五虎山煤矿010910工作面复合采空区注浆防灭火效果分析

彭荣富，万祥云，贾 炳，孙兰会，王文军，李文善，陈宝义

（1.河南城建学院，河南 平顶山 467036；2.河南省水体污染防治与修复重点实验室，河南 平顶山 467036；3.煤科集团沈阳研究院有限公司，辽宁 抚顺 113122；4.煤矿安全技术国家重点实验室，辽宁 抚顺 113122）

我国经济发展对煤炭资源的需求呈正相关，随着开采深度的增加很多矿井在进行采掘规划时面临着上下煤层间距小、煤层薄的现状，使得有些矿井不得不选择对上下层近距离煤层进行同时开采[1]。当选择对两近距离煤层进行分层开采时，由于下层煤开采后随着顶板垮塌与上覆工作面采空区形成一体化复合采空区，形成的复合采空区具有遗煤量大且上覆采空区遗煤呈现高位散落赋存状态、氧化时间长且对其定向进行阻化处理的难度系数较大，故复合态采空区自然发火危险程度显著升高[2]。与此同时，形成的复合采空区因其空间垮落大、漏风通道复杂、气体分布规律难以掌握等特点，进一步导致其治理难度加大。因此，针对近距离煤层规模化开采后形成复合态采空区治理难点问题，必须应对其重点区域进行定向监测、定向治理以解决自然发火防治问题。

1 工作面概况

五虎山煤矿010910 工作面是9#煤层布置的第10 个综采工作面，工作面走向长度1 000 m，倾斜长度300 m，煤层设计采高为1.8 m。本层010910 工作面正常回采期间1 d 割煤4 刀，推进约3 m。本层采空区距上覆010908 采空区间距平均约10 m，随着下层工作面推进，顶板垮落后与上覆采空区形成一体化复合采空区，010910 工作面与上覆采空区位置关系图如图1。

图1 010910 工作面与上覆采空区位置关系图Fig.1 Location diagram of 010910 working face and overlying goaf

由于9#煤层为Ⅱ类自燃煤层，自然发火期较短，由于距离地表垂距小，顶板垮落后形成的复合采空区会形成发育裂隙，进而导致遗煤处于长期漏风供氧氧化状态[3]。伴随下层工作面推进缓慢时，极容易导致复合采空区遗煤发生CO 浓度短期突然增大等氧化现象，因此针对复合采空区自然发火特点，应研究一套提前定全方位监测、及时并高效定向立体治理的有效治理措施。

2 复合采空区重点治理区域

受010910 工作面近距离煤层的采动影响，其上覆煤层采空区和本层采空区垮落后，上下采空区相互贯通后形成具有垮落高度大、遗煤呈立体分布等特征的复合采空区。上层采空区遗煤在长期漏风供氧状态下缓慢氧化使得其自然发火危险更大，因此复合采空区的治理重点为上层遗煤长期漏风供氧形成的氧化带区域和本层采空区漏风供氧形成的氧化带区域，通过对重点区域高低位遗煤实施注浆，对其进行立体覆盖、堵漏、隔氧[4]。

3 复合采空区定向注浆治理方案

针对复合采空区的遗煤分布、围岩破碎后裂隙分布特征及漏风特征，提出了一套基于上下层立体监测为前提的复合采空区高低位定向联合注浆治理方案，能根据动态监测结果了解复合采空区真实状态并能及时对采空区存在的CO 等有害气体异常且有上升趋势的区域实施注浆防灭火措施，及时、有效地预防复合采空区遗煤氧化自燃[5]。

3.1 上下层采空区立体监测

对010910 工作面复合采空区采取上下层立体布孔监测，掌握上下层复合采空区“三带”立体分布规律，为有针对性开展注浆防灭火提供理论指导[6]。010910 采空区自燃“三带”观测点布置图如图2。上覆采空区竖直自燃“三带”观测测点布置图如图3。

图2 010910 采空区自燃“三带”观测点布置图Fig.2 Location of observation points of the “three belt”of spontaneous combustion in the 010910 goaf

图3 上覆采空区竖直自燃“三带”观测测点布置图Fig.3 Location of observation points of the “three belt”of spontaneous combustion in the overlying goaf

