深部矿井采空区防火密闭墙技术应用实践

胡朝辉

（冀中能源股份有限公司 邢东矿，河北 邢台 054000）

0 引言

随着采煤工艺的不断革新，配套的采矿设备也在更新换代，促使煤矿效率大幅度的提升，开采深度和强度逐步增大，但同时矿井安全生产也面临重要挑战。随着煤体的采出，采空区的面积越来越大，采空区的遗煤自燃和瓦斯爆炸事故严重影响了煤矿的安全生产工作，依据煤炭自燃的3 个必要条件，采空区的封堵尤其重要[1]。采空区的有效封堵，不但可以隔绝采空区的有毒气体外泄，而且可以阻碍新鲜风流进入采空区，减少煤炭自燃的必要条件氧气含量。专家学者针对采空区的封堵技术进行多方面的研究，依据具体情况采取的封堵方式也不同，目前主要有密闭墙、表面喷涂、裂隙充填等封堵技术。在学习借鉴前人的基础上，针对邢东矿1127 工作面采空区的自然发火特点，采用膨胀材料充填密闭墙和裂隙封堵技术对采空区进行封堵，效果良好。

1 工程概况

邢东矿自2001 年11 月18 日开始投产，年产量为120 万t/a，开采深度最大达到1000 m，是华北地区采深最大的矿井之一。矿井分2 个水平开采，分别为-760 m 和-980 m 水平，该矿1127 工作面位于-760 皮带大巷以西，工作面大致与其垂直；工作面北部约75 m 为1125 工作面；南部约110 m 为F23 导水断层，走向长967 m，倾斜长57 m。所采煤层为2 号煤，2 号煤层结构简单，厚度稳定（构造影响除外），煤层厚度变化由外向里呈增大趋势，除受构造影响煤层变薄以外，其余煤厚均在4.50 m 以上，煤层厚度变化不大，煤层厚度来源于相关钻孔煤厚资料算术平均值。据中煤科工集团重庆研究所试验，2 号煤煤层自然发火倾向性为Ⅱ类自燃。1127 工作面在停采后，一直有自燃隐患，出现自燃标志性气体CO，是该矿“一通三防”工作的重大隐患。

2 采空区自然发火原因分析

通过对邢东矿以往采空区的自燃现象进行分析，主要原因如下。

（1） 所采的2 号煤层具有自然发火倾向，为Ⅱ类自燃。

（2） 工作面在停采后，监测到标志性气体CO，存在自然隐患[2]。

（3） 采空区发生自燃，主要为工作面采空区内存在着浮煤和工作面之间留有保护煤柱，为采空区自燃提供了物质基础。

（4） 由于邢东矿是深部开采，矿山压力大，导致煤柱在压力下边的破碎，致使采空区封闭不严；探水钻孔封堵如果不及时，就会向采空区漏风，为煤层自燃提供了条件[3]。

（5） 采空区一旦漏风，新鲜的风流进入了采空区，采空区内气体已形成的平衡状态被打破，采空区O2含量增加，为浮煤和松软破碎煤柱提供了氧化条件，增加了自燃的危险性。

3 采空区防火密闭墙技术应用

3.1 密闭墙技术原理

为了实现对采空区的封堵，最终确定密闭墙的形式，通过砌筑两堵砖墙，砖墙是无缝的，不能通过气体，靠近巷道外侧砖墙预留孔洞，方便注浆材料的注入。档砖墙达到规定的强度后，用注浆泵注入膨胀充填材料，先主微膨胀材料，达到一定高度后，注入中度膨胀材料，注到要求的高度后停止，撤出充填管路，把预留孔洞进行封堵，对巷道外侧的气体进行监测，确保密闭墙不外漏。充填密闭墙示意如图1 所示。

