汪莊煤礦采空區(qū)自燃治理方法與實踐

蔡曉青

(興隆礦務局，河北興隆067200)

汪莊煤礦隸屬于興隆礦務局，原設計生產(chǎn)能力210kt/a，核定礦井生產(chǎn)能力450kt/a。

井田內(nèi)共有煤層10層。主采煤層為4，6層煤。煤田內(nèi)斷層發(fā)育，火成巖侵入嚴重，結(jié)構復雜。由于受地層構造影響，煤層基本呈迭瓦狀分布。煤層傾角10～35°。

該礦井主采的4，6層煤均具有自然發(fā)火傾向性，自然發(fā)火期18～24個月，屬Ⅱ類自燃煤層。

1 火區(qū)分布及發(fā)火原因

1.1 火區(qū)分布

礦井四十余年形成的影響較大火區(qū)分布如下:

2841火區(qū) 位于井田西部F7～F10斷層之間的塊段內(nèi)，1989年自然發(fā)火，該區(qū)域火區(qū)面積大，滅火難度較大。

947火區(qū) 位于井田西部F7斷層南側(cè)塊段內(nèi)，1974年自然發(fā)火。

9439火區(qū) 位于井田西部F7斷層南側(cè)塊段內(nèi)，與947火區(qū)相鄰，1965年3月2日自然發(fā)火，火區(qū)面積較大。

地面下山火區(qū) 位于井田北部F7斷層北側(cè)塊段內(nèi)，370m水平以上。1964年10月14日自然發(fā)火。2000年9月5日又在配巷處發(fā)現(xiàn)明火，說明火區(qū)沒有熄滅，范圍有擴大趨勢。

2742火區(qū) 位于井田西部F7斷層北側(cè)塊段內(nèi)，該采區(qū)于1987年4月開始回采，1992年6月回采結(jié)束。1989年11月6日l號塊采空區(qū)自然發(fā)火，該區(qū)發(fā)火面積較大。

39北火區(qū) 位于井田中部F7～F10斷層之間的塊段內(nèi)，1981年3月19日瓦斯爆炸后封閉，1984年9月26日自然發(fā)火。2000年7月28日進行復采時自然發(fā)火。2001年4月13日又見明火，火區(qū)范圍明顯擴大。

東風眼火區(qū) 位于井田東部F7斷層北側(cè)塊段內(nèi)，1974年自然發(fā)火，溫度較高，有CO出現(xiàn)。

2744火區(qū) 位于井田東部F7斷層北側(cè)塊段內(nèi)，一水平以下，二水平以上，1993年9月13日和11月1日在2744－1號塊采空區(qū)自然發(fā)火。

2743火區(qū) 位于井田西南部F7～F2斷層之間的塊段內(nèi)。1996年2月發(fā)火并封閉。

從以上火區(qū)分布情況可以看出，火區(qū)分布密度高，分布范圍廣，發(fā)火時間長，火勢不易控制，有蔓延發(fā)展的趨勢。

1.2 發(fā)火原因

4層煤屬特厚煤層，分層開采;6層煤屬薄煤層，局部中厚煤層，采出率較高，采空區(qū)內(nèi)無發(fā)火現(xiàn)象。由于礦井煤層開采條件復雜，以往的開采方法主要采用巷柱式，采空區(qū)丟失浮煤較多;另外在生產(chǎn)管理中，雖然采取了采后密閉、控制風流、密閉間臨時注漿等多種防滅火措施，但由于煤層埋藏較淺，斷層裂隙發(fā)育，火區(qū)封閉系統(tǒng)受礦壓影響破壞嚴重，加之原注漿系統(tǒng)的局限性，使得采取的措施只能延遲發(fā)火時間或控制發(fā)火范圍，無法從根本上杜絕和防止自然發(fā)火。

