五虎山煤礦010910工作面復(fù)合采空區(qū)注漿防滅火效果分析

彭榮富，萬祥云，賈 炳，孫蘭會(huì)，王文軍，李文善，陳寶義

（1.河南城建學(xué)院，河南 平頂山 467036；2.河南省水體污染防治與修復(fù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 平頂山 467036；3.煤科集團(tuán)沈陽研究院有限公司，遼寧 撫順 113122；4.煤礦安全技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 撫順 113122）

我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)煤炭資源的需求呈正相關(guān)，隨著開采深度的增加很多礦井在進(jìn)行采掘規(guī)劃時(shí)面臨著上下煤層間距小、煤層薄的現(xiàn)狀，使得有些礦井不得不選擇對(duì)上下層近距離煤層進(jìn)行同時(shí)開采[1]。當(dāng)選擇對(duì)兩近距離煤層進(jìn)行分層開采時(shí)，由于下層煤開采后隨著頂板垮塌與上覆工作面采空區(qū)形成一體化復(fù)合采空區(qū)，形成的復(fù)合采空區(qū)具有遺煤量大且上覆采空區(qū)遺煤呈現(xiàn)高位散落賦存狀態(tài)、氧化時(shí)間長(zhǎng)且對(duì)其定向進(jìn)行阻化處理的難度系數(shù)較大，故復(fù)合態(tài)采空區(qū)自然發(fā)火危險(xiǎn)程度顯著升高[2]。與此同時(shí)，形成的復(fù)合采空區(qū)因其空間垮落大、漏風(fēng)通道復(fù)雜、氣體分布規(guī)律難以掌握等特點(diǎn)，進(jìn)一步導(dǎo)致其治理難度加大。因此，針對(duì)近距離煤層規(guī)?；_采后形成復(fù)合態(tài)采空區(qū)治理難點(diǎn)問題，必須應(yīng)對(duì)其重點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行定向監(jiān)測(cè)、定向治理以解決自然發(fā)火防治問題。

1 工作面概況

五虎山煤礦010910 工作面是9#煤層布置的第10 個(gè)綜采工作面，工作面走向長(zhǎng)度1 000 m，傾斜長(zhǎng)度300 m，煤層設(shè)計(jì)采高為1.8 m。本層010910 工作面正?；夭善陂g1 d 割煤4 刀，推進(jìn)約3 m。本層采空區(qū)距上覆010908 采空區(qū)間距平均約10 m，隨著下層工作面推進(jìn)，頂板垮落后與上覆采空區(qū)形成一體化復(fù)合采空區(qū)，010910 工作面與上覆采空區(qū)位置關(guān)系圖如圖1。

圖1 010910 工作面與上覆采空區(qū)位置關(guān)系圖Fig.1 Location diagram of 010910 working face and overlying goaf

由于9#煤層為Ⅱ類自燃煤層，自然發(fā)火期較短，由于距離地表垂距小，頂板垮落后形成的復(fù)合采空區(qū)會(huì)形成發(fā)育裂隙，進(jìn)而導(dǎo)致遺煤處于長(zhǎng)期漏風(fēng)供氧氧化狀態(tài)[3]。伴隨下層工作面推進(jìn)緩慢時(shí)，極容易導(dǎo)致復(fù)合采空區(qū)遺煤發(fā)生CO 濃度短期突然增大等氧化現(xiàn)象，因此針對(duì)復(fù)合采空區(qū)自然發(fā)火特點(diǎn)，應(yīng)研究一套提前定全方位監(jiān)測(cè)、及時(shí)并高效定向立體治理的有效治理措施。

2 復(fù)合采空區(qū)重點(diǎn)治理區(qū)域

受010910 工作面近距離煤層的采動(dòng)影響，其上覆煤層采空區(qū)和本層采空區(qū)垮落后，上下采空區(qū)相互貫通后形成具有垮落高度大、遺煤呈立體分布等特征的復(fù)合采空區(qū)。上層采空區(qū)遺煤在長(zhǎng)期漏風(fēng)供氧狀態(tài)下緩慢氧化使得其自然發(fā)火危險(xiǎn)更大，因此復(fù)合采空區(qū)的治理重點(diǎn)為上層遺煤長(zhǎng)期漏風(fēng)供氧形成的氧化帶區(qū)域和本層采空區(qū)漏風(fēng)供氧形成的氧化帶區(qū)域，通過對(duì)重點(diǎn)區(qū)域高低位遺煤實(shí)施注漿，對(duì)其進(jìn)行立體覆蓋、堵漏、隔氧[4]。

