石圪台煤矿上覆小窑火区治理技术及效果分析

何帅印

（神东煤炭集团公司石圪台煤矿，陕西 神木 719315）

0 引言

我国煤矿矿井自然发火频发[1-2]，尤其在西北地区，由于煤层埋深较浅，地表裂缝较为发育[3-6]。矿区上覆浅埋深煤层区域分布着大量的小煤矿，前期小煤矿对浅埋深的煤层简单粗放的开采，自然发火如得不到有效治理将严重威胁下覆煤层的开采[7-11]。

1 工作面概况

石圪台煤矿31206工作面位于31煤二盘区，工作面推进长度2 252 m，工作面长度267.1 m，平均煤厚3.6 m，上覆有22煤和12煤，22煤平均厚5 m，22煤与31煤层平均间距34 m，12煤与22煤层平均间距38 m。工作面已于2016年9月7日布置完成，原计划于2016年10月份接续，但受上覆小窑火区影响无法正常接续。本文结合石圪台煤矿周边小煤矿的分布情况，针对小煤矿自然发火状况进行了分析研究，并采取了针对性的措施，对31206工作面上覆小煤矿火区进行治理，取得了良好的效果，研究成果对类似条件下矿井安全开采提供了宝贵的实践经验。

2 小煤矿分布及自然发火情况

石圪台煤矿周边存在24个小煤矿，主要分布在31煤一盘区与二盘区周边，小煤矿与石圪台矿相邻或重叠，各小煤矿存在相互盗采现象，且部分小煤矿曾越界开采，导致小煤矿采空区之间和小煤矿采空区与石圪台矿采空区存在漏风现象。石圪台煤矿31煤二盘区上覆存在7个地方小煤矿，分别为：尔林兔乡糖浆渠矿、尔林兔乡前渠矿、瓦罗乡刘石畔矿、野猫湾矿、北大渠矿、糖浆渠二矿和神府碳窑渠矿。截至2011年所有小煤矿全部关停，目前石圪台煤矿周边存在3个综合治理项目分别对小煤矿12煤和22煤资源进行剥挖治理。

22煤采空区未剥挖区域面积为3.7万m2，该区域22煤底板等高线范围为1 115～1 125 m，总体呈东高西低趋势，该区域小煤矿巷道错综复杂，具体资料不明。利用红外热成像仪对31206切眼上覆小窑火区裂隙处煤岩体进行红外扫描测温，测得最高温度147℃，31206切眼2调探孔CO浓度最高为4 315×10-6，C2H6浓度最高为71×10-6，C2H4浓度最高为13×10-6，水温34℃，严重威胁石圪台煤矿安全开采。小煤矿及综合治理项目分布关系见图1。

图1 小煤矿及综合治理项目分布关系示意图

3 小煤矿火区治理技术

3.1 小煤矿火区治理方案

31206切眼区域上覆小煤矿12煤层已剥挖完毕，22煤层存在火区，根据同位素测氡法圈定的疑似火区范围、煤层赋存、巷道布置及火区发展状况等综合因素，利用地面打钻注浆灭火措施对火区进行治理。所注浆液在采空区内流动堆积沉淀一段时间后，通过井下施工探放水钻孔进行疏放水，地面钻孔持续注浆，直至沙土充满整个采空区，使漏风通道得到有效封堵，进而隔绝火区氧气供应。

3.2 钻孔施工方案

注浆钻孔不取芯，施工至22煤巷道顶板。以ϕ215 mm孔径施工至22煤巷道顶板。贯通22煤巷道后，全孔下ϕ159 mm钢管至巷道顶板，上口露出地面0.2 m，钢管与钢板之间用梯形钢板焊接，拉筋加固固定于上口盖0.8 m×0.8 m的钢板上，ϕ159 mm钢管需高出钢板0.1 m；钢管下口要求高于巷道顶板以上2 m，钢管不得进入巷道。护管、套管与孔壁之间用砂土进行充填。

3.3 钻孔设计及施工

根据治理方案，一期设计13个钻孔，其中1个供电钻孔、11个注浆钻孔和1个验证兼注浆钻孔，二期设计8个验证兼注浆钻孔，三期设计11个验证兼注浆钻孔，施工布置如图2所示。2017年8月16日开始施工一期钻孔，2017年9月27日施工完毕，首先在31206胶运顶头（切眼调车硐）施工1个供电钻孔（GD1），利用已施工的注水钻孔（G S1），从井下供水、供电；然后对该区域施工注浆钻孔。共计施工12个注浆钻孔（钻孔名：Y F1-Y F11、Y F13，图2中显示红色和粉色圆点）和1个供电钻孔。

