潞寧煤業(yè)副斜井老空區(qū)注漿防滅火技術(shù)

張 斌

(潞安集團 潞寧煤業(yè)公司，山西 忻州 036000)

1 工程概況

潞寧煤業(yè)副斜井長度為730 m，傾角14°，斷面凈寬×凈高=4.5 m×4 m，采用砌碹支護，其正上方為礦井聯(lián)合調(diào)度中心，在其西側(cè)12 m處是9 m高的護坡，護坡西側(cè)存在原老窯采空區(qū)和殘留巷道，均布置于2號煤層內(nèi)(距地表平均垂深約24 m)，在護坡西側(cè)5～10 m植被出現(xiàn)被“熏焦”現(xiàn)象，約30 m處的巖石有明顯的因溫度升高所導致的顏色加深，說明老空區(qū)中存在火區(qū)，其產(chǎn)生的有毒有害氣體向副斜井涌入，異常涌出的有毒有害氣體嚴重威脅到礦井的安全生產(chǎn)，急需采取有效措施進行治理作業(yè)。

2 注漿防滅火方案設計

2.1 治理總體技術(shù)方案

根據(jù)潞寧煤業(yè)副斜井治理區(qū)域為老窯露頭開采破壞區(qū)，采空區(qū)上覆巖層較破碎，裂隙極為發(fā)育，采空區(qū)與外界空氣連通較好，漏風嚴重，同時，該區(qū)域存在自燃現(xiàn)象，采空區(qū)內(nèi)溫度較高且生成大量有毒有害氣體，由于塌陷，已造成地表移動?；谏鲜鎏攸c，確定采用注漿施工防火隔離帶的措施，治理的總體流程為：通過地表打孔注漿作業(yè)，對采空區(qū)內(nèi)易自燃氣體進行有效驅(qū)逐，并對老空區(qū)上方的巖層形成有效支撐，以阻止其進一步冒落造成地面沉陷變形[1-3]，在施工過程中遵循“先降溫后加固”、“先帷幕后充填”的原則進行，實施“打鉆—測溫—降溫—加固—打壓—檢測”等一系列工序，總體技術(shù)方案見圖1。

2.2 方案設計

1) 治理范圍探測。由于治理區(qū)域為老窯破壞區(qū)，地質(zhì)條件不明、巷道布置及采掘破壞情況不清，現(xiàn)采用MQT-130A型鉆機+φ65 mm雙翼鉆頭和+φ42 mm中空接長鉆桿進行探孔施工，共布置探孔40個，具體探測鉆孔布置平面見圖2。

圖1 注漿防滅火隔離帶施工總體技術(shù)方案

根據(jù)探測老空區(qū)鉆孔的驗證結(jié)果可知，副斜井破碎層及采空區(qū)主要位于地表至21.0 m處，在儲氣罐西側(cè)采空區(qū)(27號孔、32號孔、36號孔揭露)存在煤層燃燒現(xiàn)象，地下高溫及采空區(qū)對儲氣罐及瓦斯管道安全運行形成極大隱患，另外得出該區(qū)域采空區(qū)空洞厚度在0.2～7.0 m，一般約5.0 m。

2) 治理范圍確定及鉆孔布置。根據(jù)潞寧煤業(yè)副斜井防滅火治理區(qū)域的具體地質(zhì)條件以及探鉆施工結(jié)果，確定本次施工范圍為北邊以副斜井井口為界、東邊以護坡為界、南面以瓦斯抽放管支撐梁南2 m為界、西邊以瓦斯抽放管支撐梁西2 m為界，總面積約25 m×80 m(約2 000 m2)，具體范圍見圖3。

圖2 探測老空區(qū)鉆孔布置位置示意(m)

圖3 治理范圍示意(m)

依據(jù)前期工程探測鉆孔及調(diào)查情況，本次設計孔深10.0～25.0 m，平均20.0 m，設計共布置五排鉆孔，孔間距5.0 m，排距根據(jù)地形布置為5.0～6.0 m，按此原則共布置注漿孔83個，外側(cè)布置1排帷幕鉆孔，其中1～17號、33號、50號、66號及83號孔為帷幕孔，其余孔為一般注漿孔。

3) 注漿材料。本次注漿防滅火隔離帶的施工中使用的注漿固相材料為水泥、粉煤灰，液相材料為水，固相材料中水泥占30%和15%，粉煤灰占70%和85%。漿液水固比采用1∶1 。帷幕孔及注漿量大的注漿孔視情況投入1～2 cm的石料。

