汪庄煤矿采空区自燃治理方法与实践

蔡晓青

(兴隆矿务局，河北兴隆067200)

汪庄煤矿隶属于兴隆矿务局，原设计生产能力210kt/a，核定矿井生产能力450kt/a。

井田内共有煤层10层。主采煤层为4，6层煤。煤田内断层发育，火成岩侵入严重，结构复杂。由于受地层构造影响，煤层基本呈迭瓦状分布。煤层倾角10～35°。

该矿井主采的4，6层煤均具有自然发火倾向性，自然发火期18～24个月，属Ⅱ类自燃煤层。

1 火区分布及发火原因

1.1 火区分布

矿井四十余年形成的影响较大火区分布如下:

2841火区 位于井田西部F7～F10断层之间的块段内，1989年自然发火，该区域火区面积大，灭火难度较大。

947火区 位于井田西部F7断层南侧块段内，1974年自然发火。

9439火区 位于井田西部F7断层南侧块段内，与947火区相邻，1965年3月2日自然发火，火区面积较大。

地面下山火区 位于井田北部F7断层北侧块段内，370m水平以上。1964年10月14日自然发火。2000年9月5日又在配巷处发现明火，说明火区没有熄灭，范围有扩大趋势。

2742火区 位于井田西部F7断层北侧块段内，该采区于1987年4月开始回采，1992年6月回采结束。1989年11月6日l号块采空区自然发火，该区发火面积较大。

39北火区 位于井田中部F7～F10断层之间的块段内，1981年3月19日瓦斯爆炸后封闭，1984年9月26日自然发火。2000年7月28日进行复采时自然发火。2001年4月13日又见明火，火区范围明显扩大。

东风眼火区 位于井田东部F7断层北侧块段内，1974年自然发火，温度较高，有CO出现。

2744火区 位于井田东部F7断层北侧块段内，一水平以下，二水平以上，1993年9月13日和11月1日在2744－1号块采空区自然发火。

2743火区 位于井田西南部F7～F2断层之间的块段内。1996年2月发火并封闭。

从以上火区分布情况可以看出，火区分布密度高，分布范围广，发火时间长，火势不易控制，有蔓延发展的趋势。

1.2 发火原因

4层煤属特厚煤层，分层开采;6层煤属薄煤层，局部中厚煤层，采出率较高，采空区内无发火现象。由于矿井煤层开采条件复杂，以往的开采方法主要采用巷柱式，采空区丢失浮煤较多;另外在生产管理中，虽然采取了采后密闭、控制风流、密闭间临时注浆等多种防灭火措施，但由于煤层埋藏较浅，断层裂隙发育，火区封闭系统受矿压影响破坏严重，加之原注浆系统的局限性，使得采取的措施只能延迟发火时间或控制发火范围，无法从根本上杜绝和防止自然发火。

2 采空区火区治理的目的

汪庄煤矿已有四十余年的开采历史，井下已形成的多处采空区火区不仅造成了矿井呆滞储量明显增多，而且火区蔓延还严重威胁矿井安全生产。火区治理势在必行。通过采取科学有效的手段，对以往火区进行治理，一是可以解放部分呆滞煤量;二是可以为后续开采4煤层底分层创造条件，同时可以满足矿井安全生产的要求，最大程度地回收矿井资源，延长矿井的寿命，提高矿井的经济效益。

3 火区灭火治理工程

3.1 灭火方法确定

由于汪庄煤矿的采空区与小煤矿、断层裂隙、老空老巷多处连通，漏风点多，采用均压法、隔离法难度较大，因此采用注浆灭火方法。

根据火区分布情况，采用地面永久性注浆与井下临时性注浆站2种方式相结合的方法。

井下建立临时移动注浆站2个，将搅拌好的浆液压入到巷道密闭内或着火点，配合永久注浆站灭火及防止井下火区密闭漏风。井下临时移动注浆站受井下巷道条件的限制，使用场地有限，不能完全灭火，只能做为配合灭火方法。

地面建立永久性注浆站，不受井下条件限制，服务范围大。不需专用设备，使用普通钻机在地面打垂直钻孔，能实现准确定位，不需要在井下做巷道工程，大大节省工程量和工程费用。

4层煤采区开采历史长，形成的火区历史长，分布范围较广，火势较大，导通点多，火区不易控制。采取的灭火方案首先是进行区域隔离，将采空区火区进行分割，分成几个区域后分别进行治理。这样可以减少治理难度、缩短治理时间。

火区治理分两步走，首先通过专用隔离注浆钻孔将火区隔离;隔离注浆经检验完成后，再通过专用注浆钻孔实施分区式灌浆。火区注浆按设计顺序进行。通过钻孔注浆，实现隔离灭火和直接灭火，达到区域灭火目的。

为降低成本、实现废旧利用，就地取材，采用兴隆矿务局矸石电厂粉煤灰做注浆材料。这种材料易加工、供应充足，和传统注浆材料黄土相比，不破坏环境，成本低廉，浆液浓度容易掌握，不易堵管，注浆系统简单，初期投资小。

