條帶灌漿在復雜工作面煤自燃防治中的應用

柴發英 李洪杰 楊 冰

（1.窯街煤電集團公司海石灣礦，甘肅 蘭州 730080；2.徐州吉安礦業科技有限公司，江蘇 徐州 221000）

1 研究背景

窯街煤電集團公司海石灣礦主采煤二層位于窯街群第二巖組含煤段的底部，厚0～59.28 m 之間，平均厚19.61 m。作為保護層開采的油A 層位于窯街群第二巖組含煤段的頂部，厚0～11.79 m，平均厚4.14 m。主采煤（巖）層（煤二層、油A 層）為緩傾斜煤（巖）層，傾角一般5°～25°，基本上呈一北高南低、向南開闊的簸箕形向斜構造形態。煤二層瓦斯壓力大、含量高，瓦斯壓力高達7.3 MPa，混合瓦斯含量22.59 m3/t（CH4為3.69 m3/t，CO2為18.9 m3/t）；油頁巖混合含量為7.23 m3/t（CH4為2.81 m3/t，CO2為4.42 m3/t）。煤的破壞類型一般為Ⅱ～Ⅴ類，具有突出危險。2005 年7 月由煤炭科學研究總院重慶分院對礦井突出危險性進行了鑒定，結論為海石灣礦井為煤與二氧化碳（含甲烷等復雜氣體）突出礦井。2018 年7 月由中煤科工集團重慶研究院有限公司鑒定煤二層屬Ⅱ類自燃煤層，最短自然發火期為48 d，油A 層屬Ⅲ類不易自燃煤層。

6125-1工作面位于海石灣井田一采區東南部，工作面呈一走向為EW 的長條形，走向長度380 m，平均傾向寬度176 m，平面積66 754.1 m2，圈定資源/儲量（TM）135.5 萬t。工作面地表位置在尕卓子山～石草灣一帶，地面標高為1984～2177 m 之間，煤層賦存標高為1255～1219 m，覆蓋層垂厚為729～958 m。工作面東部煤二層中無任何采掘活動；北部為6124-1工作面及6123-2工作面采空區；南部6115 工作面正在回采中；西部為6124-1進風聯絡巷、6125-1施工聯絡巷及6125-1后期進風順槽；頂部為6124-1工作面以及6114、6113 油A 層工作面采空區；下部為6124 底抽巷。

由于工作面煤層厚，采空區遺煤量大，工作面上覆煤層采空區遺煤存在氧化升溫問題，加之，工作面受防沖和瓦斯管理的限制，推采速度緩慢，工作面采空區的遺煤自燃隱患問題突出。礦井常規的黃泥灌漿、注氮等措施在工作面生產地質條件下，使用局限性大，采空區遺煤氧化自燃風險性高。針對工作面實際情況，需要研究新的治理思路和技術方法保障工作面的安全生產。

2 火災治理分析

1）6125-1工作面為厚煤層放頂煤開采，采空區遺煤量大，且遺煤處于高位立體堆積狀態，常規的黃泥灌漿及開放式注氮對采空區中、高位遺煤控制效果較差。一方面，泥漿不能有效在采空區內大范圍擴散覆蓋滯留，且不能向高位堆積覆蓋，對中高位遺煤氧化控制能力較差；另一方面，俯采期間大量的黃泥漿涌向工作面方向導致工作面潰漿，將會較為嚴重地影響電氣設備的安全運行及作業人員安全。工作面采空區整體火災防治難度大。

2）6125-1工作面采空區與上覆6124-1工作面、相鄰6123-2工作面老采空區連通，大采空區連通狀態下，大面積的漏風極大增加了采空區遺煤的自燃風險，漏風治理難度極大，且上覆采空區存在持續的氧化蓄熱問題，治理成本和治理工程量高。

3）6125-1工作面上部6124-1工作面老采空區內大量遺煤已經歷了兩次氧化自燃，由于6125-1工作面的回采及聯通漏風，遺煤的自然發火期將大大縮短，發展速度更快，對于上部老空區的高位遺煤注漿治理難度比本工作面難度更大。