4) 注漿鉆孔施工工藝。①用D108 mm鉆頭開孔，開孔孔徑控制在110 mm以上，鉆進至完整基巖面下1.0～3.0 m后，下入D89 mm的花管，花管末端進入完整基巖不小于0.5 m；②在鉆進工程中如塌孔，在原孔位應重新采用跟管鉆進，跟管鉆進采用D108 mm錘頭的潛空錘，跟管鉆進至完整基巖下不少于3.0 m終孔，成孔后松動套管，下入D89 mm的花管，花管末端進入完整基巖不小于2.0 m；③封孔，安裝帶D120～130 mm法蘭托盤的D50 mm注漿管于變徑的位置處，在孔壁周圍放置一定量的砂石，隨后在砂石中放置粘土，然后灌入水灰比0.67的水泥漿，設置封孔長度為30 m。

注漿施工順序：①注漿作業(yè)分二次進行，先施工帷幕孔，再施工注漿孔，當煤層有傾角時，應先施工煤層底板較低處，再施工煤層底板較高處；②根據(jù)孔底溫度檢測，當溫度超過70 ℃時，首先進行注漿降溫，直至溫度降至70 ℃以下再進行注漿加固；③注漿工作應間隔式分序次進行，從而提高充填率；④每孔注漿作業(yè)前均須對鉆孔進行有效的清洗，洗孔的時間應約10 min，另外針對打設過程中探明的軟巖為其主要成分的鉆孔，在注漿作業(yè)前可以不進行壓水洗孔作業(yè)；⑤注漿前應量測注漿孔的孔深、水位，當實測孔深與終孔孔深相差較大時，應掃孔至設計標高；⑥在注漿施工的開始階段，注意搜集整理各地段各種配比漿液的灌注充填情況，獲取更為合理的注漿施工參數(shù)；⑦對于小窯采空區(qū)，要做好施工中注漿情況的分析整理和及時反饋，對漿液的配制和灌注進行適當?shù)恼{(diào)整，最終實現(xiàn)治理工程的經(jīng)濟、合理、優(yōu)質(zhì)、高效；⑧封孔，做到不漏氣，注漿結(jié)束。

3 應用效果分析

3.1 注漿情況

副斜井治理區(qū)域注漿施工共灌注鉆孔88個，共計完成總注漿量為11 361.94 m3，其中最大單孔注漿量409.60 m3，最小6.22 m3，平均129.11 m3。共計水泥用量為1 471.4 t，粉煤灰用量為6 138.028 t，水用量為7 609.428 t，速凝劑8.925 t。

3.2 注漿效果考察

為分析副斜井注漿防滅火的應用效果，注漿施工前在注漿區(qū)域打設檢驗鉆孔，檢驗鉆孔共計打設2個，兩個鉆孔平行于護坡方向的間距為30 m，垂直于護坡方向的間距為10 m，鉆孔打設完畢后通過在鉆孔內(nèi)設置氣樣監(jiān)測點，持續(xù)對鉆孔內(nèi)的CO含量進行有效監(jiān)測，根據(jù)監(jiān)測結(jié)果得出，CO的體積分數(shù)變化曲線見圖4。

圖4 注漿后治理區(qū)域CO濃度變化曲線

由圖4可知，在副斜井注漿施工的前期，CO的體積分數(shù)出現(xiàn)升高較快的趨勢，這是由于漿液注入到老空區(qū)后，大量占據(jù)了CO原有的存在空間，進而使得CO的含量出現(xiàn)升高，隨著注漿作業(yè)的進行，老空區(qū)內(nèi)CO逐漸滲透排出，CO的含量逐漸平緩的降低，治理區(qū)域經(jīng)過近一個月的注漿作業(yè)后，老空區(qū)內(nèi)CO的濃度大量降低，1號檢查孔CO的體積分數(shù)由最高的1.26×10-3降低至1.20×10-4，2號檢查孔CO的體積分數(shù)由最高的8.40×10-4降低至0，有效降低了老空區(qū)內(nèi)CO的含量。另外根據(jù)對治理區(qū)域地面巖石及植被的長期觀測知，注漿施工完畢后，地面植被無“熏焦”現(xiàn)象出現(xiàn)，巖石顏色也均未再出現(xiàn)因高溫顏色加深的現(xiàn)象，基于此可知，注漿防滅火效果顯著。