图1 充填密闭墙示意Fig.1 Implication of filling closed wall

3.2 密闭墙材料的选择

密闭充填材料的选择有助于密闭墙的的密闭程度，防止密闭墙的二次漏风，此次采用的是膨胀充填材料，主要由高水材料、膨胀固化剂按适当的比例构成。为达到充填体和巷道周边充分密闭采空区，对主要技术要求进行试验配比，经过试验室大量的试验，并结合现场实践，获得膨胀充填材料的最有配比。按照膨胀材料的最优配比加入一定比例的水，经过搅拌机搅拌均匀，通过注浆泵经过管路泵送至充填地点，在较短的时间内凝结固化成充填体[4]。膨胀充填材料的最优配比见表1。

表1 膨胀充填材料2 种优化配比Table 1 Two optimized ratios of expansive filling materials

3.3 采空区防火密闭墙方案

针对1127 工作面地质情况，及其对采空区煤层自燃原因的分析，最终确定采用密闭墙来隔绝采空区与外部巷道气体的联通，并参考原有工作面采空区密闭墙的技术参数，确定了密闭墙的规格参数。两道砖墙+膨胀充填材料构成密闭墙，每道砖墙的厚度为0.7 m，膨胀充填材料的厚度为5 m，充填密闭墙规格及充填管路布置如图2 所示。为了充分有效的密闭，及减少巷道两帮范围内受破坏煤体对密闭墙的影响，进行适当掏槽，采空区侧向两帮掏槽0.5 m 深，槽宽为0.7 m，与墙厚度相同；巷道外侧向两帮掏槽0.5 m 深，槽宽为1.5 m，其中0.7 m 宽用于砌砖墙，0.8 m 用于充填密实[5]。

图2 充填密闭墙及充填管布置Fig.2 Layout of filling closed wall and filling pipe

靠近巷道外侧的砌筑过程中留设充填管和出气管入口，在达到规定的强度后，布置充填管和出气管，由于巷道具有坡度，坡度为8°，充填管和出气管的端头应布置到采空区侧，保证充填材料能够充满整个密闭空间。在充填过程中，首先进行微膨胀料浆的充填，达到充填高度的80%时[6]，进行中度膨胀料浆充填，当出气管出现充填材料停止充填，达到充填标准。

3.4 巷道顶板注浆工艺

在充填密闭墙形成以后，巷道周边的围岩应力会再次达到一种新的平衡状态，在这个过程中，顶板下沉变形，应力向巷道两帮深处发展，在深部矿井高地应力的作用下，巷道周围会产生裂隙，从而形成导气通道，破坏密闭墙的密闭效果，为了降低这种情况的产生，需要对巷道顶板进行注浆加固，同时增加承载力。针对邢东矿巷道埋深大、矿压大的特点，结合巷道原有的支护条件，巷道顶板破碎区域的高度为1.36 m，从而确定注浆高度为1.5 m。注浆一般采用等距布孔、梅花形布置方式。注浆扩散半径R=1 ～2 m，孔间距一般取0.8。此次注浆孔间距取1 m，并结合破碎拱形态，确定钻孔分布如图3 所示。

图3 钻孔分布示意（标注单位：m）Fig.3 Distribution of boreholes(tagging unit:m)

4 工程效果分析

通过对1127 工作面采用膨胀材料充填密闭墙技术，达到了隔绝采空区的作用。对采空区的气体监测和密闭墙外的气体的监测，采空区侧的气体氧气浓度保持在5%以下，CO 浓度在保持在0.001%以下，采空区内的煤体未发生自燃[7]；密闭墙外的气体和正常巷道的气体含量一致，密闭墙密闭效果良好。解决了以往的采空区密闭墙，在顶部、底部及两帮裂隙带经常出现漏风现象，随着采空区压力现象，漏风现象越来越严重，给采空区自然发火治理带来重大隐患。膨胀充填极大的改善了采空区密闭墙的密闭性能，通过合理的选择配比，将密闭墙周围封堵严密，保证了矿井的防火安全。

5 结语

邢东矿1127 工作面采空区采用膨胀材料充填密闭墙技术，达到了隔绝采空区的作用，避免了漏风现象的产生，极大提高了采空区密闭性，保证了采空区防火安全，解决了邢东矿采掘的不断延伸、采空区面积逐步扩张、采空区的管理困难的问题，保障了矿井的安全生产，为其它工作面的采空区的密闭提供了有效手段。