每一个注浆孔完成注浆后，进行封孔，设截门，定期从钻孔采集气样进行检测。做气样分析，评判火区灭火效果，安排下一步灭火措施。

3.2 注浆材料及工艺

(1)注浆材料 注浆材料粒径应小于2mm，细小颗粒要占60%～70%，粒径小于0.07mm。所以，首先要对注浆材料进行筛分，符合要求的原料直接运至泥浆池，不符合要求的原料则进行球磨。

(2)灰浆配制要求 灰浆的水灰比依据泥浆输送距离、煤层倾角、注浆方式、注浆材料和季节等因素确定。汪庄矿本次工程灰浆水灰比按8∶1配制。

(3)工艺流程 灰浆配制、注浆系统工艺流程如图1所示。

图1 注浆灭火工程灰浆配制、注浆系统工艺流程

(4)钻孔布置 钻孔直径:各注浆站钻孔直径采用108mm(套管的标准直径)，配备相应型号的钻机。根据围岩情况，在表土层、松软岩层地段要放置套管;钻孔布置:通过钻孔注入的灰浆在采空区内的流动距离取决于泥浆浓度、煤层的倾角、顶板岩性、冒落时间、采煤方法，在汪庄矿实际开采条件下，灰浆在采空区的流动半径一般可达40～60m，以此确定钻孔的间距;钻孔尽可能布置在火点位置、顶层风巷、采塘顶部，以利于直接灭火及回浆流动。为控制火区范围，防止其他火区对灭火火区产生影响，需设置隔离钻孔，隔离钻孔位置由井下相应连接巷道位置确定。注入的灰浆起隔绝作用，水灰比另行确定。

钻孔布置如图2所示。首先灌注火区周边隔离钻孔，然后进行火区灌注。钻孔注浆顺序为A→B→C。

图2 钻孔布置

汪庄矿灭火注浆系统布置如图3所示。5个火区共打隔离钻孔18个，注浆钻孔23个，钻孔总数41个，总工程量7070m。

各火区注浆钻孔工程量见表1。

表1 各火区钻孔布置工程量

4 注浆灭火效果及经济效益

4.1 注浆灭火效果

图3 汪庄矿灭火注浆系统布置

各火区注浆所注入的灰水量如表2所示。

根据表2可以看出，4个火区总采空区体积预计为485445m3，实际总注浆量为97089m3。通过注浆，采空区和裂隙得到了充分充填，与小煤矿等其他采空区有效隔绝。

表2 各火区注浆所注入的灰水量等参数

4.2 粉煤灰注浆的优点

采用电厂粉煤灰，减少地面占地，减少扬尘，保护环境，有效利用工业废料，投资小，成本低廉。

粉煤灰粒度均匀适合，流动性较好，脱水快，脱水后有5%～6%的膨胀系数，对采空区裂隙有很好的封堵作用。

粉煤灰适合于长距离注浆，在管道中流动性好，在采空区分散性好。

地面钻孔施工不受限制，施工方便，便于钻孔定位。实践证明，合理、准确的钻孔定位，在火区隔离和注浆灭火方面效果明显。

利用钻孔准确观测火区气体变化情况，准确掌握灭火效果，气体取样及时、准确，便于正确判断火区发生、发展情况。

4.3 经济效益

4个火区灭火工作全部结束后，可确保相邻采区的安全生产;消除火区对矿井安全生产的巨大威胁;其中2743区已恢复生产，其余3个采区根据采掘安排将陆续恢复生产。

4个火区注浆灭火工程费用共120万元，解放呆滞煤量3.8Mt，可采出煤炭3.04Mt，按照当前吨煤利润80元计算，可产生利润2.432亿元，扣除注浆费用，纯利润2.42亿元;可延长矿井服务年限5～6a。

5 结束语

粉煤灰钻孔注浆技术解决了较大面积采空区火区治理的难题，消除了矿井安全隐患，解放了呆滞储量，产生了很好的技术经济效益。

在地面建注浆站，不受井下各种条件限制，施工方便，打垂直钻孔定位准确，工程量小，灌注效果好。粉煤灰浆液流动性好、分散度高，脱水后沉淀层位均匀，封堵性好。根据矿井火区分布情况采用分区式注浆，实现隔离式灭火和直接灭火，灭火周期短，效果明显。

［1］刘常荣，夏海龙，郭玉龙，牛焕军.浅谈治理采空区的方法［J］.煤矿开采，2002，7(1):61－62.

［2］张 岳.巷柱式开采弃置底煤回收技术设想［J］.科技信息，2009(10).

［3］童立元，潘 石，邱 钰，等.大掺量粉煤灰注浆充填材料试验研究［J］.东南大学学报 (自然科学版)，2002(4).

［4］煤炭科学研究总院重庆分院.煤矿注浆防灭火技术规范MT/T702－1997［S］.1997.