2 采空區(qū)火區(qū)治理的目的

汪莊煤礦已有四十余年的開采歷史，井下已形成的多處采空區(qū)火區(qū)不僅造成了礦井呆滯儲量明顯增多，而且火區(qū)蔓延還嚴重威脅礦井安全生產(chǎn)。火區(qū)治理勢在必行。通過采取科學有效的手段，對以往火區(qū)進行治理，一是可以解放部分呆滯煤量;二是可以為后續(xù)開采4煤層底分層創(chuàng)造條件，同時可以滿足礦井安全生產(chǎn)的要求，最大程度地回收礦井資源，延長礦井的壽命，提高礦井的經(jīng)濟效益。

3 火區(qū)滅火治理工程

3.1 滅火方法確定

由于汪莊煤礦的采空區(qū)與小煤礦、斷層裂隙、老空老巷多處連通，漏風點多，采用均壓法、隔離法難度較大，因此采用注漿滅火方法。

根據(jù)火區(qū)分布情況，采用地面永久性注漿與井下臨時性注漿站2種方式相結(jié)合的方法。

井下建立臨時移動注漿站2個，將攪拌好的漿液壓入到巷道密閉內(nèi)或著火點，配合永久注漿站滅火及防止井下火區(qū)密閉漏風。井下臨時移動注漿站受井下巷道條件的限制，使用場地有限，不能完全滅火，只能做為配合滅火方法。

地面建立永久性注漿站，不受井下條件限制，服務范圍大。不需專用設備，使用普通鉆機在地面打垂直鉆孔，能實現(xiàn)準確定位，不需要在井下做巷道工程，大大節(jié)省工程量和工程費用。

4層煤采區(qū)開采歷史長，形成的火區(qū)歷史長，分布范圍較廣，火勢較大，導通點多，火區(qū)不易控制。采取的滅火方案首先是進行區(qū)域隔離，將采空區(qū)火區(qū)進行分割，分成幾個區(qū)域后分別進行治理。這樣可以減少治理難度、縮短治理時間。

火區(qū)治理分兩步走，首先通過專用隔離注漿鉆孔將火區(qū)隔離;隔離注漿經(jīng)檢驗完成后，再通過專用注漿鉆孔實施分區(qū)式灌漿?；饏^(qū)注漿按設計順序進行。通過鉆孔注漿，實現(xiàn)隔離滅火和直接滅火，達到區(qū)域滅火目的。

為降低成本、實現(xiàn)廢舊利用，就地取材，采用興隆礦務局矸石電廠粉煤灰做注漿材料。這種材料易加工、供應充足，和傳統(tǒng)注漿材料黃土相比，不破壞環(huán)境，成本低廉，漿液濃度容易掌握，不易堵管，注漿系統(tǒng)簡單，初期投資小。

每一個注漿孔完成注漿后，進行封孔，設截門，定期從鉆孔采集氣樣進行檢測。做氣樣分析，評判火區(qū)滅火效果，安排下一步滅火措施。

3.2 注漿材料及工藝

(1)注漿材料 注漿材料粒徑應小于2mm，細小顆粒要占60%～70%，粒徑小于0.07mm。所以，首先要對注漿材料進行篩分，符合要求的原料直接運至泥漿池，不符合要求的原料則進行球磨。

