大傾角綜放工作面老空巷道充填防滅火技術探究

＊李考科 石長坤* 劉基虎

（1.崇信縣百貫溝煤業有限公司 甘肅 744000 2.徐州礦務集團有限公司 江蘇 320300）

煤自燃是我國煤炭工業面臨的主要災害之一[1]。小型煤礦中，具有自然發火危險的礦井占85.3%；大中型煤礦中，有73%的礦井具有自然發火危險性。近年來，我國廣泛采用綜采放頂煤開采技術，造成采空區遺留殘煤多、漏風嚴重，導致煤自燃火災頻繁發生[2-5]。大傾角煤層是指傾角為35°～55°的煤層。然而，開采大傾角煤層比開采近水平煤層更易自燃。在回采中由于綜放工作面內的設備多且大，更要保證安全穩定的空間，因此工作面過空巷及其防滅火的技術難題一直未能完全解決。這是因為工作面推進到空巷附近時，工作面超前支承壓力過大，支護難以承載導致巷道頂板垮塌從而發生事故，此外空巷易漏風也易導致瓦斯積聚、自燃發火，從而威脅礦井的安全生產[6]。

傳統上有兩種過空巷方法：（1）用密集支柱加強空巷頂板的支護；（2）在空巷前停采，以空巷為切眼布置新工作面。密集支柱承載能力過低，在工作面超前支承壓力的作用下，空巷就易產生冒頂和片幫，造成支架的工作阻力急劇升高，從而出現壓壞或壓死支架的事故，將造成重大經濟損失[7-9]。而空巷前停采的方法則主要用于炮采或普采等較易搬家的工作面，重新布置工作面不僅增加了搬家的時間及費用，且浪費資源。因此，上述兩種過空巷方法都有極大的局限性。

本文重點對大傾角綜放工作面回采過老空巷綜合防滅火充填技術[10]在崇信縣百貫溝2507工作面回采中的防滅火應用研究，為工作面回采過空巷提供重要的科學依據及現場實踐經驗，力爭提出科學合理適用的解決方案與對策。通過不斷的摸索，得出空巷充填技術在大傾角工作面回采過空巷中的實踐方案，并給予相同條件下的煤層回采提供良好的技術資料。

1.老空巷道充填防滅火技術

(1)充填技術

高水材料充填空巷是一種安全、經濟、高效的辦法，保證工作面快速通過空巷。該材料優勢見表1。

表1 高水材料充填空巷優勢表

從上述力學角度分析：高水材料充填體的抗壓強度較高且具有塑性特征，壓力作用下有較大的塑性變形，強度衰減較緩，并可維持較高的殘余強度。因此，高水材料充填體可以避免由于支承壓力過大發生的片幫，則在相同強度下就可選取更小的安全系數，即可降低強度要求。

(2)超高水充填材料

材料細分為甲料、加甲料及乙料、加乙料四部分。

①注漿比例。甲料每袋50kg、加甲料每袋30kg；乙料每袋50kg、加乙料每袋30kg。水灰配比為5:1，即：甲料2袋+加甲料1袋+水650L（桶內水高度為650÷3.14÷攪拌桶半徑的平方）乙料2袋+加乙料1袋+水650L（桶內水高度為650÷3.14÷攪拌桶半徑的平方）。

注：一噸超高水材料與水充分混合后能充填空巷5m3。

②注漿壓力。由于注漿充填管終孔位置位于空巷內，一般注漿壓力為2～3MPa，具體充填壓力跟管路直徑、輸送距離及坡度大小有關，根據現場實際確定。

③注漿設備及注漿管。注漿設備為2ZBYSB2（19.2～5.7）（0～10）-37型煤礦用液壓注漿泵配合高壓膠管從井下注超高水充填材料。注漿設備兩臺，一備一用。

注：根據現場情況及泵相關性能估計設備正常情況下一個小班能施工材料10～15t。

④注漿充填漿料混合器。A.2ZB(19.2～5.7)/(0～10)-37KW型煤礦用液壓注漿泵，在使用過程中由于高水材料為兩種不同物料，需要按一定比例在充分攪拌后進行混合才可灌注入充填巷道。兩種材料通過高壓膠管經過注漿泵自身所帶混合器混合。長期在本礦井2503回風道注漿環境條件、距離下使用注漿泵自身混合器，經常出現混合器由于高壓灌注出現堵塞、破裂現象。長期以來需要頻繁更換、清理混合器，嚴重影響施工進度，且要花費大量人力物力。無論從安全生產還是從經濟效益上考慮，為了更好的提高注漿充填的效率和強度，減少頻繁更換、維修現象，經過探討與實踐，結合以往的注漿經驗及混合器堵塞實際原理，研制出了本礦注漿使用漿料混合器。

B.注漿充填漿料混合器改進工藝。使用4寸鋼管在其縱向面每10cm加工焊接一個Φ51mm外漏接頭，由于注漿料為兩種，所以焊接四個接頭，兩個使用兩個備用；在鋼管橫切面焊接一個高壓注水接頭；注漿機兩趟管路和高壓注水管路接頭與混合器搭接緊固，混合器另一頭直接與漿液輸送管路搭接緊固。施工前，先使用高壓注水接頭將管路沖洗。然后開啟注漿設備工作，通過計算比例漿液濃稠度增加，開啟高壓管路注水，利用注漿管路距離較長的優勢使兩種漿液在管路中充分混合，達到注漿的效果和要求。

