无机防灭火材料在大采高工作面自燃灾害防治中的应用

祁 琳

（阳泉煤业（集团）有限责任公司， 山西 阳泉 045008）

阳泉煤业（集团）有限责任公司（全文简称阳煤）一矿主采15 号煤层，煤层埋深为449～608 m，煤层最大厚度7.70 m，最小厚度6.60 m，平均厚度6.98 m。81303 大采高工作面南方为81301 采空区，沿煤基本顶破直接顶板掘进，与相邻采空侧工作面间煤柱宽度8 m。

81303 小煤柱工作面煤层节理裂隙发育，自然发火等级为Ⅲ类；需对煤柱侧采空区注无机防灭火材料，防止自然发火。

1 无机防灭火材料简介

无机防灭火材料为一种在高水灰比条件（W/C=（8～10）∶1）下快速凝结的新型防灭火材料，按1∶1 的比例配合使用。该材料单组份加水不凝结，而两组份一旦混合则快速凝结，可长距离输送。混合后根据需要在规定时间内凝固，凝结体吸水时间长，固水时间长，并有失水再生能力，且受热失水速度慢，具有较好的致密性、堆积性、附壁性，可提高灭火效能和灭火速度，并有效阻止复燃。

2 无机防灭火材料防灭火机理

1）无机防灭火材料可覆盖采空区浮煤，隔绝氧气。

2）无机防灭火材料浆液体积含水量达89%，有效抑制煤层自燃。

3）无机防灭火材料浆液渗透性强、流动性好。无机防灭火材料在甲料浆和乙料浆按1∶1 的比例配合使用时，才能达到最好的凝固效果和强度效果，两种浆液配比不均会严重影响材料的使用效果，因此选用双液注浆泵进行施工。

3 无机防灭火材料封堵加固煤柱

注浆后的岩体增加了由加固材料形成的浆脉，将裂隙附近的岩石单元由二向应力状态转变成三向受力状态，显著提高破碎岩石的极限强度，起到了转换破坏机理和增加岩体强度的作用，而且巷道破碎煤岩体注浆后，凝固后的浆液固结体将封闭围岩的裂隙，使破碎煤岩体形成一个整体，提高承载能力，增大围岩的强度，大大减小巷道变形。

81303 工作面回风侧煤柱存在不同程度的破裂、破碎，导致裂隙增大，增加了采空区的漏风量，加速了遗煤氧化蓄热[1]。针对小煤柱未加固过的、且出现瓦斯涌出及老采空区对工作面巷道漏风的部分，通过对煤柱内部注入无机防灭火材料，与煤体形成固结体，不仅可以加固破碎的煤体，更主要的是可以封堵煤柱中的裂隙，阻止风流进入采空区，隔绝含氧环境。

3.1 注浆材料

注浆材料选用无机防灭火材料。

3.2 注浆参数

注浆参数主要有：水灰比、注浆压力、注浆量、注浆孔布置等。

1）水灰比。根据实验室试验结果，综合考虑井下施工条件，浆液固结强度及材料消耗等因素，确定浆液的水灰比1.5∶1.0。

2）注浆压力。注浆压力一般不超过2 MPa。根据81303 工作面小煤柱破碎情况以及设计的渗透范围，确定注浆终止压力为1.5 MPa。注浆中，当注浆孔达到设计终压后，关闭注浆泵3～5 min，当注浆压力明显下降时，再点动开启注浆泵，直至注浆压力稳定在注浆设计终孔压力值（1.5 MPa）不再下降，即可停机。

3）注浆孔布置和孔深。注浆孔布置的原则主要是保证浆液尽可能多且均匀地渗透到小煤柱中，注浆管要打到小煤柱内部。

如图1 所示，注浆孔布置一排，孔间距均为4 m，钻孔直径为32 mm，钻孔为上行孔，仰角为7°，孔长4.03 m，开孔高度为1.5 m，终孔位置位于煤体内部且竖直方向高于开孔处0.5 m（具体参数可根据现场施工情况作调整）。

图1 注浆孔布置图（mm）

3.3 注浆设备及注浆管

充填设备为电动双液注浆泵。充填需要的主要设备及参数见表1 所示。

表1 注浆主要设备一览表

注浆管采用外径20 mm，长4 m 的PVC 管制作，内径8 mm，壁厚6 mm，外端加工50 mm 长M20外螺纹。注浆管里段2.1 m 部分加工6 组（12 个）Φ6 mm 出浆孔，封孔长度1 870 mm。

