條帶灌漿在復(fù)雜工作面煤自燃防治中的應(yīng)用

柴發(fā)英 李洪杰 楊 冰

（1.窯街煤電集團(tuán)公司海石灣礦，甘肅 蘭州 730080；2.徐州吉安礦業(yè)科技有限公司，江蘇 徐州 221000）

1 研究背景

窯街煤電集團(tuán)公司海石灣礦主采煤二層位于窯街群第二巖組含煤段的底部，厚0～59.28 m 之間，平均厚19.61 m。作為保護(hù)層開采的油A 層位于窯街群第二巖組含煤段的頂部，厚0～11.79 m，平均厚4.14 m。主采煤（巖）層（煤二層、油A 層）為緩傾斜煤（巖）層，傾角一般5°～25°，基本上呈一北高南低、向南開闊的簸箕形向斜構(gòu)造形態(tài)。煤二層瓦斯壓力大、含量高，瓦斯壓力高達(dá)7.3 MPa，混合瓦斯含量22.59 m3/t（CH4為3.69 m3/t，CO2為18.9 m3/t）；油頁巖混合含量為7.23 m3/t（CH4為2.81 m3/t，CO2為4.42 m3/t）。煤的破壞類型一般為Ⅱ～Ⅴ類，具有突出危險(xiǎn)。2005 年7 月由煤炭科學(xué)研究總院重慶分院對(duì)礦井突出危險(xiǎn)性進(jìn)行了鑒定，結(jié)論為海石灣礦井為煤與二氧化碳（含甲烷等復(fù)雜氣體）突出礦井。2018 年7 月由中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司鑒定煤二層屬Ⅱ類自燃煤層，最短自然發(fā)火期為48 d，油A 層屬Ⅲ類不易自燃煤層。

6125-1工作面位于海石灣井田一采區(qū)東南部，工作面呈一走向?yàn)镋W 的長條形，走向長度380 m，平均傾向?qū)挾?76 m，平面積66 754.1 m2，圈定資源/儲(chǔ)量（TM）135.5 萬t。工作面地表位置在尕卓子山～石草灣一帶，地面標(biāo)高為1984～2177 m 之間，煤層賦存標(biāo)高為1255～1219 m，覆蓋層垂厚為729～958 m。工作面東部煤二層中無任何采掘活動(dòng)；北部為6124-1工作面及6123-2工作面采空區(qū)；南部6115 工作面正在回采中；西部為6124-1進(jìn)風(fēng)聯(lián)絡(luò)巷、6125-1施工聯(lián)絡(luò)巷及6125-1后期進(jìn)風(fēng)順槽；頂部為6124-1工作面以及6114、6113 油A 層工作面采空區(qū)；下部為6124 底抽巷。

由于工作面煤層厚，采空區(qū)遺煤量大，工作面上覆煤層采空區(qū)遺煤存在氧化升溫問題，加之，工作面受防沖和瓦斯管理的限制，推采速度緩慢，工作面采空區(qū)的遺煤自燃隱患問題突出。礦井常規(guī)的黃泥灌漿、注氮等措施在工作面生產(chǎn)地質(zhì)條件下，使用局限性大，采空區(qū)遺煤氧化自燃風(fēng)險(xiǎn)性高。針對(duì)工作面實(shí)際情況，需要研究新的治理思路和技術(shù)方法保障工作面的安全生產(chǎn)。

2 火災(zāi)治理分析

1）6125-1工作面為厚煤層放頂煤開采，采空區(qū)遺煤量大，且遺煤處于高位立體堆積狀態(tài)，常規(guī)的黃泥灌漿及開放式注氮對(duì)采空區(qū)中、高位遺煤控制效果較差。一方面，泥漿不能有效在采空區(qū)內(nèi)大范圍擴(kuò)散覆蓋滯留，且不能向高位堆積覆蓋，對(duì)中高位遺煤氧化控制能力較差；另一方面，俯采期間大量的黃泥漿涌向工作面方向?qū)е鹿ぷ髅鏉{，將會(huì)較為嚴(yán)重地影響電氣設(shè)備的安全運(yùn)行及作業(yè)人員安全。工作面采空區(qū)整體火災(zāi)防治難度大。

