10105工作面采空区防灭火技术研究与应用

郝 钢

(山西焦煤汾西矿业宜兴煤业， 山西 孝义 032300)

1 前言

某矿10105工作面位于矿井一采区北翼中部，东邻已回采的10103工作面，西邻已回采的10107工作面，南为矿井轨道运输大巷，北邻杨家圪垛村庄保护煤柱，上覆9号煤层为小窑破坏区，层间距约3.5 m，下方为未开采的11号煤层，层间距约2.8 m。该工作面切眼长190 m，走向长530 m，平均回采高度1.50 m，采用一次采全高综合机械化采煤法，全部垮落法管理顶板。2016年10月底安装完成，2016年11月初开始回采，2017年4月11日停采结束并进行了封闭。

10105工作面停采封闭后采取了堵漏和连续注氮防灭火措施，累计注氮量达400多万m3，但采空区氧气浓度仍达到7%左右，同时由于上覆9号煤层为老窑破坏区，遗煤多、巷道布置不清，9号煤层采空区相互贯通，且9号煤层与10号煤层采空区也相互连通，形成大面积的采空区漏风，采取的注氮措施虽然可有效抑制采空区遗煤氧化，但氮气浓度难以持续下降，9+10煤层采空区存在自燃危险，特别是在11号煤层回采时，形成的9+10+11号煤层复合采空区漏风，加大了采空区自燃危险性，给下组煤开采带来隐患。因此，现急需能够有效措施进行采空区防灭火。

2 地面注浆(胶)防灭火技术

2.1 技术原理与技术工艺

注浆防灭火的主要技术原理：①利用浆液的渗透作用和粘着力可使浆液覆盖在煤体表面，其中的固体物沉淀后可充填于浮煤缝隙之间，包裹浮煤、堵塞漏风通道、隔绝煤氧接触，防止氧化；②浆液中的水分有助于增加煤的外在水分，抑制煤自热氧化的发展，同时有利于已经自热煤体的冷却散热。

注浆(胶)防灭火技术的实质就是在治理区及其周围注入易于流动、固水性较好的材料，以起到隔氧降温的作用。注浆(胶)防灭火技术采用“区域钻孔施工完成—孔底信息检测—单孔注浆参数设计—效果检验”的施工工艺，具体如图1所示。

图1 地面注浆(胶)技术工艺图

2.2 施工工艺流程

注浆(胶)防灭火技术工艺主要包括注浆施工工艺和注胶施工工艺，具体各项工艺情况如下：

(1)注浆施工工艺流程步骤：①清水冲孔，以保证钻孔的通透性，每孔10 m3；②变比例(体积比)注黄土和消石灰浆液，先稀后稠，水固比1∶0.8～1∶1，固相比黄土∶消石灰=10∶1；③采用多轮间隔式注浆，每次每孔50 m3，以保证浆液的自然沉淀和扩散半径；④注浆末期，利用泵机打压，在孔口压力达到1.0 MPa以上时，可结束注浆施工；⑤封孔，做到不漏气，注浆结束。注浆施工工艺如图2所示。

图2 注浆施工工艺流程图

注凝胶施工工艺：①凝胶由基料(水玻璃)、促凝剂(碳铵)和水按比例混合而成；②注凝胶时先进行配比试验，主要考察凝胶强度和成胶时间，结合采空区特征初步设计凝胶配比为水∶水玻璃∶碳酸氢铵=86∶10∶4，成胶时间控制在2 min左右；③注凝胶时，先将碳酸氢铵在浆池里按比例和水混合均匀，然后分别通过注胶泵将碳酸氢铵溶液和水玻璃压至钻孔，在孔口设置混合器，保证两者在混合器混合后在注入孔内，从而保证成胶效果。具体注凝胶工艺如图3所示。

图3 注胶系统图

3 采空区防灭火技术

3.1 治理方案

根据10105工作面的地质条件可知，工作面上覆9号煤层为小窑破坏区，采空巷道多，地质情况不明，回采率低，采空区相互连通，且与10号煤层属近距离，形成的9+10煤层复合采空区漏风严重，特别是在工作面停采线附近，由于其回撤时间长、采空区自燃三带停滞时间长，根据采空区煤自燃危险区域判定理论，结合该矿开采实际，本次设计主要针对停采线附近30 m范围沿工作面走向全面覆盖进行预防性注浆(胶)。具体设计方案中各项参数如下。