4）6125-1工作面受防沖管理及瓦斯管理限制，工作面回采速度較慢，月平均推采進度約35 m，采空區內復合式大體量遺煤氧化蓄熱時間充足，自然發火隱患突出。因此，大采空區復雜條件下采煤工作面生產期間將面臨較為嚴峻的防滅火治理壓力及挑戰。

3 綜合防滅火技術

針對6125-1工作面大采空區狀態下復雜漏風條件采空區遺煤治理，提出了基于三帶測試為指導的底抽巷高位鉆孔網格式精準注氮+采空區分條帶隔離灌漿的綜合治理技術，從而實現工作面生產期間的采空區整體煤自燃有效防治。

3.1 三帶測試

1）三帶劃分方法。根據氧氣濃度劃分采空區“三帶”是目前最常用的方法[1]，相關的指標參數如下：① 散熱帶O2＞15%。該區域具備充足的供氧條件，但由于漏風大造成煤氧化自燃初期產生的微小熱量隨風散失，煤的氧化過程始終停留在緩慢發展階段，不易發生煤自燃現象。應該指出的是，以氧氣濃度作為界定散熱帶和氧化帶的指標，并不是因為氧氣濃度大于某一特定值而不能自然發火，而是由于該區域的漏風風速過大帶走了氧化生成的熱量所致。② 氧化帶5%≤O2≤15%。該區域既具備充足的供氧條件，又由于漏風量較小，氧化蓄熱環境較好，煤的氧化自熱過程得以持續進行，最終導致煤自燃的發生。③ 窒息帶O2＜5%。該區域由于缺氧窒息，煤氧化自燃過程將無法進行。本次6125-1工作面三帶劃分選取氧氣濃度作為劃分指標。

2）測點布置。測試束管的布置方式采用從通過工作面的上、下隅角沿工作面采空區走向布置的方式，束管布置長度100 m。為了防止束管被采空區冒落的煤巖砸壞，對束管加裝保護套管，做好保護措施。進回風巷兩邊同時觀測，待氧氣濃度降至5%及以下穩定后，即可停止觀測。

3）測試結果。測點安裝完畢后隨工作面推進開始，每天記錄好測點氣體數據及距工作面的距離，得出了現場采空區氣體成分數據。6125-1工作面進、回風巷束管觀測的氧氣濃度數據見表1。

表1 6125-1 工作面束管觀測氧氣濃度結果統計

根據本次觀測，6125-1工作面的三帶分布范圍見表2。

表2 6125-1 工作面三帶分布范圍 m

6125-1工作面采空區三帶分布示意圖如圖1。

圖1 6125-1 工作面采空區三帶分布示意圖

由圖1 可知6125-1工作面采空區氧化自燃帶的寬度，在進風側“氧化帶”達39 m 左右，回風側為41 m 左右。對于工作面，日推進速度在1 m 左右，工作面在14 d 即可進入煤氧化帶。根據三帶測試的結果來指導工作面采空區注氮及灌漿[2]。

3.2 采空區注氮

1）注氮系統。上工業廣場有三臺制氮機，氮氣通過管路運送至工作面采空區。制氮能力為2400 m3/h，其主管路為Φ159 mm，支管路為Φ108 mm。三臺制氮機型號如下：

① 型號BYN-1200，氮氣流量1200 Nm3/h，氮氣純度≥97%（無氧含量），氮氣壓力0～0.8 MPa可調，設備功率250 kW。

② 型號DZ-600，氮氣流量600 Nm3/h，氮氣純度：≥97%（無氧含量），氮氣壓力0～0.7 MPa 可調，設備功率7.5 kW。

③ 型號DT-600，氮氣流量600 Nm3/h，氮氣純度≥97%（無氧含量），氮氣壓力0～0.7 MPa，設備功率182 kW。

2）常規注氮。6125-1工作面采空區遺煤量大，采區大范圍采空區漏風互通，導致采空區供氧充足，“氧化帶”范圍大。傳統的注氮方式通過進風隅角采空區預埋管注氮，氮氣在采空區的擴散運移路線較為固定，屬于條帶型覆蓋，存在明顯的治理盲區，且在大采空區漏風狀態下，惰化的區域有限，防治能力有限[3]。常規埋管注氮惰化示意圖如圖2。

