高地溫礦井采空區(qū)分段隔離防滅火技術研究

牛俊國

（山東能源集團魯西礦業(yè)有限公司，山東 菏澤 274700）

工作面在回采過程中受采煤工藝、地質構造以及管理水平等影響，采空區(qū)出現(xiàn)大量遺煤，且受頂板周期來壓影響，煤柱漏風通道發(fā)育，導致沿空側采空區(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CO 濃度升高，威脅著工作面安全生產。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 個網格化小采空區(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

唐口煤礦核定生產能力390 萬t，礦井開拓方式為立井單水平開拓，礦井通風方式為分區(qū)式通風，采煤方法為走向長壁全部垮落法開采。開采煤層為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)火進程。唐口煤礦井下制冷系統(tǒng)于2016 年6 月投入運行。夏季運行，在井下通過管路將制冷水輸送至各采掘工作面，利用安裝在進風筒上的空冷器，實現(xiàn)對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 回風大巷西南側，為630 采區(qū)第九個回采工作面，西南至太白西路保護煤柱，東南5 m 為已回采結束6309工作面，西部為未開拓的實炭區(qū)。工作面上下方煤層均未開采，工作面煤層標高-905.7～-920.4 m，地面標高約+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，工作面采用全風壓通風方式，需風量1871 m3/min，實際配風量2100 m3/min。

6310 工作面軌道順槽側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 工作面回采結束后，順槽區(qū)域受支撐煤柱及頂板支護影響難以垮落嚴實，形成連通通道，極易發(fā)生自燃火災，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)火問題，采取了分段隔離防滅火技術。

2 采空區(qū)分段隔離實施方法

為治理大面積采空區(qū)自然發(fā)火問題，綜合分析采空區(qū)內漏風通道情況，采取壓注防滅火材料隔離阻斷的措施進行采空區(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)內壓注的防火隔離材料需要具有一定的堆積性、阻燃性，同時兼顧經濟性。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、價格便宜、現(xiàn)場易施工等優(yōu)點。該材料可通過調節(jié)促凝劑比例，控制凝固時間，從而控制采空區(qū)內凝膠的堆積效果[4-6]。

在6310 軌道順槽施工注凝膠鉆孔，采取分段隔離方式，對6309 采空區(qū)進行防滅火技術治理[7-8]。即將6309 大面積采空區(qū)分成8 個網格化小范圍采空區(qū)，分別編號1～8 號，每段100 m，減少網格之間的相互影響，提高防滅火措施的針對性，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 軌道順槽沿空側巷道長度為830 m，從門口以里50 m 處起，每間隔100 m 施工1 組注凝膠孔，每組含3 個鉆孔，共計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，鉆孔每組設置3個鉆孔，橫向打設，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，封孔長度2 m。施工完成后孔口安裝閥門。

3）施工方法。打眼設備及要求：注凝膠孔采用氣動140 鉆機配Φ73 mm 鉆桿、Φ75 mm 金剛鉆頭及相應長度鉆桿，由里向外逐個打眼，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，下設套管速度要快。套管下設完畢后，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入。

2.2 采空區(qū)注凝膠分段隔離

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

壓注時使用NJB-80/2 型防滅火凝膠泵或風動注漿泵，凝膠泵主要由主泵、輔泵、膠料流量調節(jié)器、電動機及附件構成。凝膠泵通過Φ25 mm 高壓膠管輸送水玻璃與凝膠促凝劑到混合器，經混合器混合后壓注到采空區(qū)內。水玻璃:促凝劑:水（質量比）調節(jié)為9:3:88，液態(tài)在30～400 s 內形成固態(tài)膠體。根據(jù)現(xiàn)場條件，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1 號、5 號凝膠隔離墻施工質量進行了抽檢。抽檢采用窺視儀，在6310 軌道順槽內施工窺視孔，窺視孔施工在巷道頂部，檢驗凝膠堆積情況。將窺視儀探頭插入采空區(qū)內，經檢查孔內及四周全部是凝膠，證明采空區(qū)內凝膠已充填至巷道頂部，達到了預期效果。