2）6125-1工作面采空區(qū)與上覆6124-1工作面、相鄰6123-2工作面老采空區(qū)連通，大采空區(qū)連通狀態(tài)下，大面積的漏風(fēng)極大增加了采空區(qū)遺煤的自燃風(fēng)險(xiǎn)，漏風(fēng)治理難度極大，且上覆采空區(qū)存在持續(xù)的氧化蓄熱問題，治理成本和治理工程量高。

3）6125-1工作面上部6124-1工作面老采空區(qū)內(nèi)大量遺煤已經(jīng)歷了兩次氧化自燃，由于6125-1工作面的回采及聯(lián)通漏風(fēng)，遺煤的自然發(fā)火期將大大縮短，發(fā)展速度更快，對(duì)于上部老空區(qū)的高位遺煤注漿治理難度比本工作面難度更大。

4）6125-1工作面受防沖管理及瓦斯管理限制，工作面回采速度較慢，月平均推采進(jìn)度約35 m，采空區(qū)內(nèi)復(fù)合式大體量遺煤氧化蓄熱時(shí)間充足，自然發(fā)火隱患突出。因此，大采空區(qū)復(fù)雜條件下采煤工作面生產(chǎn)期間將面臨較為嚴(yán)峻的防滅火治理壓力及挑戰(zhàn)。

3 綜合防滅火技術(shù)

針對(duì)6125-1工作面大采空區(qū)狀態(tài)下復(fù)雜漏風(fēng)條件采空區(qū)遺煤治理，提出了基于三帶測試為指導(dǎo)的底抽巷高位鉆孔網(wǎng)格式精準(zhǔn)注氮+采空區(qū)分條帶隔離灌漿的綜合治理技術(shù)，從而實(shí)現(xiàn)工作面生產(chǎn)期間的采空區(qū)整體煤自燃有效防治。

3.1 三帶測試

1）三帶劃分方法。根據(jù)氧氣濃度劃分采空區(qū)“三帶”是目前最常用的方法[1]，相關(guān)的指標(biāo)參數(shù)如下：① 散熱帶O2＞15%。該區(qū)域具備充足的供氧條件，但由于漏風(fēng)大造成煤氧化自燃初期產(chǎn)生的微小熱量隨風(fēng)散失，煤的氧化過程始終停留在緩慢發(fā)展階段，不易發(fā)生煤自燃現(xiàn)象。應(yīng)該指出的是，以氧氣濃度作為界定散熱帶和氧化帶的指標(biāo)，并不是因?yàn)檠鯕鉂舛却笥谀骋惶囟ㄖ刀荒茏匀话l(fā)火，而是由于該區(qū)域的漏風(fēng)風(fēng)速過大帶走了氧化生成的熱量所致。② 氧化帶5%≤O2≤15%。該區(qū)域既具備充足的供氧條件，又由于漏風(fēng)量較小，氧化蓄熱環(huán)境較好，煤的氧化自熱過程得以持續(xù)進(jìn)行，最終導(dǎo)致煤自燃的發(fā)生。③ 窒息帶O2＜5%。該區(qū)域由于缺氧窒息，煤氧化自燃過程將無法進(jìn)行。本次6125-1工作面三帶劃分選取氧氣濃度作為劃分指標(biāo)。

2）測點(diǎn)布置。測試束管的布置方式采用從通過工作面的上、下隅角沿工作面采空區(qū)走向布置的方式，束管布置長度100 m。為了防止束管被采空區(qū)冒落的煤巖砸壞，對(duì)束管加裝保護(hù)套管，做好保護(hù)措施。進(jìn)回風(fēng)巷兩邊同時(shí)觀測，待氧氣濃度降至5%及以下穩(wěn)定后，即可停止觀測。

3）測試結(jié)果。測點(diǎn)安裝完畢后隨工作面推進(jìn)開始，每天記錄好測點(diǎn)氣體數(shù)據(jù)及距工作面的距離，得出了現(xiàn)場采空區(qū)氣體成分?jǐn)?shù)據(jù)。6125-1工作面進(jìn)、回風(fēng)巷束管觀測的氧氣濃度數(shù)據(jù)見表1。

表1 6125-1 工作面束管觀測氧氣濃度結(jié)果統(tǒng)計(jì)