圖2 常規埋管注氮惰化示意圖

3）精準注氮。為有效抑制采空區的遺煤持續供氧氧化，提出了底抽巷高位孔精準注氮的治理理念[4]。該措施的治理優勢在于，一方面通過底抽巷布置大范圍高位孔，實現了無差別全覆蓋型注氮惰化，消除注氮盲區；另一方面通過底抽巷注氮孔的設計，實現了采空區遺煤及漏風重點隱患區域的精準注氮。底抽巷精準注氮示意圖如圖3。

圖3 底抽巷精準注氮示意圖

3.3 采空區灌漿

灌漿站建設在上工業廣場，灌漿泵型號為125D25X，黃土灌漿能力為70 m3/h，灌漿管路的干管為Φ133 mm，支管為Φ108 mm、Φ89 mm。制漿過程采用灌漿泵、水槍沖刷黃土層，通過灌漿站篩子房過濾雜物，將制成的泥漿輸送到井下管道、鉆孔，充填至工作面采空區。

3.3.1 6124-1采空區治理

1）治理前存在的問題。上覆6124-1采空區遺煤已采取了灌注黃泥漿處理，但從6125-1工作面回風順槽頂板淋水偏溫，可知6124-1采空區遺煤存在較大范圍的低中溫氧化，單純采用黃泥灌漿在采空區內順溝流，無法覆蓋高位遺煤。

2）采空區高位遺煤降溫治理。在底抽巷向6124-1采空區布置高位注漿鉆孔，鉆孔間距50 m。利用礦井現有的黃泥灌漿系統，添加易克特化學自發泡發泡劑，對采空區中高位遺煤進行充填覆蓋。通過添加化學發泡劑使黃泥漿形成泡沫+凝膠狀態。泡沫的作用是提高了黃泥漿的擴散堆積能力，達到向高位浮煤堆積覆蓋的作用。凝膠的作用是增加黃泥漿黏稠度，把黃泥漿內的水以固態凝膠形式鎖住，形成黃泥凝膠覆蓋層，包裹采空區氧化遺煤，實現了6124-1采空區高位遺煤的大面積覆蓋降溫。高位灌漿孔布置剖面及充填效果示意圖如圖4。

圖4 高位灌漿孔布置剖面及充填效果示意圖

3.3.2 6125-1 采空區治理

1）隅角堵漏風治理。6125-1工作面回采期間，6125-1回風順槽與6123-2進風順槽留有5 m 煤柱，致使采空區回風側遺留條帶浮煤，工作面進風隅角擴散風路線與采空區外部漏風構成漏風通道，將促使遺留條帶浮煤氧化[5]。間隔式在上、下隅角快速充填固化泡沫體（普瑞特Ⅱ型防滅火材料）進行封堵漏風。該注漿工藝采用化學發泡的方式用于井下現場，利用的是泡沫在膨脹過程中產生的“膨脹壓”，在“膨脹壓”作用下，固化前的乳狀泡沫從注漿管路出口處源源不斷地向周圍孔隙中擠壓擴散，擴散到一定距離后固化，形成最終的充填效果，從而人為改變采空區漏風方向，縮小工作面采空區“三帶”距離。隨著工作面推進，在工作面上下端部預埋L型注漿管，壓入采空區20 m 后注漿，即每20 m 充填一次，每次充填長度為10 m。

2）采空區條帶灌漿。6125-1工作面回采期間，處于俯采狀態，采取灌漿措施后，采空區存漿困難，部分黃泥漿從工作面后部采空區流出，達不到黃泥灌漿目的。通過現場治理實踐，采用條帶隔斷式灌漿。工作面推采過程，架后采空區分為20 m、40 m、60 m 三個治理條帶，每個條帶全長通過底抽巷向6125-1采空區布置灌漿孔，鉆孔間距20～30 m。為了實現更加高效的灌漿治理效果，每一個位置的鉆孔可施工一組（2 個）灌漿孔，兩孔并一孔進行灌漿。

