小煤柱综放工作面相邻采空区自燃灾害综合治理技术

郭春生，李耀谦，王 姣，杨胜强，宋亚伟

(1.阳泉煤业集团有限公司，山西 阳泉 045000； 2.阳泉煤业集团有限公司一矿，山西 阳泉 045000；3.中国矿业大学 安全工程学院，江苏 徐州 221000)

我国煤炭自然发火严重的煤矿占比较大，煤炭自燃中有相当一部分为巷道附近压酥煤体自燃[1-4]。目前，许多大型矿井为了提高资源回采率，采用了小煤柱护巷技术[4-9]，但由于小煤柱所承受的集中应力过大，煤体被压裂，小煤柱孔隙裂隙极为发育，形成漏风通道，使得原本密闭的采空区漏风供氧，采空区遗煤的自燃危险性大大增加，严重威胁生产安全[10-15]。

目前煤矿常用的采空区防灭火技术主要有堵漏风、均压、三相泡沫、注浆、注阻化剂、注惰气、注胶体等防灭火技术[16-21]。井下发生火情时，通常根据现场实际情况结合一种或多种防灭火技术制订治理措施。阳煤一矿81303综放工作面初采阶段，经气体监测，在与81301采空区相邻的81303工作面回风巷道内发现CO。为保证81303工作面的生产安全，针对81303工作面小煤柱破裂，采空区漏风供氧引起遗煤自燃等情况，结合现场实际，制订了以小煤柱加固堵漏与采空区注浆为主的自燃灾害综合治理技术措施。

1 工程背景

阳煤一矿81303工作面走向长度为1 730 m，倾向长度206 m，开采15#煤层，煤层厚度6.0～7.8 m，平均7.0 m，煤层平均倾角6°，坚固性系数为2，煤层节理裂隙发育，煤层埋藏深度约620 m。工作面总体为一单斜构造，东部高，西部低。该工作面采用走向长壁综采放顶煤采煤法，预计日产煤6 500 t。81303工作面回风巷设计断面为矩形，净宽5.0 m，净高3.7 m，回风巷距采空区的小煤柱仅为8 m宽。15#煤层属Ⅱ级容易自燃煤层。

通过钻孔取样分析，测出采空区CO体积分数最高达1.09×10-4，同时在与之相邻的81303回风巷也检测到CO，其最高体积分数为1.2×10-5，对81303工作面的安全回采造成了极大的威胁。分析原因，在81303工作面回风巷掘进期间，留设宽8 m小煤柱，由于煤柱过窄，应力过大且作用时间较长，导致小煤柱产生大量裂隙，形成漏风通道，使得采空区漏风供氧，遗煤发生低温氧化。因此，为了有效防治采空区遗煤自燃，首先，建立一套采空区温度—CO监测系统，加强采空区遗煤温度及气体监测；其次，对小煤柱封堵加固，防止空气进入采空区；第三，采用高位注浆的方式向采空区注入新型无机防灭火材料，达到降温、阻燃的目的。从观测、堵漏和注浆三方面，实现采空区遗煤自燃综合防治。

2 小煤柱及相邻采空区遗煤自燃灾害的综合防治

2.1 采空区遗煤自燃观测孔的布置

建立一套温度—CO监测系统，对邻近采空区进行注浆前后的温度及气样监测分析，一是判断采空区各个区域的遗煤自燃状态，从而有的放矢地确定注浆位置和注浆量；二是考察小煤柱堵漏前后及采空区注浆前后的防灭火效果。监测观测孔位于81303回风巷，1#观测孔位于距开切眼100 m处，依次每隔100 m设置一个观测孔，回风巷长约1 600 m，共设15个观测孔，如图1(a)所示。观测孔为上行钻孔，仰角约为5°，钻孔直径为35 mm，平均孔深8.2 m。

(b)观测孔布置剖面

观测孔的测温取样布置如图1(b)所示。气体监测管采用ø15 mm、壁厚1.2 mm的PE管，温度探头与PE管要超出煤柱壁0.5 m。PE管监测端需接阀门，温度探头监测端连接测温仪表。

