煤矿深部采空区自然发火防治的技术实践

苏海龙 江成凯

（济宁矿业集团花园井田资源开发有限公司，山东 济宁 272200）

1 工程概况

济宁矿业集团花园井田资源开发有限公司（简称花园煤矿）地处济宁金乡煤田，矿井于2005 年7 月开工建设，2009 年7 月建成投产，井田面积28.607 9 km2。截至目前，矿井保有资源储量6 720.2万t，可采储量277.3 万t，设计产能45 万t/a。主要开采3#煤层，该煤层赋存较为稳定，倾角2°～16°，平均厚度2.48 m，具有自燃倾向性，为Ⅱ类自燃煤层，煤样吸氧量为0.66 cm3/g。

矿井先后完成了北翼一、二采区和东翼四采区的回采，从未出现有空区或密闭区域内自然发火现象。2021 年上半年开始对五采区进行开采，煤层深度由-500 m 至-700 m 范围，增加到-800 m 范围内。根据实际揭露煤层的情况，较矿井其他已完成回采的区域，煤层厚度增加，赋存条件相对稳定。由于煤层深度增加，对预防煤层自然发火工作提出了更高的要求。2021 年第四季度开始，对五采区含煤旧巷密闭检查发现存在自然发火风险，具体表现为：密闭内连续性的气体分析中检测到微量的一氧化碳气体，旧密闭存在承受压力较大造成的破损，密闭产生裂隙漏风造成自然发火风险因素增加。因此，必须采取针对性治理措施，消除自然发火隐患。

2 控制自然发火风险的可行性分析

（1）根据花园煤矿五采区3 煤层自燃倾向性鉴定报告可知，其自燃倾向性为Ⅱ类自燃，最短自然发火期为60 d，表明开采深度增加以后采空区自然发火风险较浅部升高，也表明矿井深部防治煤层自然发火难度增大。

（2）通过对已有旧老采空区气体分析对比，发现深部采空区自然发火趋势较为突出，主要原因是含煤封闭区域自然发火风险叠加因素增加，例如煤层厚度增加、煤层赋存地质条件变化和埋藏深度增加造成地温升高等因素。

（3）对已封闭旧巷道进行密闭墙体排查中发现，因受采动影响和巷道变形因素影响造成密闭受损，且受损范围在靠近顶板区域不易被发现，密闭漏风为采空区提供了供氧条件，增加了密闭墙体内遗留煤炭自然发火风险。

（4）提升采空区密闭质量、控制向采空区漏风，是消除煤层自然发火风险的有效手段。

综合上述分析，花园煤矿较深部的五采区封闭区域，通过提升密闭墙施工质量能够实现自然发火风险的有效控制。

3 五采区封闭区域自然发火风险高的原因分析

3.1 墙体厚度尺寸小

对五采区旧巷道范围内重点密闭墙进行分析统计发现，存在破损的密闭墙厚度小于800 mm，虽然与《矿井密闭防灭火技术规范》中的标准相符，但是部分厚度大于800 mm 的密闭墙没有出现墙体破损、开裂现象，因此增体厚度对墙体开裂破损有直接影响，进而成为影响该区域自然发火风险高的重要因素。

3.2 普通水泥砖石抗压能力差

五采区范围内旧巷密闭存在采用普通水泥砖石构筑密闭墙情况。现场查验发现采用普通水泥砖石构筑的密闭墙受压墙体开裂破损较多，经对照密闭构筑原始台账发现，未出现开裂破损密闭墙基本上是采用小块红砖构筑的密闭墙。因此构筑材料对密闭墙的质量存在较大影响。

3.3 破损点存在不易被发现的情况

对五采区旧巷密闭墙现状进行仔细检查，发现密闭破损区域位于顶部边缘区域，日常检查时不容易发现，进而不能及时发现密闭墙真实现状，增加了该类风险的隐蔽性。

4 采空区自然发火防治技术方案

针对五采区自然发火风险中的主要因素：墙体厚度低、普通水泥砖石抗压能力差、密闭破损区域位于顶部边缘区域检查人员不容易发现等，提出防治技术方案[1-4]如下：

4.1 墙体厚度尺寸优化方案

根据现场施工条件，在原受损墙体外再行重新构筑一道密闭墙，并向两墙体中间充填水泥砂浆或其他轻型充填材料。在密闭墙构筑时预留注浆及压注轻型充填材料管路，施工周期短，方案可行；另外水泥砂浆费用低，轻型充填材料价格合适。因此，该方案能够有效增加墙体厚度，充填漏风通道，杜绝漏风通道的产生，且施工周期短。

