深部礦井采空區(qū)防火密閉墻技術(shù)應用實踐

胡朝輝

（冀中能源股份有限公司 邢東礦，河北 邢臺 054000）

0 引言

隨著采煤工藝的不斷革新，配套的采礦設備也在更新?lián)Q代，促使煤礦效率大幅度的提升，開采深度和強度逐步增大，但同時礦井安全生產(chǎn)也面臨重要挑戰(zhàn)。隨著煤體的采出，采空區(qū)的面積越來越大，采空區(qū)的遺煤自燃和瓦斯爆炸事故嚴重影響了煤礦的安全生產(chǎn)工作，依據(jù)煤炭自燃的3 個必要條件，采空區(qū)的封堵尤其重要[1]。采空區(qū)的有效封堵，不但可以隔絕采空區(qū)的有毒氣體外泄，而且可以阻礙新鮮風流進入采空區(qū)，減少煤炭自燃的必要條件氧氣含量。專家學者針對采空區(qū)的封堵技術(shù)進行多方面的研究，依據(jù)具體情況采取的封堵方式也不同，目前主要有密閉墻、表面噴涂、裂隙充填等封堵技術(shù)。在學習借鑒前人的基礎上，針對邢東礦1127 工作面采空區(qū)的自然發(fā)火特點，采用膨脹材料充填密閉墻和裂隙封堵技術(shù)對采空區(qū)進行封堵，效果良好。

1 工程概況

邢東礦自2001 年11 月18 日開始投產(chǎn)，年產(chǎn)量為120 萬t/a，開采深度最大達到1000 m，是華北地區(qū)采深最大的礦井之一。礦井分2 個水平開采，分別為-760 m 和-980 m 水平，該礦1127 工作面位于-760 皮帶大巷以西，工作面大致與其垂直；工作面北部約75 m 為1125 工作面；南部約110 m 為F23 導水斷層，走向長967 m，傾斜長57 m。所采煤層為2 號煤，2 號煤層結(jié)構(gòu)簡單，厚度穩(wěn)定（構(gòu)造影響除外），煤層厚度變化由外向里呈增大趨勢，除受構(gòu)造影響煤層變薄以外，其余煤厚均在4.50 m 以上，煤層厚度變化不大，煤層厚度來源于相關(guān)鉆孔煤厚資料算術(shù)平均值。據(jù)中煤科工集團重慶研究所試驗，2 號煤煤層自然發(fā)火傾向性為Ⅱ類自燃。1127 工作面在停采后，一直有自燃隱患，出現(xiàn)自燃標志性氣體CO，是該礦“一通三防”工作的重大隱患。

2 采空區(qū)自然發(fā)火原因分析

通過對邢東礦以往采空區(qū)的自燃現(xiàn)象進行分析，主要原因如下。

（1） 所采的2 號煤層具有自然發(fā)火傾向，為Ⅱ類自燃。

（2） 工作面在停采后，監(jiān)測到標志性氣體CO，存在自然隱患[2]。

（3） 采空區(qū)發(fā)生自燃，主要為工作面采空區(qū)內(nèi)存在著浮煤和工作面之間留有保護煤柱，為采空區(qū)自燃提供了物質(zhì)基礎。

（4） 由于邢東礦是深部開采，礦山壓力大，導致煤柱在壓力下邊的破碎，致使采空區(qū)封閉不嚴；探水鉆孔封堵如果不及時，就會向采空區(qū)漏風，為煤層自燃提供了條件[3]。

（5） 采空區(qū)一旦漏風，新鮮的風流進入了采空區(qū)，采空區(qū)內(nèi)氣體已形成的平衡狀態(tài)被打破，采空區(qū)O2含量增加，為浮煤和松軟破碎煤柱提供了氧化條件，增加了自燃的危險性。

3 采空區(qū)防火密閉墻技術(shù)應用

3.1 密閉墻技術(shù)原理

為了實現(xiàn)對采空區(qū)的封堵，最終確定密閉墻的形式，通過砌筑兩堵磚墻，磚墻是無縫的，不能通過氣體，靠近巷道外側(cè)磚墻預留孔洞，方便注漿材料的注入。檔磚墻達到規(guī)定的強度后，用注漿泵注入膨脹充填材料，先主微膨脹材料，達到一定高度后，注入中度膨脹材料，注到要求的高度后停止，撤出充填管路，把預留孔洞進行封堵，對巷道外側(cè)的氣體進行監(jiān)測，確保密閉墻不外漏。充填密閉墻示意如圖1 所示。