2.2 小煤柱注浆封堵加固

2.2.1 封堵材料

主要采用由水、水泥、TWK纳米级水泥基复合剂和TWK高强度固化剂组成的新型封堵材料，其具有不收缩开裂和凝固强度高等特点，对小煤柱的加固和封堵效果较好。

2.2.2 钻孔布置

注浆孔布置的原则主要是保证浆液尽可能多、均匀地渗透到破碎小煤柱中。根据实验室实验及现场考察，注浆孔布置如图2所示，注浆孔间距1.6 m，上、下两排布置，钻头直径42 mm，上排孔为上仰孔，开孔高度3.2 m，上仰角度约15°，孔深约4.1 m；下排孔垂直于煤壁施工，开孔高度1.2 m，孔深4.0 m。

(a)钻孔布置剖面图

(b)钻孔位置关系图

2.2.3 注浆参数

采用带压方式注浆，为了确保浆液渗入小煤柱，根据现场效果考察，确定注浆压力为2.0～3.0 MPa。

根据小煤柱煤岩体取样，实验室测定其孔隙率为0.83%～1.05%。因此，按照煤岩体孔隙充填率的90%空间作为参考确定注浆量。

2.3 采空区遗煤灌注新型高水无机防灭火材料

2.3.1 注浆材料

采用新型高水无机防灭火材料(BX-2)为注浆材料。该材料喷洒或灌注于遗煤表面后，凝结于煤表面，隔绝遗煤与氧气的接触；并且，由于其具有高保水性，水分吸热会降低煤体的温度，从而能防止煤体氧化热的蓄积；其良好的流动性，使浆液可以浸透到更小的裂隙中，使浆液与煤体的接触面积更大，隔氧效果更好；注浆材料粒度小，注浆过程中不易出现堵管现象。

2.3.2 钻孔施工

沿81303工作面回风巷布置注浆钻孔，钻孔穿透小煤柱进入采空区。每100 m为一段，进行分段施工，钻孔间距10 m。为确保浆液可以完全覆盖于破碎遗煤表面，注浆孔的终孔位置位于采空区顶板附近。因此，采用15° 仰角、8.5 m孔深、ø75mm的上行钻孔，钻孔起始位置距巷道底板1.8 m。

以3#观测孔与4#观测孔之间的Z1段作为小煤柱加固和采空区注浆治理采空区自燃的效果考察段，Z1段长100 m，注浆孔布置如图3所示。

图3 Z1段注浆孔布置示意图

2.3.3 注浆工艺

注浆系统由2台注浆泵、4台搅拌桶和500 m高压胶管组成。注浆设备型号参数见表1。

表1 注浆设备型号参数

注浆工艺流程见图4。其中，Z1段累计施工9个注浆孔，累计注入采空区无机防灭火材料32.8 t，水灰比8∶1，注浆压力根据现场实际情况确定。

图4 注浆工艺流程图

3 小煤柱采空区遗煤自燃治理效果分析

3.1 小煤柱加固注浆前后采空区内温度变化

通过观测孔预设的温度探头可对采空区温度变化进行监测，以评判小煤柱加固注浆前后的采空区遗煤自燃治理效果。

Z1段小煤柱加固封堵及采空区注浆前后的温度演变规律如图5所示。从图5中可见，Z1段小煤柱加固与注浆后，3#和4#观测孔所测采空区温度明显下降，加固及注浆前3#观测孔测得采空区温度为35.1 ℃，加固及注浆后温度降至25.2 ℃。此外，注浆段附近的2#、4#和5#观测孔所测温度也有下降，说明加固与注浆后的采空区注浆浆液起到了降低高温煤体温度的作用：一方面是由于浆液温度低，吸收了大量热量，与浆液接触的煤体温度迅速降低；另一方面，浆液中的水分汽化，也能使煤体温度下降，从而有效抑制了遗煤自燃，效果显著。