4.2 增强密闭构筑材料抗压能力优化方案

全部采用小块砖石构筑密闭墙。虽然普通水泥砖石体积大，构筑墙体产生缝隙的数量少，施工速度快，但是综合考虑抗压条件，还是小块红砖构筑墙体抗压能力更强。该方案抗压强度有所增大，能满足深部巷道抗压影响破坏要求，同时能够解决局部区域封堵处理不严实的问题，墙体稳定性增强，墙面平整性好，能进一步加强墙体抗压抗拉能力。

4.3 增强检查人员发现问题的能力方案

加强密闭检查人员的综合业务素质培训，提高对密闭质量日常检查的有效性，加强对原始检查记录的现场情况核实。（1）定期开展人员的业务知识技能培训和事故案例教育，并对培训结果进行内部考核；（2）定期在井下进行实际密闭检查情况的抽查核实；（3）根据需要配备可靠的登高辅助装备，满足检查人员对密闭整体情况全面检查的要求。

5 五采区封闭区域自然发火防治方案实施

5.1 重新构一道建筑密闭墙

5.1.1 实施过程

五采区封闭区域的密闭设计均采用两道密闭墙，并向两墙中间充填不燃物的方式，又称为“双墙充填”方式。

在五采区封闭区域密闭施工时，首先利用施工的双墙体作为“模具”，在墙体之间空间稳步连续压注水泥砂浆，并及时进行搅拌压实，至充填材料向密闭周边裂隙渗入，进而形成厚度达0.5 m 以上的抗压能力强劲的墙体，即实现复合式封闭墙体，提高封闭和防漏风实际效果。

5.1.2 效果确认

该类型密闭在五采区施工后，定期进行密闭实际墙体稳定情况和密闭内外气体情况的检查，证明其既能确保密闭缝隙充实、质量提高，又能起到稳定支撑、保障封闭空间安全的效果。

5.2 采用喷浆方式加固密闭墙

5.2.1 实施过程

使用喷涂水泥砂浆的方式对旧密闭墙封闭质量进行再加强。在各地点的密闭墙体施工结束后，或出现破损的密闭墙体情况，及时对密闭墙体及四周至少不低于0.5 m 范围内的区域进行全部喷涂砂浆再次封闭，真正起到加固和提升密闭墙封堵的作用。

喷浆墙体混凝土配合比为水泥:黄沙=1:3，水灰比为0.5:1，同时为加快浇筑墙体凝固速度，可以加入水泥量4%的速凝剂。

根据密闭所处位置，为减少作业对工作环境的不利影响，也可以选择性地喷涂TSL 无机类的封堵材料。例如选用瑞诺韧性薄喷材料，通过A 组分（水性无机增稠剂）与B 组分（超细无机矿物粉）的共同作用，形成有效的缝隙堵漏；相关作业设备均以压风为动力，便于频繁变换作业位置，职工劳动强度较低，喷涂作业中无回弹和颗粒发生散漫，对操作职工和作业环境都不产生粉尘危害。

5.2.2 效果确认

采用该处置方式的密闭在五采区及沿线密闭作业施工后，通过定期进行密闭封闭情况检查，确保了密闭墙体缝隙覆盖严实全面、封堵质量良好，密闭内外气体分析正常，未出现异常气体方面的影响。

5.3 加强员工综合业务素质培训

针对五采区密闭墙体分布位置和具体检查工作中存在较高地点的情况，定期对密闭施工人员和检查人员开展相关专业知识与处理问题的针对性培训，进行现场评比考核，不断提高业务知识和操作技能，确保密闭墙施工质量和检查人员的检查质量。

6 实施效果

2022 年2 月—3 月，已完成对多处旧巷和采空区密闭墙体的改造与预防性处理，通过连续对密闭墙范围内的CO 浓度进行检查，并与之前的数据进行对比，各处检测到的CO 浓度均小于5×10-6，煤层自然发火风险频次见表1。表明矿井开采深度增加后，通过对五采区含煤封闭空间采取的自然发火防治措施，很好地控制了采空区自然发火风险，消除了自然发火隐患。

表1 效果检查表