3.4 注浆施工工艺

无机防灭火材料充填工艺如图2 所示。

无机防灭火材料充填工艺系统包括无机防灭火材料制浆系统、输送系统和充填区域三部分。制浆系统由4 个搅拌桶组成，2 个搅拌甲料浆，另外2 个搅拌乙料浆，制浆时分别往1、2 号与3、4 号搅拌桶中加入规定要求的水，然后往1 号搅拌桶中加入加甲料、甲料，搅拌5 min 制成甲料浆，往2 号搅拌桶中加入加甲料、甲料，搅拌5 min 制成甲料浆备用；往3 号搅拌桶中加入加乙料、乙料，搅拌5 min 制成乙料浆，往4 号搅拌桶中加入加乙料、乙料，搅拌5 min制成乙料浆备用。浆液制好后，通过双液注浆泵同时吸1 号搅拌桶中的甲料浆和3 号搅拌桶中的乙料浆，甲料浆和乙料浆通过两趟高压胶管分别输送，在注浆点通过混合器将甲料浆和乙料浆混合后注入注浆区域。待1 号桶和3 号桶中的浆液注完后，立即调换吸浆管路，注2 号桶中的甲料浆和4 号桶中的乙料浆，同时在1 号桶和3 号桶中加水制浆，实现连续注浆[2]。

图2 无机防灭火材料充填工艺示意图

钻孔布置要求：钻机采用山东祥德生产的ZDY-4200LPS(A)型钻机，Ф75 mm 的钻头，具体孔径根据封孔要求来确定；按照第5 章的封孔工艺进行封孔，其中封孔（PD 材料）注浆段约为1.5 m；封孔后，PD 材料凝固需要24 h，所以需要24 h 后再注无机防灭火材料对煤柱进行加固。

4 无机防灭火材料防止采空区自然发火

采空区存在大量遗煤、浮煤，在风流不断流入的情况下，提供了很好的氧气环境，有利于遗煤、浮煤不断氧化。当氧化放热积蓄到足够量的时候，可发生自燃。向采空区注入无机防灭火材料，可以覆盖遗煤、浮煤，隔绝氧气，有效阻止其进一步氧化[3]。而且，无机防灭火材料中的大量水分可以吸收遗煤的蓄热，熄灭着火的高温自燃煤体，降低自燃危险。

4.1 充填材料

注浆材料选用无机防灭火材料。

4.2 充填参数

充填参数主要有：水灰比、注浆压力、注浆量、注浆孔布置等。

1）水灰比。根据实验室试验结果，综合考虑井下施工条件，浆液固结强度及材料消耗等因素，确定浆液的水灰比8∶1。

2）注浆压力。由于注浆充填孔终孔位置位于采空区垮落岩石中，具体充填压力根据现场实际确定。

3）充填量。预计每孔充填量为3 t 无机防灭火材料。

4）注浆孔布置和孔深。充填孔布置的原则主要是保证浆液尽可能多、均匀渗透到破碎围岩中，根据充填工程实践及实验室试验结果，注浆孔布置见图3。每排1 个孔，钻孔为上行钻孔，仰角约为10°，钻孔直径为75 mm，孔深9.6 m。其中，200～300 m、500～600 m、1 500～1 700 m 这三个区段，钻孔排距为20 m；300～500 m、1 000～1 100 m、1 400～1 500 m 这三个区段，钻孔排距为10 m；600～1 000 m、1 100～1 400 m 这两个区段，钻孔排距为6 m（具体参数可根据现场施工情况作调整）。

图3 注浆充填孔布置图（mm）

4.3 充填设备及注浆管

充填设备为电动双液注浆泵。充填需要的主要设备及参数见表1 所示。注浆管采用外径20 mm，长9.6 m 的PVC 管制作，内径8 mm，壁厚6 mm，外端加工50 mm 长M20 外螺纹，封孔长度8 000 mm。

4.4 充填工艺

无机防灭火材料充填工艺同4.1.所述。

5 现场应用效果

2018 年2 月开始回采，通过三个月的观测，81303回采过程中通过定期取样检测孔内部温度、一氧化碳及氧气等数据，钻孔温度均未超过临近巷道温度3 ℃以上，一氧化碳浓度未未出现明显波动，无自燃发火征兆。81303 工作面回风巷混合口风流中的瓦斯浓度为0.7%左右，回风上隅角瓦斯浓度平均0.5%左右，煤壁瓦斯溢出量0.1%左右，封堵了回风巷和相邻采空侧间气体流动通道，同时有效覆盖遗煤、浮煤，隔绝采空区存在大量遗煤、浮煤和氧气的接触，阻止其进一步氧化，有效阻止煤体自燃，大大降低了采空区自燃发火性危险。

6 结语

81303 工作面采空侧小煤柱通过注入无机防灭火材料，不仅有效改善了小煤柱煤体结构的强度，而且覆盖了相邻采空侧落山遗煤、浮煤，隔绝氧气，有效阻止煤体自燃，降低了采空区自燃发火性危险，解决了一矿小煤柱工作面自然发火严重制约安全的生产隐患，保证了工作面正常生产推进，为阳煤一矿小煤柱工作面安全生产积累了宝贵经验，同时对下一步阳泉矿区小煤柱工作面自燃发火治理技术研究应用具有积极的推进和借鉴意义。