閉存在承受壓力較大造成的破損，密閉產(chǎn)生裂隙漏風(fēng)造成自然發(fā)火風(fēng)險因素增加。因此，必須采取針對性治理措施，消除自然發(fā)火隱患。

2 控制自然發(fā)火風(fēng)險的可行性分析

（1）根據(jù)花園煤礦五采區(qū)3 煤層自燃傾向性鑒定報告可知，其自燃傾向性為Ⅱ類自燃，最短自然發(fā)火期為60 d，表明開采深度增加以后采空區(qū)自然發(fā)火風(fēng)險較淺部升高，也表明礦井深部防治煤層自然發(fā)火難度增大。

（2）通過對已有舊老采空區(qū)氣體分析對比，發(fā)現(xiàn)深部采空區(qū)自然發(fā)火趨勢較為突出，主要原因是含煤封閉區(qū)域自然發(fā)火風(fēng)險疊加因素增加，例如煤層厚度增加、煤層賦存地質(zhì)條件變化和埋藏深度增加造成地溫升高等因素。

（3）對已封閉舊巷道進(jìn)行密閉墻體排查中發(fā)現(xiàn)，因受采動影響和巷道變形因素影響造成密閉受損，且受損范圍在靠近頂板區(qū)域不易被發(fā)現(xiàn)，密閉漏風(fēng)為采空區(qū)提供了供氧條件，增加了密閉墻體內(nèi)遺留煤炭自然發(fā)火風(fēng)險。

（4）提升采空區(qū)密閉質(zhì)量、控制向采空區(qū)漏風(fēng)，是消除煤層自然發(fā)火風(fēng)險的有效手段。

綜合上述分析，花園煤礦較深部的五采區(qū)封閉區(qū)域，通過提升密閉墻施工質(zhì)量能夠?qū)崿F(xiàn)自然發(fā)火風(fēng)險的有效控制。

3 五采區(qū)封閉區(qū)域自然發(fā)火風(fēng)險高的原因分析

3.1 墻體厚度尺寸小

對五采區(qū)舊巷道范圍內(nèi)重點(diǎn)密閉墻進(jìn)行分析統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，存在破損的密閉墻厚度小于800 mm，雖然與《礦井密閉防滅火技術(shù)規(guī)范》中的標(biāo)準(zhǔn)相符，但是部分厚度大于800 mm 的密閉墻沒有出現(xiàn)墻體破損、開裂現(xiàn)象，因此增體厚度對墻體開裂破損有直接影響，進(jìn)而成為影響該區(qū)域自然發(fā)火風(fēng)險高的重要因素。

3.2 普通水泥磚石抗壓能力差

五采區(qū)范圍內(nèi)舊巷密閉存在采用普通水泥磚石構(gòu)筑密閉墻情況。現(xiàn)場查驗(yàn)發(fā)現(xiàn)采用普通水泥磚石構(gòu)筑的密閉墻受壓墻體開裂破損較多，經(jīng)對照密閉構(gòu)筑原始臺賬發(fā)現(xiàn)，未出現(xiàn)開裂破損密閉墻基本上是采用小塊紅磚構(gòu)筑的密閉墻。因此構(gòu)筑材料對密閉墻的質(zhì)量存在較大影響。

3.3 破損點(diǎn)存在不易被發(fā)現(xiàn)的情況

對五采區(qū)舊巷密閉墻現(xiàn)狀進(jìn)行仔細(xì)檢查，發(fā)現(xiàn)密閉破損區(qū)域位于頂部邊緣區(qū)域，日常檢查時不容易發(fā)現(xiàn)，進(jìn)而不能及時發(fā)現(xiàn)密閉墻真實(shí)現(xiàn)狀，增加了該類風(fēng)險的隱蔽性。

4 采空區(qū)自然發(fā)火防治技術(shù)方案

針對五采區(qū)自然發(fā)火風(fēng)險中的主要因素：墻體厚度低、普通水泥磚石抗壓能力差、密閉破損區(qū)域位于頂部邊緣區(qū)域檢查人員不容易發(fā)現(xiàn)等，提出防治技術(shù)方案[1-4]如下：

4.1 墻體厚度尺寸優(yōu)化方案

根據(jù)現(xiàn)場施工條件，在原受損墻體外再行重新構(gòu)筑一道密閉墻，并向兩墻體中間充填水泥砂漿或其他輕型充填材料。在密閉墻構(gòu)筑時預(yù)留注漿及壓注輕型充填材料管路，施工周期短，方案可行；另外水泥砂漿費(fèi)用低，輕型充填材料價格合適。因此，該方案能夠有效增加墻體厚度，充填漏風(fēng)通道，杜絕漏風(fēng)通道的產(chǎn)生，且施工周期短。

4.2 增強(qiáng)密閉構(gòu)筑材料抗壓能力優(yōu)化方案

全部采用小塊磚石構(gòu)筑密閉墻。雖然普通水泥磚石體積大，構(gòu)筑墻體產(chǎn)生縫隙的數(shù)量少，施工速度快，但是綜合考慮抗壓條件，還是小塊紅磚構(gòu)筑墻體抗壓能力更強(qiáng)。該方案抗壓強(qiáng)度有所增大，能滿足深部巷道抗壓影響破壞要求，同時能夠解決局部區(qū)域封堵處理不嚴(yán)實(shí)的問題，墻體穩(wěn)定性增強(qiáng)，墻面平整性好，能進(jìn)一步加強(qiáng)墻體抗壓抗拉能力。