由图2 和图3 可知，沿010910 工作面倾斜方向均匀布置编号分别为①、②、③、④ 4 个测点观测本层采空区氧气浓度指标，在回风巷竖直向上施工的监测兼治理钻孔中（孔长度要穿过本煤层及上层煤之间的岩石，到达上层工作面煤底板）布置编号为⑤、⑥、⑦ 3 个测点观测上层采空区氧浓度指标。根据布置的上下层立体钻孔，结合连续的取气分析得出的水平方向以及竖直方向“三带”结果见表1[6]。

表1 010910 工作面水平方向自燃“三带”分布结果Table 1 Results of distribution of the“three-belt”of spontaneous combustion in the horizontal 010910 working face

通过表1 结果可知，010910 工作面近距离复合采空区水平方向整体上进风侧散热带和氧化带区域相对较大。复合采空区竖直方向自燃“三带”观测点O2浓度变化曲线图如图4。

图4 复合采空区竖直方向自燃“三带”观测点O2 浓度变化曲线图Fig.4 Variation curves of concentration of O2 at the“three belts”of spontaneous combustion in the vertical goaf

通过图4 可知，010910 工作面近距离复合采空内靠近煤层底板的破碎岩体随着顶板逐渐垮落至采空区底部最先被压实，压实后漏风通道部分被阻断，导致漏风程度和漏风量减小[7]；靠近采空区漏风相对容易的上部空间处于顶板垮落的断裂带内，导致漏风量大于底部，氧气浓度自然也高于底部，同时也使得位于工作面后部约20～40 m 范围的遗煤将处于长期氧化中，应对该范围高位遗煤加强注浆治理。

3.2 上下层采空区高低位联合注浆

由于注浆用防灭火浆液具有地势高流经地势低的流动特性，其不能自然状态下向高处流动并堆积，因此对中、高处采空区散落遗煤起不到有效防治的作用[8]。针对复合采空区遗煤立体分布的特点，应在遗煤上方注浆使浆液自上而下全面覆盖遗煤以达到对复合采空区高低位遗煤进行立体注浆的目的，故自然而然提出了采空区高低位联合注浆技术，注浆浆液的土水比为1∶3，注浆后定期检测注浆灭火区及其采空区内的气体变化规律、气温、煤温和出水温度等指标，根据治理效果适当调整注浆工艺[9]。

1）低位密闭注浆。010910 工作面回采一定距离使得本层采空区遗煤处于氧化带左右时可利用在双巷之间联络巷内的密闭及回风巷上隅角预埋的φ108 mm 注浆管路向后部采空区注浆，其优势在于注浆位置深入采空区，注浆对工作面影响小，浆液能够较多的留在采空区内部[10]。复合采空区低位密闭注浆示意图如图5。

图5 复合采空区低位密闭注浆示意图Fig.5 A diagram grouting low level in the composited goaf area

2）回风巷上隅角高位措施孔注浆。采用010910回风巷高位措施孔注浆时，随着工作面推进，在回风巷离切眼 90 m 开始，每隔 30 m 左右打 2 组终孔位置在上覆煤层顶板的措施孔对上覆处于氧化状态的高位遗煤进行注浆，010910 回风巷上隅角高位措施孔注浆剖面图如图6。

4 定向注浆效果分析

注浆后本层采空区出水温度处于较低值，未见明显高温迹象，且各密闭气体含量及出气气温正常。

图6 010910 回风巷上隅角高位措施孔注浆剖面图Fig.6 Profile grouting high level in the 010910 crossheading

观察010910 工作面后方30 m 处复合采空区低位遗煤区域注浆前后气体变化可知，对重点区域注浆后能有效抑制CO 气体产生，CO 浓度呈明显下降趋势，治理后氧气也呈现下降趋势。说明高低位注浆能够有效覆盖上下层遗煤，对遗煤、裂隙起到了良好的包裹、封堵作用，联合注浆防灭火效果明显。

5 结 论

1）通过回风巷一定距离实施上层高位监测兼治理钻孔以及利用本层采空区束管监测系统能够对010910 工作面复合采空区进行全面立体监测。

2）对复合采空区实施高低位联合注浆能够抑制复合采空区重点区域高低位遗煤自燃，并能有效覆盖、包裹遗煤及裂隙，一定程度上阻隔了漏风供氧。

3）现场针对复合采空区进行高低位联合注浆，发现浆液的黏度、流动性、水土比等因素是影响注浆效果的重要因素。