根據(jù)本次觀測，6125-1工作面的三帶分布范圍見表2。

表2 6125-1 工作面三帶分布范圍 m

6125-1工作面采空區(qū)三帶分布示意圖如圖1。

圖1 6125-1 工作面采空區(qū)三帶分布示意圖

由圖1 可知6125-1工作面采空區(qū)氧化自燃帶的寬度，在進(jìn)風(fēng)側(cè)“氧化帶”達(dá)39 m 左右，回風(fēng)側(cè)為41 m 左右。對(duì)于工作面，日推進(jìn)速度在1 m 左右，工作面在14 d 即可進(jìn)入煤氧化帶。根據(jù)三帶測試的結(jié)果來指導(dǎo)工作面采空區(qū)注氮及灌漿[2]。

3.2 采空區(qū)注氮

1）注氮系統(tǒng)。上工業(yè)廣場有三臺(tái)制氮機(jī)，氮?dú)馔ㄟ^管路運(yùn)送至工作面采空區(qū)。制氮能力為2400 m3/h，其主管路為Φ159 mm，支管路為Φ108 mm。三臺(tái)制氮機(jī)型號(hào)如下：

① 型號(hào)BYN-1200，氮?dú)饬髁?200 Nm3/h，氮?dú)饧兌取?7%（無氧含量），氮?dú)鈮毫?～0.8 MPa可調(diào)，設(shè)備功率250 kW。

② 型號(hào)DZ-600，氮?dú)饬髁?00 Nm3/h，氮?dú)饧兌龋骸?7%（無氧含量），氮?dú)鈮毫?～0.7 MPa 可調(diào)，設(shè)備功率7.5 kW。

③ 型號(hào)DT-600，氮?dú)饬髁?00 Nm3/h，氮?dú)饧兌取?7%（無氧含量），氮?dú)鈮毫?～0.7 MPa，設(shè)備功率182 kW。

2）常規(guī)注氮。6125-1工作面采空區(qū)遺煤量大，采區(qū)大范圍采空區(qū)漏風(fēng)互通，導(dǎo)致采空區(qū)供氧充足，“氧化帶”范圍大。傳統(tǒng)的注氮方式通過進(jìn)風(fēng)隅角采空區(qū)預(yù)埋管注氮，氮?dú)庠诓煽諈^(qū)的擴(kuò)散運(yùn)移路線較為固定，屬于條帶型覆蓋，存在明顯的治理盲區(qū)，且在大采空區(qū)漏風(fēng)狀態(tài)下，惰化的區(qū)域有限，防治能力有限[3]。常規(guī)埋管注氮惰化示意圖如圖2。

圖2 常規(guī)埋管注氮惰化示意圖

3）精準(zhǔn)注氮。為有效抑制采空區(qū)的遺煤持續(xù)供氧氧化，提出了底抽巷高位孔精準(zhǔn)注氮的治理理念[4]。該措施的治理優(yōu)勢在于，一方面通過底抽巷布置大范圍高位孔，實(shí)現(xiàn)了無差別全覆蓋型注氮惰化，消除注氮盲區(qū)；另一方面通過底抽巷注氮孔的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了采空區(qū)遺煤及漏風(fēng)重點(diǎn)隱患區(qū)域的精準(zhǔn)注氮。底抽巷精準(zhǔn)注氮示意圖如圖3。

圖3 底抽巷精準(zhǔn)注氮示意圖

3.3 采空區(qū)灌漿

灌漿站建設(shè)在上工業(yè)廣場，灌漿泵型號(hào)為125D25X，黃土灌漿能力為70 m3/h，灌漿管路的干管為Φ133 mm，支管為Φ108 mm、Φ89 mm。制漿過程采用灌漿泵、水槍沖刷黃土層，通過灌漿站篩子房過濾雜物，將制成的泥漿輸送到井下管道、鉆孔，充填至工作面采空區(qū)。

3.3.1 6124-1采空區(qū)治理

1）治理前存在的問題。上覆6124-1采空區(qū)遺煤已采取了灌注黃泥漿處理，但從6125-1工作面回風(fēng)順槽頂板淋水偏溫，可知6124-1采空區(qū)遺煤存在較大范圍的低中溫氧化，單純采用黃泥灌漿在采空區(qū)內(nèi)順溝流，無法覆蓋高位遺煤。