4.3 增強(qiáng)檢查人員發(fā)現(xiàn)問題的能力方案

加強(qiáng)密閉檢查人員的綜合業(yè)務(wù)素質(zhì)培訓(xùn)，提高對密閉質(zhì)量日常檢查的有效性，加強(qiáng)對原始檢查記錄的現(xiàn)場情況核實(shí)。（1）定期開展人員的業(yè)務(wù)知識技能培訓(xùn)和事故案例教育，并對培訓(xùn)結(jié)果進(jìn)行內(nèi)部考核；（2）定期在井下進(jìn)行實(shí)際密閉檢查情況的抽查核實(shí)；（3）根據(jù)需要配備可靠的登高輔助裝備，滿足檢查人員對密閉整體情況全面檢查的要求。

5 五采區(qū)封閉區(qū)域自然發(fā)火防治方案實(shí)施

5.1 重新構(gòu)一道建筑密閉墻

5.1.1 實(shí)施過程

五采區(qū)封閉區(qū)域的密閉設(shè)計均采用兩道密閉墻，并向兩墻中間充填不燃物的方式，又稱為“雙墻充填”方式。

在五采區(qū)封閉區(qū)域密閉施工時，首先利用施工的雙墻體作為“模具”，在墻體之間空間穩(wěn)步連續(xù)壓注水泥砂漿，并及時進(jìn)行攪拌壓實(shí)，至充填材料向密閉周邊裂隙滲入，進(jìn)而形成厚度達(dá)0.5 m 以上的抗壓能力強(qiáng)勁的墻體，即實(shí)現(xiàn)復(fù)合式封閉墻體，提高封閉和防漏風(fēng)實(shí)際效果。

5.1.2 效果確認(rèn)

該類型密閉在五采區(qū)施工后，定期進(jìn)行密閉實(shí)際墻體穩(wěn)定情況和密閉內(nèi)外氣體情況的檢查，證明其既能確保密閉縫隙充實(shí)、質(zhì)量提高，又能起到穩(wěn)定支撐、保障封閉空間安全的效果。

5.2 采用噴漿方式加固密閉墻

5.2.1 實(shí)施過程

使用噴涂水泥砂漿的方式對舊密閉墻封閉質(zhì)量進(jìn)行再加強(qiáng)。在各地點(diǎn)的密閉墻體施工結(jié)束后，或出現(xiàn)破損的密閉墻體情況，及時對密閉墻體及四周至少不低于0.5 m 范圍內(nèi)的區(qū)域進(jìn)行全部噴涂砂漿再次封閉，真正起到加固和提升密閉墻封堵的作用。

噴漿墻體混凝土配合比為水泥:黃沙=1:3，水灰比為0.5:1，同時為加快澆筑墻體凝固速度，可以加入水泥量4%的速凝劑。

根據(jù)密閉所處位置，為減少作業(yè)對工作環(huán)境的不利影響，也可以選擇性地噴涂TSL 無機(jī)類的封堵材料。例如選用瑞諾韌性薄噴材料，通過A 組分（水性無機(jī)增稠劑）與B 組分（超細(xì)無機(jī)礦物粉）的共同作用，形成有效的縫隙堵漏；相關(guān)作業(yè)設(shè)備均以壓風(fēng)為動力，便于頻繁變換作業(yè)位置，職工勞動強(qiáng)度較低，噴涂作業(yè)中無回彈和顆粒發(fā)生散漫，對操作職工和作業(yè)環(huán)境都不產(chǎn)生粉塵危害。

5.2.2 效果確認(rèn)

采用該處置方式的密閉在五采區(qū)及沿線密閉作業(yè)施工后，通過定期進(jìn)行密閉封閉情況檢查，確保了密閉墻體縫隙覆蓋嚴(yán)實(shí)全面、封堵質(zhì)量良好，密閉內(nèi)外氣體分析正常，未出現(xiàn)異常氣體方面的影響。

5.3 加強(qiáng)員工綜合業(yè)務(wù)素質(zhì)培訓(xùn)

針對五采區(qū)密閉墻體分布位置和具體檢查工作中存在較高地點(diǎn)的情況，定期對密閉施工人員和檢查人員開展相關(guān)專業(yè)知識與處理問題的針對性培訓(xùn)，進(jìn)行現(xiàn)場評比考核，不斷提高業(yè)務(wù)知識和操作技能，確保密閉墻施工質(zhì)量和檢查人員的檢查質(zhì)量。

6 實(shí)施效果

2022 年2 月—3 月，已完成對多處舊巷和采空區(qū)密閉墻體的改造與預(yù)防性處理，通過連續(xù)對密閉墻范圍內(nèi)的CO 濃度進(jìn)行檢查，并與之前的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，各處檢測到的CO 濃度均小于5×10-6，煤層自然發(fā)火風(fēng)險頻次見表1。表明礦井開采深度增加后，通過對五采區(qū)含煤封閉空間采取的自然發(fā)火防治措施，很好地控制了采空區(qū)自然發(fā)火風(fēng)險，消除了自然發(fā)火隱患。

表1 效果檢查表