(2)灰漿配制要求 灰漿的水灰比依據(jù)泥漿輸送距離、煤層傾角、注漿方式、注漿材料和季節(jié)等因素確定。汪莊礦本次工程灰漿水灰比按8∶1配制。

(3)工藝流程 灰漿配制、注漿系統(tǒng)工藝流程如圖1所示。

圖1 注漿滅火工程灰漿配制、注漿系統(tǒng)工藝流程

(4)鉆孔布置 鉆孔直徑:各注漿站鉆孔直徑采用108mm(套管的標準直徑)，配備相應型號的鉆機。根據(jù)圍巖情況，在表土層、松軟巖層地段要放置套管;鉆孔布置:通過鉆孔注入的灰漿在采空區(qū)內(nèi)的流動距離取決于泥漿濃度、煤層的傾角、頂板巖性、冒落時間、采煤方法，在汪莊礦實際開采條件下，灰漿在采空區(qū)的流動半徑一般可達40～60m，以此確定鉆孔的間距;鉆孔盡可能布置在火點位置、頂層風巷、采塘頂部，以利于直接滅火及回漿流動。為控制火區(qū)范圍，防止其他火區(qū)對滅火火區(qū)產(chǎn)生影響，需設置隔離鉆孔，隔離鉆孔位置由井下相應連接巷道位置確定。注入的灰漿起隔絕作用，水灰比另行確定。

鉆孔布置如圖2所示。首先灌注火區(qū)周邊隔離鉆孔，然后進行火區(qū)灌注。鉆孔注漿順序為A→B→C。

圖2 鉆孔布置

汪莊礦滅火注漿系統(tǒng)布置如圖3所示。5個火區(qū)共打隔離鉆孔18個，注漿鉆孔23個，鉆孔總數(shù)41個，總工程量7070m。

各火區(qū)注漿鉆孔工程量見表1。

表1 各火區(qū)鉆孔布置工程量

4 注漿滅火效果及經(jīng)濟效益

4.1 注漿滅火效果

圖3 汪莊礦滅火注漿系統(tǒng)布置

各火區(qū)注漿所注入的灰水量如表2所示。

根據(jù)表2可以看出，4個火區(qū)總采空區(qū)體積預計為485445m3，實際總注漿量為97089m3。通過注漿，采空區(qū)和裂隙得到了充分充填，與小煤礦等其他采空區(qū)有效隔絕。

表2 各火區(qū)注漿所注入的灰水量等參數(shù)

4.2 粉煤灰注漿的優(yōu)點

采用電廠粉煤灰，減少地面占地，減少揚塵，保護環(huán)境，有效利用工業(yè)廢料，投資小，成本低廉。

粉煤灰粒度均勻適合，流動性較好，脫水快，脫水后有5%～6%的膨脹系數(shù)，對采空區(qū)裂隙有很好的封堵作用。

粉煤灰適合于長距離注漿，在管道中流動性好，在采空區(qū)分散性好。

地面鉆孔施工不受限制，施工方便，便于鉆孔定位。實踐證明，合理、準確的鉆孔定位，在火區(qū)隔離和注漿滅火方面效果明顯。

利用鉆孔準確觀測火區(qū)氣體變化情況，準確掌握滅火效果，氣體取樣及時、準確，便于正確判斷火區(qū)發(fā)生、發(fā)展情況。

4.3 經(jīng)濟效益

4個火區(qū)滅火工作全部結(jié)束后，可確保相鄰采區(qū)的安全生產(chǎn);消除火區(qū)對礦井安全生產(chǎn)的巨大威脅;其中2743區(qū)已恢復生產(chǎn)，其余3個采區(qū)根據(jù)采掘安排將陸續(xù)恢復生產(chǎn)。

4個火區(qū)注漿滅火工程費用共120萬元，解放呆滯煤量3.8Mt，可采出煤炭3.04Mt，按照當前噸煤利潤80元計算，可產(chǎn)生利潤2.432億元，扣除注漿費用，純利潤2.42億元;可延長礦井服務年限5～6a。

5 結(jié)束語

粉煤灰鉆孔注漿技術解決了較大面積采空區(qū)火區(qū)治理的難題，消除了礦井安全隱患，解放了呆滯儲量，產(chǎn)生了很好的技術經(jīng)濟效益。

在地面建注漿站，不受井下各種條件限制，施工方便，打垂直鉆孔定位準確，工程量小，灌注效果好。粉煤灰漿液流動性好、分散度高，脫水后沉淀層位均勻，封堵性好。根據(jù)礦井火區(qū)分布情況采用分區(qū)式注漿，實現(xiàn)隔離式滅火和直接滅火，滅火周期短，效果明顯。

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