2.3 監(jiān)測采空區(qū)

對分割后的獨立采空區(qū)進行監(jiān)測，在每個獨立采空區(qū)中施工觀測管，安裝U 型水柱計，每天安排專人對觀測管采樣色譜分析，同時記錄U 型壓差及示數(shù)。通過氣體化驗分析發(fā)現(xiàn)第7、8 號網格內受采動影響漏風通道發(fā)育，氧氣濃度及一氧化碳濃度高，存在自然發(fā)火預兆，需要采取針對性措施。束管布置如圖3，各網格采空區(qū)內氣體情況如圖4。

圖3 束管布置示意圖

圖4 6309 采空區(qū)分割后不同網格內氣體情況

3 隔離煤柱堵漏方法

為進一步封堵隔離煤柱漏風通道，采取注漿加固和噴涂高分子材料相結合的方式。結合隔離煤柱厚度5 m，巷道高度4 m 的實際情況，采取的注漿加固方法如下：采用手持式鉆機，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，封孔長度0.5 m。鉆孔布置沿巷道走向方向間隔2 m 施工1個，從上到下施工3 排。鉆孔施工完成后開始注水泥漿，壓注水泥漿以煤壁滲出漿液為停止標準。另外對煤柱采取噴涂高分子材料進行堵漏，高分子材料為A、B 料混合反應，利用高壓風噴涂，噴涂整個沿空側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

采空區(qū)分段隔離后，為快速降低采空區(qū)內氧氣濃度，采取“各個擊破”的方式，首先向8 號網格內注氮氣，氮氣流量400 m3/h，每天注18 h。2021年12 月3 號開始注氮氣，每天對8 號網格取氣色譜儀分析，采空區(qū)內自然發(fā)火標志氣體濃度，采空區(qū)內基本治理到位，取得了預期效果，累計共注氮氣9.36 萬m3。采空區(qū)內氣體監(jiān)測變化情況如圖5。從圖5 可以看出，自12 月3 號開始壓注液氮后，采空區(qū)CO、O2濃度出現(xiàn)急劇下降趨勢，到12 月10 號左右CO 濃度低于25×10-6、O2濃度低于10%并趨于平穩(wěn)，達到了良好治理效果。

圖5 6309 采空區(qū)8 號網格內氣體情況

根據(jù)8 號網格采空區(qū)治理的成功經驗，采取同樣措施對外段其他網格分別進行了治理，并取得了良好的效果。截至2022 年2 月20 日，6309 采空區(qū)所有網格內氧氣濃度均穩(wěn)定在10%以內，一氧化碳濃度未超過24×10-6，無自然發(fā)火預兆，實現(xiàn)了預期目標。

5 結論

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

1）沿空回采工作面采空區(qū)自然發(fā)火問題具有周期性。受工作面推采影響，采空區(qū)內漏風通道發(fā)育，靠近工作面的沿空側采空區(qū)容易出現(xiàn)自然發(fā)火預兆，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，起到了“一舉兩得”的效果，一是阻斷了采空區(qū)內的氣體流通，原來靠近工作面推采位置處的漏風裂隙不能再影響整個采空區(qū)；二是分段隔離為注惰性氣體提供了相對封閉的狹小空間，使注惰性氣體效果明顯，采取“各個擊破”方法，達到了快速降低采空區(qū)內氧氣濃度的效果。

3）采空區(qū)氣體監(jiān)測在火災防治中起到了至關重要的作用，要加強監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析研究，提前預判采空區(qū)內災害情況，發(fā)現(xiàn)自然發(fā)火預兆，及時采取措施將自燃火災控制在萌芽狀態(tài)，能夠大大降低火災治理費用和難度。