2）采空區(qū)高位遺煤降溫治理。在底抽巷向6124-1采空區(qū)布置高位注漿鉆孔，鉆孔間距50 m。利用礦井現(xiàn)有的黃泥灌漿系統(tǒng)，添加易克特化學(xué)自發(fā)泡發(fā)泡劑，對(duì)采空區(qū)中高位遺煤進(jìn)行充填覆蓋。通過添加化學(xué)發(fā)泡劑使黃泥漿形成泡沫+凝膠狀態(tài)。泡沫的作用是提高了黃泥漿的擴(kuò)散堆積能力，達(dá)到向高位浮煤堆積覆蓋的作用。凝膠的作用是增加黃泥漿黏稠度，把黃泥漿內(nèi)的水以固態(tài)凝膠形式鎖住，形成黃泥凝膠覆蓋層，包裹采空區(qū)氧化遺煤，實(shí)現(xiàn)了6124-1采空區(qū)高位遺煤的大面積覆蓋降溫。高位灌漿孔布置剖面及充填效果示意圖如圖4。

圖4 高位灌漿孔布置剖面及充填效果示意圖

3.3.2 6125-1 采空區(qū)治理

1）隅角堵漏風(fēng)治理。6125-1工作面回采期間，6125-1回風(fēng)順槽與6123-2進(jìn)風(fēng)順槽留有5 m 煤柱，致使采空區(qū)回風(fēng)側(cè)遺留條帶浮煤，工作面進(jìn)風(fēng)隅角擴(kuò)散風(fēng)路線與采空區(qū)外部漏風(fēng)構(gòu)成漏風(fēng)通道，將促使遺留條帶浮煤氧化[5]。間隔式在上、下隅角快速充填固化泡沫體（普瑞特Ⅱ型防滅火材料）進(jìn)行封堵漏風(fēng)。該注漿工藝采用化學(xué)發(fā)泡的方式用于井下現(xiàn)場，利用的是泡沫在膨脹過程中產(chǎn)生的“膨脹壓”，在“膨脹壓”作用下，固化前的乳狀泡沫從注漿管路出口處源源不斷地向周圍孔隙中擠壓擴(kuò)散，擴(kuò)散到一定距離后固化，形成最終的充填效果，從而人為改變采空區(qū)漏風(fēng)方向，縮小工作面采空區(qū)“三帶”距離。隨著工作面推進(jìn)，在工作面上下端部預(yù)埋L型注漿管，壓入采空區(qū)20 m 后注漿，即每20 m 充填一次，每次充填長度為10 m。

2）采空區(qū)條帶灌漿。6125-1工作面回采期間，處于俯采狀態(tài)，采取灌漿措施后，采空區(qū)存漿困難，部分黃泥漿從工作面后部采空區(qū)流出，達(dá)不到黃泥灌漿目的。通過現(xiàn)場治理實(shí)踐，采用條帶隔斷式灌漿。工作面推采過程，架后采空區(qū)分為20 m、40 m、60 m 三個(gè)治理?xiàng)l帶，每個(gè)條帶全長通過底抽巷向6125-1采空區(qū)布置灌漿孔，鉆孔間距20～30 m。為了實(shí)現(xiàn)更加高效的灌漿治理效果，每一個(gè)位置的鉆孔可施工一組（2 個(gè)）灌漿孔，兩孔并一孔進(jìn)行灌漿。

第一條帶（采空區(qū)20 m 范圍）利用礦井現(xiàn)有的黃泥灌漿系統(tǒng)，添加易克特化學(xué)自發(fā)泡劑灌漿。通過實(shí)踐得出單孔灌注材料量不低于5 t。通過注漿，在采空區(qū)內(nèi)形成了高位擴(kuò)散覆蓋的“隔離、保濕條帶”。一方面，通過及時(shí)灌注實(shí)現(xiàn)中、高位遺煤的超前覆蓋控制；另一方面，形成的充填覆蓋空間可在采空區(qū)走向上形成“隔離條帶”，有效阻止采空區(qū)氧化區(qū)域的前移蔓延。

第二條帶（采空區(qū)40 m 范圍）利用礦井現(xiàn)有的黃泥灌漿系統(tǒng)，添加復(fù)合膠體泥漿增稠材料灌漿。該條帶注漿用黃泥漿水土比控制在1.5:1 左右，既增加黃泥漿黏稠度，同時(shí)使黃泥漿膠凝。一方面，黃泥漿稠化后大大減少采空區(qū)內(nèi)順溝流狀態(tài)，注漿控制范圍更加可控；另一方面，膠凝后的黃泥漿膠體可滯留在采空區(qū)，形成凝膠覆蓋層鎖定黃泥漿，大大提高了灌漿效率，從而在采空區(qū)淺部“隔離條帶”的基礎(chǔ)上在采空區(qū)中部形成一道“強(qiáng)化隔離帶”。