3 復(fù)合采空區(qū)定向注漿治理方案

針對(duì)復(fù)合采空區(qū)的遺煤分布、圍巖破碎后裂隙分布特征及漏風(fēng)特征，提出了一套基于上下層立體監(jiān)測(cè)為前提的復(fù)合采空區(qū)高低位定向聯(lián)合注漿治理方案，能根據(jù)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)結(jié)果了解復(fù)合采空區(qū)真實(shí)狀態(tài)并能及時(shí)對(duì)采空區(qū)存在的CO 等有害氣體異常且有上升趨勢(shì)的區(qū)域?qū)嵤┳{防滅火措施，及時(shí)、有效地預(yù)防復(fù)合采空區(qū)遺煤氧化自燃[5]。

3.1 上下層采空區(qū)立體監(jiān)測(cè)

對(duì)010910 工作面復(fù)合采空區(qū)采取上下層立體布孔監(jiān)測(cè)，掌握上下層復(fù)合采空區(qū)“三帶”立體分布規(guī)律，為有針對(duì)性開展注漿防滅火提供理論指導(dǎo)[6]。010910 采空區(qū)自燃“三帶”觀測(cè)點(diǎn)布置圖如圖2。上覆采空區(qū)豎直自燃“三帶”觀測(cè)測(cè)點(diǎn)布置圖如圖3。

圖2 010910 采空區(qū)自燃“三帶”觀測(cè)點(diǎn)布置圖Fig.2 Location of observation points of the “three belt”of spontaneous combustion in the 010910 goaf

圖3 上覆采空區(qū)豎直自燃“三帶”觀測(cè)測(cè)點(diǎn)布置圖Fig.3 Location of observation points of the “three belt”of spontaneous combustion in the overlying goaf

由圖2 和圖3 可知，沿010910 工作面傾斜方向均勻布置編號(hào)分別為①、②、③、④ 4 個(gè)測(cè)點(diǎn)觀測(cè)本層采空區(qū)氧氣濃度指標(biāo)，在回風(fēng)巷豎直向上施工的監(jiān)測(cè)兼治理鉆孔中（孔長(zhǎng)度要穿過本煤層及上層煤之間的巖石，到達(dá)上層工作面煤底板）布置編號(hào)為⑤、⑥、⑦ 3 個(gè)測(cè)點(diǎn)觀測(cè)上層采空區(qū)氧濃度指標(biāo)。根據(jù)布置的上下層立體鉆孔，結(jié)合連續(xù)的取氣分析得出的水平方向以及豎直方向“三帶”結(jié)果見表1[6]。

表1 010910 工作面水平方向自燃“三帶”分布結(jié)果Table 1 Results of distribution of the“three-belt”of spontaneous combustion in the horizontal 010910 working face

通過表1 結(jié)果可知，010910 工作面近距離復(fù)合采空區(qū)水平方向整體上進(jìn)風(fēng)側(cè)散熱帶和氧化帶區(qū)域相對(duì)較大。復(fù)合采空區(qū)豎直方向自燃“三帶”觀測(cè)點(diǎn)O2濃度變化曲線圖如圖4。

圖4 復(fù)合采空區(qū)豎直方向自燃“三帶”觀測(cè)點(diǎn)O2 濃度變化曲線圖Fig.4 Variation curves of concentration of O2 at the“three belts”of spontaneous combustion in the vertical goaf

通過圖4 可知，010910 工作面近距離復(fù)合采空內(nèi)靠近煤層底板的破碎巖體隨著頂板逐漸垮落至采空區(qū)底部最先被壓實(shí)，壓實(shí)后漏風(fēng)通道部分被阻斷，導(dǎo)致漏風(fēng)程度和漏風(fēng)量減小[7]；靠近采空區(qū)漏風(fēng)相對(duì)容易的上部空間處于頂板垮落的斷裂帶內(nèi)，導(dǎo)致漏風(fēng)量大于底部，氧氣濃度自然也高于底部，同時(shí)也使得位于工作面后部約20～40 m 范圍的遺煤將處于長(zhǎng)期氧化中，應(yīng)對(duì)該范圍高位遺煤加強(qiáng)注漿治理。