圖1 充填密閉墻示意Fig.1 Implication of filling closed wall

3.2 密閉墻材料的選擇

密閉充填材料的選擇有助于密閉墻的的密閉程度，防止密閉墻的二次漏風，此次采用的是膨脹充填材料，主要由高水材料、膨脹固化劑按適當?shù)谋壤龢?gòu)成。為達到充填體和巷道周邊充分密閉采空區(qū)，對主要技術(shù)要求進行試驗配比，經(jīng)過試驗室大量的試驗，并結(jié)合現(xiàn)場實踐，獲得膨脹充填材料的最有配比。按照膨脹材料的最優(yōu)配比加入一定比例的水，經(jīng)過攪拌機攪拌均勻，通過注漿泵經(jīng)過管路泵送至充填地點，在較短的時間內(nèi)凝結(jié)固化成充填體[4]。膨脹充填材料的最優(yōu)配比見表1。

表1 膨脹充填材料2 種優(yōu)化配比Table 1 Two optimized ratios of expansive filling materials

3.3 采空區(qū)防火密閉墻方案

針對1127 工作面地質(zhì)情況，及其對采空區(qū)煤層自燃原因的分析，最終確定采用密閉墻來隔絕采空區(qū)與外部巷道氣體的聯(lián)通，并參考原有工作面采空區(qū)密閉墻的技術(shù)參數(shù)，確定了密閉墻的規(guī)格參數(shù)。兩道磚墻+膨脹充填材料構(gòu)成密閉墻，每道磚墻的厚度為0.7 m，膨脹充填材料的厚度為5 m，充填密閉墻規(guī)格及充填管路布置如圖2 所示。為了充分有效的密閉，及減少巷道兩幫范圍內(nèi)受破壞煤體對密閉墻的影響，進行適當掏槽，采空區(qū)側(cè)向兩幫掏槽0.5 m 深，槽寬為0.7 m，與墻厚度相同；巷道外側(cè)向兩幫掏槽0.5 m 深，槽寬為1.5 m，其中0.7 m 寬用于砌磚墻，0.8 m 用于充填密實[5]。

圖2 充填密閉墻及充填管布置Fig.2 Layout of filling closed wall and filling pipe

靠近巷道外側(cè)的砌筑過程中留設充填管和出氣管入口，在達到規(guī)定的強度后，布置充填管和出氣管，由于巷道具有坡度，坡度為8°，充填管和出氣管的端頭應布置到采空區(qū)側(cè)，保證充填材料能夠充滿整個密閉空間。在充填過程中，首先進行微膨脹料漿的充填，達到充填高度的80%時[6]，進行中度膨脹料漿充填，當出氣管出現(xiàn)充填材料停止充填，達到充填標準。

3.4 巷道頂板注漿工藝

在充填密閉墻形成以后，巷道周邊的圍巖應力會再次達到一種新的平衡狀態(tài)，在這個過程中，頂板下沉變形，應力向巷道兩幫深處發(fā)展，在深部礦井高地應力的作用下，巷道周圍會產(chǎn)生裂隙，從而形成導氣通道，破壞密閉墻的密閉效果，為了降低這種情況的產(chǎn)生，需要對巷道頂板進行注漿加固，同時增加承載力。針對邢東礦巷道埋深大、礦壓大的特點，結(jié)合巷道原有的支護條件，巷道頂板破碎區(qū)域的高度為1.36 m，從而確定注漿高度為1.5 m。注漿一般采用等距布孔、梅花形布置方式。注漿擴散半徑R=1 ～2 m，孔間距一般取0.8。此次注漿孔間距取1 m，并結(jié)合破碎拱形態(tài)，確定鉆孔分布如圖3 所示。

圖3 鉆孔分布示意（標注單位：m）Fig.3 Distribution of boreholes(tagging unit:m)

4 工程效果分析

通過對1127 工作面采用膨脹材料充填密閉墻技術(shù)，達到了隔絕采空區(qū)的作用。對采空區(qū)的氣體監(jiān)測和密閉墻外的氣體的監(jiān)測，采空區(qū)側(cè)的氣體氧氣濃度保持在5%以下，CO 濃度在保持在0.001%以下，采空區(qū)內(nèi)的煤體未發(fā)生自燃[7]；密閉墻外的氣體和正常巷道的氣體含量一致，密閉墻密閉效果良好。解決了以往的采空區(qū)密閉墻，在頂部、底部及兩幫裂隙帶經(jīng)常出現(xiàn)漏風現(xiàn)象，隨著采空區(qū)壓力現(xiàn)象，漏風現(xiàn)象越來越嚴重，給采空區(qū)自然發(fā)火治理帶來重大隱患。膨脹充填極大的改善了采空區(qū)密閉墻的密閉性能，通過合理的選擇配比，將密閉墻周圍封堵嚴密，保證了礦井的防火安全。

5 結(jié)語

邢東礦1127 工作面采空區(qū)采用膨脹材料充填密閉墻技術(shù)，達到了隔絕采空區(qū)的作用，避免了漏風現(xiàn)象的產(chǎn)生，極大提高了采空區(qū)密閉性，保證了采空區(qū)防火安全，解決了邢東礦采掘的不斷延伸、采空區(qū)面積逐步擴張、采空區(qū)的管理困難的問題，保障了礦井的安全生產(chǎn)，為其它工作面的采空區(qū)的密閉提供了有效手段。