小煤柱綜放工作面相鄰采空區(qū)自燃災害綜合治理技術(shù)

郭春生，李耀謙，王 姣，楊勝強，宋亞偉

(1.陽泉煤業(yè)集團有限公司，山西 陽泉 045000； 2.陽泉煤業(yè)集團有限公司一礦，山西 陽泉 045000；3.中國礦業(yè)大學 安全工程學院，江蘇 徐州 221000)

我國煤炭自然發(fā)火嚴重的煤礦占比較大，煤炭自燃中有相當一部分為巷道附近壓酥煤體自燃[1-4]。目前，許多大型礦井為了提高資源回采率，采用了小煤柱護巷技術(shù)[4-9]，但由于小煤柱所承受的集中應力過大，煤體被壓裂，小煤柱孔隙裂隙極為發(fā)育，形成漏風通道，使得原本密閉的采空區(qū)漏風供氧，采空區(qū)遺煤的自燃危險性大大增加，嚴重威脅生產(chǎn)安全[10-15]。

目前煤礦常用的采空區(qū)防滅火技術(shù)主要有堵漏風、均壓、三相泡沫、注漿、注阻化劑、注惰氣、注膠體等防滅火技術(shù)[16-21]。井下發(fā)生火情時，通常根據(jù)現(xiàn)場實際情況結(jié)合一種或多種防滅火技術(shù)制訂治理措施。陽煤一礦81303綜放工作面初采階段，經(jīng)氣體監(jiān)測，在與81301采空區(qū)相鄰的81303工作面回風巷道內(nèi)發(fā)現(xiàn)CO。為保證81303工作面的生產(chǎn)安全，針對81303工作面小煤柱破裂，采空區(qū)漏風供氧引起遺煤自燃等情況，結(jié)合現(xiàn)場實際，制訂了以小煤柱加固堵漏與采空區(qū)注漿為主的自燃災害綜合治理技術(shù)措施。

1 工程背景

陽煤一礦81303工作面走向長度為1 730 m，傾向長度206 m，開采15#煤層，煤層厚度6.0～7.8 m，平均7.0 m，煤層平均傾角6°，堅固性系數(shù)為2，煤層節(jié)理裂隙發(fā)育，煤層埋藏深度約620 m。工作面總體為一單斜構(gòu)造，東部高，西部低。該工作面采用走向長壁綜采放頂煤采煤法，預計日產(chǎn)煤6 500 t。81303工作面回風巷設計斷面為矩形，凈寬5.0 m，凈高3.7 m，回風巷距采空區(qū)的小煤柱僅為8 m寬。15#煤層屬Ⅱ級容易自燃煤層。

通過鉆孔取樣分析，測出采空區(qū)CO體積分數(shù)最高達1.09×10-4，同時在與之相鄰的81303回風巷也檢測到CO，其最高體積分數(shù)為1.2×10-5，對81303工作面的安全回采造成了極大的威脅。分析原因，在81303工作面回風巷掘進期間，留設寬8 m小煤柱，由于煤柱過窄，應力過大且作用時間較長，導致小煤柱產(chǎn)生大量裂隙，形成漏風通道，使得采空區(qū)漏風供氧，遺煤發(fā)生低溫氧化。因此，為了有效防治采空區(qū)遺煤自燃，首先，建立一套采空區(qū)溫度—CO監(jiān)測系統(tǒng)，加強采空區(qū)遺煤溫度及氣體監(jiān)測；其次，對小煤柱封堵加固，防止空氣進入采空區(qū)；第三，采用高位注漿的方式向采空區(qū)注入新型無機防滅火材料，達到降溫、阻燃的目的。從觀測、堵漏和注漿三方面，實現(xiàn)采空區(qū)遺煤自燃綜合防治。

2 小煤柱及相鄰采空區(qū)遺煤自燃災害的綜合防治

2.1 采空區(qū)遺煤自燃觀測孔的布置

建立一套溫度—CO監(jiān)測系統(tǒng)，對鄰近采空區(qū)進行注漿前后的溫度及氣樣監(jiān)測分析，一是判斷采空區(qū)各個區(qū)域的遺煤自燃狀態(tài)，從而有的放矢地確定注漿位置和注漿量；二是考察小煤柱堵漏前后及采空區(qū)注漿前后的防滅火效果。監(jiān)測觀測孔位于81303回風巷，1#觀測孔位于距開切眼100 m處，依次每隔100 m設置一個觀測孔，回風巷長約1 600 m，共設15個觀測孔，如圖1(a)所示。觀測孔為上行鉆孔，仰角約為5°，鉆孔直徑為35 mm，平均孔深8.2 m。

(b)觀測孔布置剖面

觀測孔的測溫取樣布置如圖1(b)所示。氣體監(jiān)測管采用?15 mm、壁厚1.2 mm的PE管，溫度探頭與PE管要超出煤柱壁0.5 m。PE管監(jiān)測端需接閥門，溫度探頭監(jiān)測端連接測溫儀表。