圖1 混合器改進示意圖

C.應用效果。經過對注漿混合器的改進優化，增加了注漿混合器的強度，安全系數，提高了注漿效率，減少更換混合器及維修時間、次數。節約了資源，增加了效益，自2021年3月采用上述注漿混合器以來，從未發生混合器堵塞、破裂現象，故障率大大降低，為企業帶來了明顯的經濟效益。

(3)注漿工藝

超高水充填材料注漿工藝如圖2所示。

圖2 超高水充填材料注漿

2505工作面老空巷道注漿工作中面臨的問題：一是采用傳統的兩個注漿桶，施工功效較低；二是材料通過斜巷走鉤運送至離注漿巷道最近的地點，運輸效率較低；三是使用注漿器自帶混合器經常發生堵塞現象，需要停泵、沖洗管路系統、更換注漿混合器，影響施工進度。針對以上問題進行研究分析后，提出了優化后的百貫溝老空巷道注漿工藝，多桶協同攪拌、長距離混合灌注注漿工藝。

2507工作面注漿充填巷道為2503回風道、降低材料道，其中2503好回風道巷道較長，貫穿二采區回風上山和2507材料道、2507運輸道頂板，采用傳統注漿工藝需要通過斜巷走鉤不間斷的將高水材料運送至2503回風道注漿設備安裝地點。這樣的工作方法過于繁雜，耗時。通過現場分析，共同研究后提出，使用2503回風道原有的Φ108mm無縫鋼管，管路系統自2503回風道上口一直延接至2530回風道下口和降低材料道上口，與灌注超高水材料的管路系統路徑一致。注漿設備安設在2503回風道上口，使用改進升級后的注漿漿料混合器與注漿設備搭接。由于，2503回風道巷道自帶-18°角度，利用這一高差優勢將注漿設備泵入混合器后的漿料，順著2503回風道管路自回風道上口直接灌注至2503回風道和降低材料的注漿點。管路不及之處，采用人工挖溝槽的方式使漿料自流灌注。

2507工作面兩條老空巷道，除了采用新式漿料混合器、長距離管路管道自流灌注外，還采用了四桶協同攪拌灌注。開始時兩邊兩個桶都加滿水和充填料，充分攪拌后進行泵送，每次只泵送甲料一桶、乙料一桶，待兩桶泵送完后立即將吸漿管放入其他兩個桶；工人師傅再對兩個空的攪拌桶重新加水加料攪拌，如此反復。這樣的多桶協同拌料法，不僅減少了注漿設備關停的頻率，而且也很好的保護了長距離的注漿輸送管路，防止注漿泵經常性的關停后造成注漿輸送管路堵塞，減少了不必要的麻煩。

(4)充填施工安全技術措施

①注漿站設備及材料必須堆放整齊，不得亂堆亂放，設備及充填料必須放置在無淋水地點。②充填注漿施工前，必須首先檢查施工地點巷道支護情況，若有隱患問題必須提前排除。③充填注漿施工前，必須檢查設備完好情況以及注漿管路連接情況，設備不完好或故障要及時檢修，注漿管路必須使用耐壓管路，且管路接頭必須使用專用“U”型插銷。④充填漿液必須按照規定比例制漿，且充填漿液必須攪拌均勻。制漿時，要防止其他雜物進入漿液而堵塞注漿管。⑤制漿時，制漿工必須佩戴專用護手套和護目鏡，且在漿液攪拌時注意保護眼睛，一旦漿液不慎飛入眼內，要立即用清水清洗眼睛。⑥充填注漿時，安排人員隨時注意充填范圍里側封閉墻受壓情況及是否漏漿，否則要及時停止充填并處理。⑦在注漿過程中，應巡回檢查管路情況，發現問題及時處理。⑧封閉充填參數及通風方式選擇。

A.巷道封閉采用磚混結構施工，計劃需要施工磚混結構封閉墻17道；墻厚60cm。B.巷道充填過程中，采用2×11kW軸流式局部通風機通風。C.巷道充填期間，巷道供風量必須滿足要求。杜絕無風、微風、循環風作業。

2.應用效果分析

2507工作面兩條老空巷道共使用高水充填材料約1120t，材料花費約350萬。通過對2507工作面大傾角回采過老空巷道防滅火采用高水材料充填、煤層氧化分析、研究，采取預報分析、防填結合等有效、可控的綜合防滅火技術。2507工作面自2021年8月下旬開始揭露2503回風道老空巷道至2021年10月底，2507工作面兩條頂板老空巷道全部揭露回采安全通過。

揭露期間經過現場觀察和監測，工作面過空巷時，老空巷道頂板及兩幫由于有效支護，采煤機直接切割充填體，那么上部充填體就成為了直接頂。由超高水材料固結形成的充填體具有較大的承載力，大部分強度達到5MPa，局部甚至達到了6MPa，足以支撐基本頂。同時充填體能夠傳遞液壓支架的支護阻力，所有液壓支架的初撐力均能達到24MPa，保持了墻壁及頂板完整性。此外超高水材料還具有一定的流動性和滲透性，漿液被擠壓后會滲透到圍巖裂隙中并發生固結，在圍巖中形成了網絡骨架結構，呈層狀、網狀、脈狀分布，構成圍巖復合結構；而在圍巖淺部，充填漿液固結體則呈薄厚不一的片狀或條狀分布，幾乎可相互連通形成網絡骨架，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，從而為工作面回采過老空巷道起到完美堵漏風防滅火作用，實現杜絕工作面在大傾角回采過老空巷道期間自燃發火的目的。雖然，使用高水材料前后材料費、設備投入費用以及人工費用共計約500萬，但是達到的防滅火效果和為公司帶來的長遠經濟效益是不可估量的。