(1) 终孔位置：10105工作面上覆有9号煤层，9号煤层为小窑破坏区，10号煤层与9号煤层间距仅约3.5 m，在10号煤层采动影响下，9号煤采空区可能处于10号煤采空区冒落带内，在施工过程中如发现9号煤层已冒落，则终孔位置为9号煤层顶板；如9号煤层未冒落，则终孔位置为10号煤层顶板。

(2) 注浆扩散半径：根据流体力学及相关研究成果[1-3]，采用式(1)进行注浆浆液扩散半径计算

(1)

根据该公式，结合国内外注浆防灭火的实际经验，浆液扩散半径按8 m进行考虑。

(3)钻孔间距确定：浆液在采空区中的扩散如图4所示，钻孔最大间距由式(2)进行计算

(2)

式中：L——钻孔最大间距，m；

R——浆液扩散半径，m，取8 m；

D——采空区高度，m，取9号和10煤层开采高度的总和，取3 m。

基于式(2)能够计算得出L=15 m，现为了保证注浆(胶)效果，综合施工经验和矿井实际情况，钻孔间距取10～15 m。

图4 浆液在采空区扩散状况示意图

(4)钻孔布置方式：根据10105工作面开采情况及浆液的有效扩散距离、最大钻孔间距以及矿井封闭前后井下实际情况等因素综合考虑，钻孔间距取10～15 m，孔径为108 mm。沿工作面走向共设置3排钻孔，分别为：第一排A钻孔距插梁顶端(近煤壁方向)2 m，分别在工作面副巷附近布置6个钻孔，在工作面正巷附近布置4个钻孔，钻孔间距均为10 m，共10个钻孔；第二排B钻孔距支架尾部1 m(距第一排钻孔10.5 m)，在15架之前和104架以后钻孔间距为10 m，15～104架间钻孔间距为15 m，共17个钻孔；第三排C钻孔距支架尾部11 m(距第二排钻孔10 m)，钻孔间距均取15 m，共15个钻孔，合计42个钻孔，其中A类钻孔和B类钻孔均注凝胶材料，C类钻孔注黄泥浆材料。具体布置如图5所示。

图5 注浆钻孔布置方式示意图

(5)注浆(胶)材料：当区域钻孔施工完毕后可开始注浆。A排和B排钻孔距离停采线较近，更易发生自燃，同时为减少灌入浆材对设备的影响，以灌注凝胶为主，材料为水、水玻璃和碳酸氢铵；充分发挥其降温包裹及减少对支架等设备污染；C排钻孔灌注黄土浆液，在降温的同时起到封堵作用，材料主要为水、黄土和消石灰，必要时添加速凝剂水玻璃以及骨料，以加快浆液的凝固和减少浆液的流失[4-6]。

(6)注浆(胶)顺序：施工作业时，先注位置较低的Ⅰ区钻孔(A7～A10，B14～B17，C13～C15)共11个钻孔，再注位置较高的Ⅱ区钻孔(A1～A6，B1～B5，C1～C3)共14个钻孔，最后注剩余钻孔。先注位置较低的Ⅰ区8个钻孔(A7～A10，B14～B17)；其次注位置较高的Ⅱ区11个钻孔(A1～A6，B1～B5)；再注B排剩余8个钻孔(B6～B13)；最后注C排15个钻孔。

3.2 效果分析

为有效验证10105工作面采用注浆(胶)防灭火技术的实施效果，通过地面注浆(胶)钻孔长期对10105工作面回风巷附近区域采空区布置两个监测点(A2、C2)，对CO的含量进行持续监测，根据监测结果得出如图6所示曲线。

图6 注浆(胶)过程中采空区内CO浓度变化曲线

分析图6可知，在10105工作面注浆(胶)初期，由于存在氧气进入采空区内，出现CO浓度升高的现象，随着注浆(胶)作业的进行，CO浓度开始逐渐降低，当注浆(胶)工作进行20 d后，2个监测点的CO浓度分别从1 250×10-6、840×10-6降低至176×10-6、0；大大降低了采空区内有害气体的浓度。

4 结论

根据10105工作面采空区的具体条件，通过分析注浆(胶)防灭火技术的技术原理和施工工艺流程，结合采空区现状，进行采空区注浆(胶)防灭火施工方案的具体设计，分别确定钻孔终孔位置、浆液扩散半径、钻孔间距、钻孔布置方式、注浆(胶)材料和注浆(胶)顺序，根据注浆(胶)过程中CO浓度监测结果可知，注浆(胶)防灭火技术实施后，有效解决了采空区自燃的危险。