2.2 小煤柱注漿封堵加固

2.2.1 封堵材料

主要采用由水、水泥、TWK納米級水泥基復合劑和TWK高強度固化劑組成的新型封堵材料，其具有不收縮開裂和凝固強度高等特點，對小煤柱的加固和封堵效果較好。

2.2.2 鉆孔布置

注漿孔布置的原則主要是保證漿液盡可能多、均勻地滲透到破碎小煤柱中。根據(jù)實驗室實驗及現(xiàn)場考察，注漿孔布置如圖2所示，注漿孔間距1.6 m，上、下兩排布置，鉆頭直徑42 mm，上排孔為上仰孔，開孔高度3.2 m，上仰角度約15°，孔深約4.1 m；下排孔垂直于煤壁施工，開孔高度1.2 m，孔深4.0 m。

(a)鉆孔布置剖面圖

(b)鉆孔位置關系圖

2.2.3 注漿參數(shù)

采用帶壓方式注漿，為了確保漿液滲入小煤柱，根據(jù)現(xiàn)場效果考察，確定注漿壓力為2.0～3.0 MPa。

根據(jù)小煤柱煤巖體取樣，實驗室測定其孔隙率為0.83%～1.05%。因此，按照煤巖體孔隙充填率的90%空間作為參考確定注漿量。

2.3 采空區(qū)遺煤灌注新型高水無機防滅火材料

2.3.1 注漿材料

采用新型高水無機防滅火材料(BX-2)為注漿材料。該材料噴灑或灌注于遺煤表面后，凝結(jié)于煤表面，隔絕遺煤與氧氣的接觸；并且，由于其具有高保水性，水分吸熱會降低煤體的溫度，從而能防止煤體氧化熱的蓄積；其良好的流動性，使?jié){液可以浸透到更小的裂隙中，使?jié){液與煤體的接觸面積更大，隔氧效果更好；注漿材料粒度小，注漿過程中不易出現(xiàn)堵管現(xiàn)象。

2.3.2 鉆孔施工

沿81303工作面回風巷布置注漿鉆孔，鉆孔穿透小煤柱進入采空區(qū)。每100 m為一段，進行分段施工，鉆孔間距10 m。為確保漿液可以完全覆蓋于破碎遺煤表面，注漿孔的終孔位置位于采空區(qū)頂板附近。因此，采用15° 仰角、8.5 m孔深、?75mm的上行鉆孔，鉆孔起始位置距巷道底板1.8 m。

以3#觀測孔與4#觀測孔之間的Z1段作為小煤柱加固和采空區(qū)注漿治理采空區(qū)自燃的效果考察段，Z1段長100 m，注漿孔布置如圖3所示。

圖3 Z1段注漿孔布置示意圖

2.3.3 注漿工藝

注漿系統(tǒng)由2臺注漿泵、4臺攪拌桶和500 m高壓膠管組成。注漿設備型號參數(shù)見表1。

表1 注漿設備型號參數(shù)

注漿工藝流程見圖4。其中，Z1段累計施工9個注漿孔，累計注入采空區(qū)無機防滅火材料32.8 t，水灰比8∶1，注漿壓力根據(jù)現(xiàn)場實際情況確定。

圖4 注漿工藝流程圖

3 小煤柱采空區(qū)遺煤自燃治理效果分析

3.1 小煤柱加固注漿前后采空區(qū)內(nèi)溫度變化

通過觀測孔預設的溫度探頭可對采空區(qū)溫度變化進行監(jiān)測，以評判小煤柱加固注漿前后的采空區(qū)遺煤自燃治理效果。

Z1段小煤柱加固封堵及采空區(qū)注漿前后的溫度演變規(guī)律如圖5所示。從圖5中可見，Z1段小煤柱加固與注漿后，3#和4#觀測孔所測采空區(qū)溫度明顯下降，加固及注漿前3#觀測孔測得采空區(qū)溫度為35.1 ℃，加固及注漿后溫度降至25.2 ℃。此外，注漿段附近的2#、4#和5#觀測孔所測溫度也有下降，說明加固與注漿后的采空區(qū)注漿漿液起到了降低高溫煤體溫度的作用：一方面是由于漿液溫度低，吸收了大量熱量，與漿液接觸的煤體溫度迅速降低；另一方面，漿液中的水分汽化，也能使煤體溫度下降，從而有效抑制了遺煤自燃，效果顯著。