第三條帶（采空區(qū)60 m 范圍），通過前兩個(gè)條帶的組合灌漿方式，將采空區(qū)中部向外的區(qū)域進(jìn)行了有效的隔斷，故在第三條帶直接采用黃泥漿進(jìn)行大流量灌注，將深部遺煤進(jìn)行大范圍覆蓋充填。6125-1采空區(qū)封堵及條帶灌漿效果示意圖如圖5。

圖5 6125-1 采空區(qū)封堵及條帶灌漿效果示意圖

3）易克特化學(xué)自發(fā)泡劑技術(shù)原理及組合優(yōu)勢。易克特化學(xué)發(fā)泡劑A 料中的主要組分中含有碳酸根，在遇到B 料中復(fù)合而成的催化劑后，發(fā)生反應(yīng)，生成二氧化碳?xì)怏w，從而實(shí)現(xiàn)發(fā)泡。A 料中的主要組分兼具有穩(wěn)泡效果。A 料中的穩(wěn)泡劑既能起到增稠溶液的作用，溶液變稠后，穩(wěn)泡效果增加，同時(shí)又能起到保水效果。B 料中添加另外一種穩(wěn)泡劑，能增加固體在水中的分散能力，改善其發(fā)泡后的泡孔結(jié)構(gòu)，和A 料中的固體穩(wěn)泡劑一同起到協(xié)同穩(wěn)泡的作用。在水中加入黃泥后，黃泥也能起到骨架支撐的作用，使溶液增稠，更能增加其穩(wěn)泡效果和保水效果。

組合技術(shù)優(yōu)勢：在現(xiàn)場應(yīng)用中，易克特化學(xué)發(fā)泡劑的自發(fā)泡功能有效解決了傳統(tǒng)兩相泡沫在長距離高位鉆孔中依靠物理壓風(fēng)發(fā)泡能力不足的問題；自發(fā)泡也有效避免了物理壓風(fēng)發(fā)泡情況下，持續(xù)采空區(qū)供氧的問題；易克特化學(xué)發(fā)泡劑與黃泥漿的性能互相補(bǔ)充，易克特的發(fā)泡、穩(wěn)泡特性使黃泥漿液能大范圍擴(kuò)散、高位堆積，而黃泥也能起到骨架支撐的作用，使溶液增稠，更能增加其穩(wěn)泡效果和保水效果，最終實(shí)現(xiàn)高位遺煤的治理，避免了黃泥漿液的浪費(fèi)和對(duì)工作面生產(chǎn)的影響。

應(yīng)用工藝：利用礦井原有的黃泥灌漿系統(tǒng)，在井下鋪設(shè)的注漿管路盡量靠近采空區(qū)治理區(qū)域的位置，通過三通連接易克特注漿設(shè)備進(jìn)行材料添加。

4 應(yīng)用效果

1）6125-1工作面通過回采期間的底抽巷高位孔精準(zhǔn)注氮，注氮后采空區(qū)氧氣濃度有效控制在5%以下。

2）6125-1工作面回采期間采用針對(duì)性精準(zhǔn)注漿、條帶式分塊注漿的綜合治理措施，推采期間，工作面CO 始終保持在2.4×10-5及以下，未出現(xiàn)C2H4、C2H2等稀有標(biāo)志性氣體，保證了工作面安全推采。

5 結(jié)語

1）針對(duì)工作面的遺煤分布及大采空區(qū)漏風(fēng)情況下常規(guī)預(yù)埋管注氮效果不理想問題，提出了底抽巷高位孔精準(zhǔn)注氮技術(shù)，對(duì)遺煤及漏風(fēng)重點(diǎn)隱患區(qū)域進(jìn)行大流量持續(xù)精準(zhǔn)注氮惰化。

2）針對(duì)工作面俯采期間常規(guī)灌漿順溝流、潰漿不能向高位擴(kuò)散以及大采空區(qū)連通狀態(tài)下遺煤分布不均問題，提出了底抽巷針對(duì)性精準(zhǔn)注漿、條帶式分塊隔離灌漿技術(shù)，在礦井現(xiàn)有的黃泥灌漿基礎(chǔ)上，采用易克特、復(fù)合膠體等黃泥漿增效新技術(shù)有機(jī)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了采空區(qū)低、中、高位遺煤的覆蓋包裹、冷卻降溫，有效控制了工作回采期間的采空區(qū)遺煤氧化自燃隱患。