图5 Z1段小煤柱加固封堵及采空区注浆前后温度演变规律

Z1段小煤柱加固与注浆前后温度差值及线性拟合如图6所示。可以看出，Z1段小煤柱加固与注浆工作完成后，3#观测孔内温度降低幅度最大，为9.9 ℃；15#观测孔内温度增高幅度最大，为 2.1 ℃；对加固与注浆前后温度差异数值进行线性拟合，结果表明，由于加固注浆段为300～400 m，所以邻近采空区距离开切眼位置较近区域的温度下降幅度高于离开切眼较远的区域；拟合直线与坐标轴横坐标(温度降幅为0)交汇于6#观测孔附近，表明在距离开切眼300～400 m范围加固注浆后，对采空区温度降低的影响范围为距离开切眼0～600 m，降温效果较为明显；6#～15#观测孔温度差值逐渐增大，表明由600 m处至1 500 m处煤柱破碎程度更加严重，漏风强度更大。因此，针对漏风严重处的煤柱，应加大封堵材料的使用量。

图6 Z1段注浆前后温度差值及线性拟合

3.2 小煤柱加固注浆前后采空区内CO体积分数变化

根据阳煤一矿15#煤层的标志性气体实验结果，确定CO作为煤体自然发火预测预报的标志性气体。通过监测采空区CO体积分数在小煤柱加固注浆前后的变化情况，以反映采空区遗煤自燃氧化状况，评判小煤柱加固注浆前后的采空区自燃灾害治理效果。

Z1段小煤柱加固注浆前后CO体积分数变化规律如图7所示。

图7 Z1段小煤柱加固注浆前后CO体积分数变化规律

由图7可以看出，Z1段小煤柱加固注浆后，3#观测孔所测CO体积分数显著下降，由加固注浆前的3.7×10-5降为加固注浆后的1.2×10-5。此外，注浆段附近的2#和4#观测孔CO体积分数降幅较大，5#观测孔CO体积分数降幅较小，而其他观测孔CO体积分数均有所上升，表明小煤柱未注浆部位的采空区遗煤自燃氧化还在持续，而由于小煤柱加固封堵材料优异的封堵特性，使巷道漏入邻近采空区内的氧气大幅减少，同时向采空区灌注的新型防灭火材料具备独特的包隔特性、良好的流动渗透性及较高的保水性，不仅隔离了遗煤与氧气的接触，同时破坏了煤体自燃所需的蓄热环境，从而抑制了小煤柱加固注浆段及邻近采空区内的遗煤自燃。

Z1段小煤柱加固注浆前后CO体积分数差值及线性拟合如图8所示。可以看出，Z1段加固注浆工作完成后，3#观测孔内CO体积分数降低幅度最大，为2.5×10-5；15#观测孔内CO体积分数增加幅度最大，为3.7×10-6。对注浆前后CO体积分数差异数值进行线性拟合，结果表明：由于加固注浆段位于距开切眼200～300 m位置，所以邻近采空区距离开切眼位置较近区域的CO体积分数下降幅度高于离开切眼较远的区域；拟合直线与坐标轴横坐标(CO 体积分数降幅为0)交汇于6#观测孔附近，表明在距离开切眼300～400 m范围加固注浆后，对于采空区CO体积分数降低的影响范围为距离开切眼0～600 m。实测的Z1段小煤柱加固注浆前后CO体积分数的变化情况，可充分证明小煤柱的加固与采空区注浆对采空区的遗煤自燃抑制效果较为突出。

图8 Z1段小煤柱加固注浆前后CO体积分数差值及线性拟合

4 结论

1)针对阳煤一矿81303小煤柱综放工作面相邻采空区存在漏风大、遗煤多，易引起采空区遗煤自燃的问题，建立了采空区自燃观测系统，通过实施小煤柱加固堵漏及向采空区灌注无机防灭火材料的自燃灾害综合治理技术，有效防治了采空区煤自燃灾害的发生，保障了综放工作面的生产安全，效果显著。

2)经过对小煤柱的大量堵漏注浆，小煤柱得到加固，孔隙裂隙被封堵，极大地减少了小煤柱的漏风通道，降低了氧气渗入采空区的可能性。

3)通过观测Z1段小煤柱加固注浆前后的采空区温度及CO体积分数变化情况后发现，加固注浆后采空区遗煤温度迅速降低、CO体积分数大幅减小，充分证明了小煤柱的加固与采空区注浆对采空区的遗煤自燃抑制效果较为突出，有效地消除了采空区遗煤自燃的隐患。