圖5 Z1段小煤柱加固封堵及采空區(qū)注漿前后溫度演變規(guī)律

Z1段小煤柱加固與注漿前后溫度差值及線性擬合如圖6所示。可以看出，Z1段小煤柱加固與注漿工作完成后，3#觀測孔內(nèi)溫度降低幅度最大，為9.9 ℃；15#觀測孔內(nèi)溫度增高幅度最大，為 2.1 ℃；對加固與注漿前后溫度差異數(shù)值進行線性擬合，結(jié)果表明，由于加固注漿段為300～400 m，所以鄰近采空區(qū)距離開切眼位置較近區(qū)域的溫度下降幅度高于離開切眼較遠的區(qū)域；擬合直線與坐標軸橫坐標(溫度降幅為0)交匯于6#觀測孔附近，表明在距離開切眼300～400 m范圍加固注漿后，對采空區(qū)溫度降低的影響范圍為距離開切眼0～600 m，降溫效果較為明顯；6#～15#觀測孔溫度差值逐漸增大，表明由600 m處至1 500 m處煤柱破碎程度更加嚴重，漏風強度更大。因此，針對漏風嚴重處的煤柱，應加大封堵材料的使用量。

圖6 Z1段注漿前后溫度差值及線性擬合

3.2 小煤柱加固注漿前后采空區(qū)內(nèi)CO體積分數(shù)變化

根據(jù)陽煤一礦15#煤層的標志性氣體實驗結(jié)果，確定CO作為煤體自然發(fā)火預測預報的標志性氣體。通過監(jiān)測采空區(qū)CO體積分數(shù)在小煤柱加固注漿前后的變化情況，以反映采空區(qū)遺煤自燃氧化狀況，評判小煤柱加固注漿前后的采空區(qū)自燃災害治理效果。

Z1段小煤柱加固注漿前后CO體積分數(shù)變化規(guī)律如圖7所示。

圖7 Z1段小煤柱加固注漿前后CO體積分數(shù)變化規(guī)律

由圖7可以看出，Z1段小煤柱加固注漿后，3#觀測孔所測CO體積分數(shù)顯著下降，由加固注漿前的3.7×10-5降為加固注漿后的1.2×10-5。此外，注漿段附近的2#和4#觀測孔CO體積分數(shù)降幅較大，5#觀測孔CO體積分數(shù)降幅較小，而其他觀測孔CO體積分數(shù)均有所上升，表明小煤柱未注漿部位的采空區(qū)遺煤自燃氧化還在持續(xù)，而由于小煤柱加固封堵材料優(yōu)異的封堵特性，使巷道漏入鄰近采空區(qū)內(nèi)的氧氣大幅減少，同時向采空區(qū)灌注的新型防滅火材料具備獨特的包隔特性、良好的流動滲透性及較高的保水性，不僅隔離了遺煤與氧氣的接觸，同時破壞了煤體自燃所需的蓄熱環(huán)境，從而抑制了小煤柱加固注漿段及鄰近采空區(qū)內(nèi)的遺煤自燃。

Z1段小煤柱加固注漿前后CO體積分數(shù)差值及線性擬合如圖8所示?？梢钥闯觯琙1段加固注漿工作完成后，3#觀測孔內(nèi)CO體積分數(shù)降低幅度最大，為2.5×10-5；15#觀測孔內(nèi)CO體積分數(shù)增加幅度最大，為3.7×10-6。對注漿前后CO體積分數(shù)差異數(shù)值進行線性擬合，結(jié)果表明：由于加固注漿段位于距開切眼200～300 m位置，所以鄰近采空區(qū)距離開切眼位置較近區(qū)域的CO體積分數(shù)下降幅度高于離開切眼較遠的區(qū)域；擬合直線與坐標軸橫坐標(CO 體積分數(shù)降幅為0)交匯于6#觀測孔附近，表明在距離開切眼300～400 m范圍加固注漿后，對于采空區(qū)CO體積分數(shù)降低的影響范圍為距離開切眼0～600 m。實測的Z1段小煤柱加固注漿前后CO體積分數(shù)的變化情況，可充分證明小煤柱的加固與采空區(qū)注漿對采空區(qū)的遺煤自燃抑制效果較為突出。

圖8 Z1段小煤柱加固注漿前后CO體積分數(shù)差值及線性擬合

4 結(jié)論

1)針對陽煤一礦81303小煤柱綜放工作面相鄰采空區(qū)存在漏風大、遺煤多，易引起采空區(qū)遺煤自燃的問題，建立了采空區(qū)自燃觀測系統(tǒng)，通過實施小煤柱加固堵漏及向采空區(qū)灌注無機防滅火材料的自燃災害綜合治理技術(shù)，有效防治了采空區(qū)煤自燃災害的發(fā)生，保障了綜放工作面的生產(chǎn)安全，效果顯著。

2)經(jīng)過對小煤柱的大量堵漏注漿，小煤柱得到加固，孔隙裂隙被封堵，極大地減少了小煤柱的漏風通道，降低了氧氣滲入采空區(qū)的可能性。

3)通過觀測Z1段小煤柱加固注漿前后的采空區(qū)溫度及CO體積分數(shù)變化情況后發(fā)現(xiàn)，加固注漿后采空區(qū)遺煤溫度迅速降低、CO體積分數(shù)大幅減小，充分證明了小煤柱的加固與采空區(qū)注漿對采空區(qū)的遺煤自燃抑制效果較為突出，有效地消除了采空區(qū)遺煤自燃的隱患。