3.2 上下層采空區(qū)高低位聯(lián)合注漿

由于注漿用防滅火漿液具有地勢(shì)高流經(jīng)地勢(shì)低的流動(dòng)特性，其不能自然狀態(tài)下向高處流動(dòng)并堆積，因此對(duì)中、高處采空區(qū)散落遺煤起不到有效防治的作用[8]。針對(duì)復(fù)合采空區(qū)遺煤立體分布的特點(diǎn)，應(yīng)在遺煤上方注漿使?jié){液自上而下全面覆蓋遺煤以達(dá)到對(duì)復(fù)合采空區(qū)高低位遺煤進(jìn)行立體注漿的目的，故自然而然提出了采空區(qū)高低位聯(lián)合注漿技術(shù)，注漿漿液的土水比為1∶3，注漿后定期檢測(cè)注漿滅火區(qū)及其采空區(qū)內(nèi)的氣體變化規(guī)律、氣溫、煤溫和出水溫度等指標(biāo)，根據(jù)治理效果適當(dāng)調(diào)整注漿工藝[9]。

1）低位密閉注漿。010910 工作面回采一定距離使得本層采空區(qū)遺煤處于氧化帶左右時(shí)可利用在雙巷之間聯(lián)絡(luò)巷內(nèi)的密閉及回風(fēng)巷上隅角預(yù)埋的φ108 mm 注漿管路向后部采空區(qū)注漿，其優(yōu)勢(shì)在于注漿位置深入采空區(qū)，注漿對(duì)工作面影響小，漿液能夠較多的留在采空區(qū)內(nèi)部[10]。復(fù)合采空區(qū)低位密閉注漿示意圖如圖5。

圖5 復(fù)合采空區(qū)低位密閉注漿示意圖Fig.5 A diagram grouting low level in the composited goaf area

2）回風(fēng)巷上隅角高位措施孔注漿。采用010910回風(fēng)巷高位措施孔注漿時(shí)，隨著工作面推進(jìn)，在回風(fēng)巷離切眼 90 m 開始，每隔 30 m 左右打 2 組終孔位置在上覆煤層頂板的措施孔對(duì)上覆處于氧化狀態(tài)的高位遺煤進(jìn)行注漿，010910 回風(fēng)巷上隅角高位措施孔注漿剖面圖如圖6。

4 定向注漿效果分析

注漿后本層采空區(qū)出水溫度處于較低值，未見明顯高溫跡象，且各密閉氣體含量及出氣氣溫正常。

圖6 010910 回風(fēng)巷上隅角高位措施孔注漿剖面圖Fig.6 Profile grouting high level in the 010910 crossheading

觀察010910 工作面后方30 m 處復(fù)合采空區(qū)低位遺煤區(qū)域注漿前后氣體變化可知，對(duì)重點(diǎn)區(qū)域注漿后能有效抑制CO 氣體產(chǎn)生，CO 濃度呈明顯下降趨勢(shì)，治理后氧氣也呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。說明高低位注漿能夠有效覆蓋上下層遺煤，對(duì)遺煤、裂隙起到了良好的包裹、封堵作用，聯(lián)合注漿防滅火效果明顯。

5 結(jié) 論

1）通過回風(fēng)巷一定距離實(shí)施上層高位監(jiān)測(cè)兼治理鉆孔以及利用本層采空區(qū)束管監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠?qū)?10910 工作面復(fù)合采空區(qū)進(jìn)行全面立體監(jiān)測(cè)。

2）對(duì)復(fù)合采空區(qū)實(shí)施高低位聯(lián)合注漿能夠抑制復(fù)合采空區(qū)重點(diǎn)區(qū)域高低位遺煤自燃，并能有效覆蓋、包裹遺煤及裂隙，一定程度上阻隔了漏風(fēng)供氧。

3）現(xiàn)場(chǎng)針對(duì)復(fù)合采空區(qū)進(jìn)行高低位聯(lián)合注漿，發(fā)現(xiàn)漿液的黏度、流動(dòng)性、水土比等因素是影響注漿效果的重要因素。