2017年12月1日开始施二期设计的8个验证兼注浆钻孔（钻孔名：YZ1-YZ8，图2显示蓝色圆点），2017年12月10日施工完毕。

2018年3月30日开始施工三期设计的11个验证兼注浆钻孔（钻孔名：BC1-BC10、BC12，图2中显示绿色圆点），2018年4月27日施工完毕。

图2 钻孔实际施工分布图

3.4 注浆治理进度

2017年8月26日开始注浆，利用泥浆泵从缓浆池中抽取浆液，输送管路连接地表钻孔泵送浆液的方式进行注浆。

截至2018年5月7日完成31个注浆钻孔及裂隙注浆治理工作，累计注浆液993 843 m3（其中注山砂234 412 m3，注水量759 431 m3）。

4 治理效果分析

注浆治理效果的检验手段主要是通过对注浆作业区气体和温度的监测分析，因此地表可利用已施工注浆钻孔和地表裂隙，井下可利用31206切眼附近区域施工探放水孔来检测注浆区的气体及温度变化。

图3 注浆前后地表温度变化

4.1 地表裂隙温度

注浆前，利用红外热成像仪对31206切眼上覆火区裂隙处煤岩体进行红外扫描测温，测得最高温度147℃，2018年4月24日再次测定，测得最高温度为49.2℃，温度降低了97.8℃，说明注浆治理效果显著。

4.2 地面钻孔气体情况

随着注浆治理的持续进行，浆液堆积覆盖的范围越来越大，原高温区域产生的高浓度CO被压缩的空间越来越小，运移范围也逐渐变小，且CO浓度下降明显（图4），说明注浆治理效果逐渐显现。

图4 钻孔Y F9气体变化趋势图

4.3 未剥离区域孔周边一氧化碳情况

注浆区域治理前，治理区域内烟势较大且CO浓度严重超标，随着注浆量的不断增加，CO浓度逐渐下降，直至稳定在0×10-6，且注浆治理区域内冒烟点已基本消失（见图5）。

图5 切眼注浆前后对比图

4.4 井下探孔水温及气体情况

31206切眼4调探孔初始出水温度35℃（见图6），2018年2月22日出水温度为19.9℃，较初始温度下降了15.1℃,随后该探孔被砂浆封堵严实。

图6 31206切眼4调探孔水温变化趋势图

31206回风顶头调车硐探孔初始出水温度31℃，2018年4月3日出水温度19.9℃，较初始温度下降11.1℃，随后该探孔被砂浆封堵（见图7）。

图7 31206回风顶头调车硐探孔水温变化趋势图

以上2处探孔出水温度均较初始温度明显下降，说明注浆取得一定效果。31206切眼新施工的T5钻孔（31206切眼0-1调副帮侧）从2018年3月31日开始测定出水温度，至2018年4月13日期间水温一直稳定在21℃左右，2018年4月14日该探孔被砂浆封堵严实，该区域出水温度虽然下降明显，但仍高于正常水温，说明火灾隐患暂未彻底消除。

31206胶运44联探孔内CO和O2浓度浓度均较注浆前明显下降（图8-图9），目前CO浓度稳定在17×10-6以下，O2浓度稳定在0%左右；31206切眼新施工的T F6钻孔（31206切眼3-4调副帮侧）CO浓度稳定在7×10-6以下，O2浓度稳定在0%，2018年4月21日后该钻孔被浆液封堵严实。以上2个气体观测点数据基本接近采空区气体浓度，说明火灾隐患通过注浆治理已经得到有效控制。

图8 31206胶运44联探孔气体变化趋势图

图9 31206切眼T F6探孔气体变化趋势图

5 结论

通过对31206工作面切眼上覆小窑采空区注浆过程中气体及温度观测数据分析，得出如下结论：

1）探放水钻孔水温由开始时的31℃逐渐降低，最终稳定在20℃左右，说明浆液流经小窑采空区高温煤体时起到了降温灭火的效果。

2）探放水孔观测数据显示CO浓度有明显下降，目前稳定在4×10-6左右，表明浆液有效封堵了小窑采空区漏风通道，减少漏风供氧，起到了抑制采空区遗煤氧化自燃的目的。

3）Y F9注浆钻孔内的一氧化碳气体由原先的10 000×10-6降低到200×10-6左右，表明浆液有效覆盖注浆钻孔附近的22煤高温煤体，抑制采空区遗煤氧化自燃，注浆灭火效果逐渐显现。

4）地表平台区域冒烟现象已基本消除，对比注浆前后红外测温数据，注浆灭火效果显著。