8203面采空区“三带”分布及防灭火技术应用

田野

（晋能控股煤业集团 泰山隆安煤矿，山西 忻州 036600）

0 引 言

煤炭作为我国主要能源，现阶段以及未来相当长时间内都不会发生改变[1]。随着我国煤炭资源开采技术的提升以及浅部煤层储量的消耗，煤炭开采正逐步向深部延伸，由于深部环境的特殊原因，井工环境复杂性凸显，尤其是高地温导致煤处于氧化和蓄热状态，甚至自燃[2-3]，因此，对于深井高地温工作面采空区，控制地温是预控采空区煤体自燃的关键因素。

1 概 况

泰山隆安煤矿8203综采工作面主采8号煤层，平均厚度为4.4 m，平均倾角为5°，属于近水平煤层，具有自燃倾向性，自燃等级为Ⅱ级，煤尘具有爆炸性。煤层顶板岩层主要为泥质岩，包括泥岩、砂泥岩、粗砂岩、中砂岩等，底板主要以泥岩和粗砂岩为主。8203工作面走向长度625 m，倾斜长度240 m，相对瓦斯涌出量为7.1 m3/t。工作面回采期间，检测66、78号联巷处CO浓度，检测结果显示最高CO浓度检测值为42 ppm，平均浓度23 ppm，为防止8203工作面采空区煤炭自燃，引起CO浓度偏高，影响生产安全，计划针对8203综采工作面采空区温度最高的升温带采取注浆防灭火技术方案。

2 采空区温度分布规律

为探明8203综采工作面采空区温度分布，采用数值模拟软件Comsol进行空间耦合建模，并选用渗流场和扩散场来监测风速和氧气浓度[4]，根据工作面尺寸，设定模型空间尺寸为600 m×470 m×40 m，采用负压式通风，风流自进风巷进入采空区，而后由回风巷回风。进风巷宽为5.4 m，风速为1.38 m/s，回风巷宽为5.6 m。工作面回采保持持续作业，待模拟结束后产生长×宽×高为550 m×280 m×40 m的采空区，氧气浓度及漏风特征如图1所示。

图1 采空区氧浓度分布及漏风等值线图Fig.1 Contour map of oxygen concentration distribution and air leakage in goaf

由图1分析可知，风流流经工作面后，进入回风巷，采空区内部的压力场呈弧形分布，并且自进风巷至回风巷，压力呈递减趋势。经现场风压测定可知，自进风巷至回风巷静压平均降低98 Pa，说明采空区存在漏风现象，中部漏风情况尤为严重。由图1（a）可知，进风侧氧气浓度相较回风侧偏高，根据氧气浓度在16%以上、8%~16%、8%以下范围可将采空区分为散热带、升温带、窒息带。由图1（b）可知采空区漏风风速大于0.004 m/s时；与散热带对应，当漏风风速在0.004~0.001 7 m/s时，对应升温带；窒息带的漏风风速小于0.001 7 m/s。

综上所述，升温带在采空区进风侧范围为180~390 m，采空区中部为150~360 m，回风侧为60~190 m，在此区域煤层自燃概率较大，应采取相应措施，预控煤层自燃，保障工作面安全。

3 注浆防火灭火技术措施

3.1 注浆方案

注浆的浆液主要是黄土与水的搅拌物，黄土选取时保证其含水率小于8%，相对密度Gs约为2.6，塑性指数约为12。搅拌成浆液时，按照水土比为3∶1~5∶1进行配比，具体注浆量的计算公式如下。

式中：Q为注浆量；Ks为备用系数，取1.1~1.25；为水土比例；H为顶部煤层剩余厚度；Ls为注浆斜长；Lt为注浆横长；n为煤层孔隙率；p为浆液修正系数，取0.89。

为保证回采作业不受影响，注浆作业一般置于工作面推进距离达300 m后进行，通过联巷密闭进行注浆时，注浆点应与工作面保持100 m以上距离。

8203工作面升温带注浆措施是基于注浆管道的浆液扩散半径计算[5-6]，为保证浆液在采空区达到最大覆盖率，注浆钻孔布置为2组，以V型排列，第一组为5个钻孔，布置在65～67联巷附近，钻孔间距30.8 m；第二组为10个钻孔，布置在79～83联巷附近，间距32 m，具体布置形式如图2所示。

图2 第二组V型钻孔布置示意Fig.2 Arrangement of The second set V-type drilling

注浆钻孔由地表对应点进行钻进作业，直接从地面垂直注浆，由于埋深大于200 m，为保证注浆效果，应适当增加注浆压力。从钻孔至注浆连续作业，初始采用φ650 mm钻头钻进，至裂隙带后先用φ530 mm护管进行固定，下部可采用φ350 mm的钻头钻进，直至基岩下2 m处，用φ273 mm护管保护，最后用φ215 mm钻头钻至冒落带，使用φ159 mm套管防护。在钻孔、阀门、护管、套管等安装完毕后，进行密闭封堵处理，具体设计如图3所示。

图3 注浆钻孔设计Fig.3 Design of grouting borehole

该次浆液制作时采用的水土比为3∶1的比例混合而成，注浆作业结束后，使其沉淀形成黄泥浆铺于煤层底板处，水经疏水槽进行疏放作业，疏水完成进行下一注浆循环作业，至黄土注满后，结束注浆作业，在每一次注浆时记录注浆压力和注浆量的变化数据。最后注浆时间共计一个月，注水量共计2.03×105m3，使用黄土量共计8.6×104m3。

3.2 注浆效果

为探究注浆技术对于高温异常区域的防灭火效果，并对井口排出气体进行采样化验分析，温度和CO气体监测数据如图4所示。

图4 高温区域注浆后采空区温度和CO浓度曲线Fig.4 Temperature and CO concentration curve of goaf after grouting in high temperature area

由图4可知，8203工作面采空区升温带实施注浆后，采空区CO浓度下降至2.4 ppm左右，地面钻孔温度稳定于16℃，采空区升温带得到了有效治理，后续的回采作业得以顺利进行。

4 结 论

（1）采用Comsol数值模拟，根据氧气浓度和漏风风速变化情况，分析可知8203工作面采空区进风侧、中部和回风侧存在散热带、升温带和窒息带，“三带”温度呈梯段式分布。

（2）8203工作面采空区升温带注浆后，通过监测数据显示升温带温度大幅度降低，地面钻孔温度稳定于16℃，采空区CO浓度下降至2.4 ppm左右，煤体自燃现象得到了有效控制，防灭火效果明显，能够保证后续回采工作安全。