第一條帶（采空區20 m 范圍）利用礦井現有的黃泥灌漿系統，添加易克特化學自發泡劑灌漿。通過實踐得出單孔灌注材料量不低于5 t。通過注漿，在采空區內形成了高位擴散覆蓋的“隔離、保濕條帶”。一方面，通過及時灌注實現中、高位遺煤的超前覆蓋控制；另一方面，形成的充填覆蓋空間可在采空區走向上形成“隔離條帶”，有效阻止采空區氧化區域的前移蔓延。

第二條帶（采空區40 m 范圍）利用礦井現有的黃泥灌漿系統，添加復合膠體泥漿增稠材料灌漿。該條帶注漿用黃泥漿水土比控制在1.5:1 左右，既增加黃泥漿黏稠度，同時使黃泥漿膠凝。一方面，黃泥漿稠化后大大減少采空區內順溝流狀態，注漿控制范圍更加可控；另一方面，膠凝后的黃泥漿膠體可滯留在采空區，形成凝膠覆蓋層鎖定黃泥漿，大大提高了灌漿效率，從而在采空區淺部“隔離條帶”的基礎上在采空區中部形成一道“強化隔離帶”。

第三條帶（采空區60 m 范圍），通過前兩個條帶的組合灌漿方式，將采空區中部向外的區域進行了有效的隔斷，故在第三條帶直接采用黃泥漿進行大流量灌注，將深部遺煤進行大范圍覆蓋充填。6125-1采空區封堵及條帶灌漿效果示意圖如圖5。

圖5 6125-1 采空區封堵及條帶灌漿效果示意圖

3）易克特化學自發泡劑技術原理及組合優勢。易克特化學發泡劑A 料中的主要組分中含有碳酸根，在遇到B 料中復合而成的催化劑后，發生反應，生成二氧化碳氣體，從而實現發泡。A 料中的主要組分兼具有穩泡效果。A 料中的穩泡劑既能起到增稠溶液的作用，溶液變稠后，穩泡效果增加，同時又能起到保水效果。B 料中添加另外一種穩泡劑，能增加固體在水中的分散能力，改善其發泡后的泡孔結構，和A 料中的固體穩泡劑一同起到協同穩泡的作用。在水中加入黃泥后，黃泥也能起到骨架支撐的作用，使溶液增稠，更能增加其穩泡效果和保水效果。

組合技術優勢：在現場應用中，易克特化學發泡劑的自發泡功能有效解決了傳統兩相泡沫在長距離高位鉆孔中依靠物理壓風發泡能力不足的問題；自發泡也有效避免了物理壓風發泡情況下，持續采空區供氧的問題；易克特化學發泡劑與黃泥漿的性能互相補充，易克特的發泡、穩泡特性使黃泥漿液能大范圍擴散、高位堆積，而黃泥也能起到骨架支撐的作用，使溶液增稠，更能增加其穩泡效果和保水效果，最終實現高位遺煤的治理，避免了黃泥漿液的浪費和對工作面生產的影響。

應用工藝：利用礦井原有的黃泥灌漿系統，在井下鋪設的注漿管路盡量靠近采空區治理區域的位置，通過三通連接易克特注漿設備進行材料添加。

4 應用效果

1）6125-1工作面通過回采期間的底抽巷高位孔精準注氮，注氮后采空區氧氣濃度有效控制在5%以下。

2）6125-1工作面回采期間采用針對性精準注漿、條帶式分塊注漿的綜合治理措施，推采期間，工作面CO 始終保持在2.4×10-5及以下，未出現C2H4、C2H2等稀有標志性氣體，保證了工作面安全推采。

5 結語

1）針對工作面的遺煤分布及大采空區漏風情況下常規預埋管注氮效果不理想問題，提出了底抽巷高位孔精準注氮技術，對遺煤及漏風重點隱患區域進行大流量持續精準注氮惰化。

2）針對工作面俯采期間常規灌漿順溝流、潰漿不能向高位擴散以及大采空區連通狀態下遺煤分布不均問題，提出了底抽巷針對性精準注漿、條帶式分塊隔離灌漿技術，在礦井現有的黃泥灌漿基礎上，采用易克特、復合膠體等黃泥漿增效新技術有機結合，實現了采空區低、中、高位遺煤的覆蓋包裹、冷卻降溫，有效控制了工作回采期間的采空區遺煤氧化自燃隱患。