大倾角综放工作面老空巷道充填防灭火技术探究

＊李考科 石长坤* 刘基虎

（1.崇信县百贯沟煤业有限公司 甘肃 744000 2.徐州矿务集团有限公司 江苏 320300）

煤自燃是我国煤炭工业面临的主要灾害之一[1]。小型煤矿中，具有自然发火危险的矿井占85.3%；大中型煤矿中，有73%的矿井具有自然发火危险性。近年来，我国广泛采用综采放顶煤开采技术，造成采空区遗留残煤多、漏风严重，导致煤自燃火灾频繁发生[2-5]。大倾角煤层是指倾角为35°～55°的煤层。然而，开采大倾角煤层比开采近水平煤层更易自燃。在回采中由于综放工作面内的设备多且大，更要保证安全稳定的空间，因此工作面过空巷及其防灭火的技术难题一直未能完全解决。这是因为工作面推进到空巷附近时，工作面超前支承压力过大，支护难以承载导致巷道顶板垮塌从而发生事故，此外空巷易漏风也易导致瓦斯积聚、自燃发火，从而威胁矿井的安全生产[6]。

传统上有两种过空巷方法：（1）用密集支柱加强空巷顶板的支护；（2）在空巷前停采，以空巷为切眼布置新工作面。密集支柱承载能力过低，在工作面超前支承压力的作用下，空巷就易产生冒顶和片帮，造成支架的工作阻力急剧升高，从而出现压坏或压死支架的事故，将造成重大经济损失[7-9]。而空巷前停采的方法则主要用于炮采或普采等较易搬家的工作面，重新布置工作面不仅增加了搬家的时间及费用，且浪费资源。因此，上述两种过空巷方法都有极大的局限性。

本文重点对大倾角综放工作面回采过老空巷综合防灭火充填技术[10]在崇信县百贯沟2507工作面回采中的防灭火应用研究，为工作面回采过空巷提供重要的科学依据及现场实践经验，力争提出科学合理适用的解决方案与对策。通过不断的摸索，得出空巷充填技术在大倾角工作面回采过空巷中的实践方案，并给予相同条件下的煤层回采提供良好的技术资料。

1.老空巷道充填防灭火技术

(1)充填技术

高水材料充填空巷是一种安全、经济、高效的办法，保证工作面快速通过空巷。该材料优势见表1。

表1 高水材料充填空巷优势表

从上述力学角度分析：高水材料充填体的抗压强度较高且具有塑性特征，压力作用下有较大的塑性变形，强度衰减较缓，并可维持较高的残余强度。因此，高水材料充填体可以避免由于支承压力过大发生的片帮，则在相同强度下就可选取更小的安全系数，即可降低强度要求。

(2)超高水充填材料

材料细分为甲料、加甲料及乙料、加乙料四部分。

①注浆比例。甲料每袋50kg、加甲料每袋30kg；乙料每袋50kg、加乙料每袋30kg。水灰配比为5:1，即：甲料2袋+加甲料1袋+水650L（桶内水高度为650÷3.14÷搅拌桶半径的平方）乙料2袋+加乙料1袋+水650L（桶内水高度为650÷3.14÷搅拌桶半径的平方）。

注：一吨超高水材料与水充分混合后能充填空巷5m3。

②注浆压力。由于注浆充填管终孔位置位于空巷内，一般注浆压力为2～3MPa，具体充填压力跟管路直径、输送距离及坡度大小有关，根据现场实际确定。

③注浆设备及注浆管。注浆设备为2ZBYSB2（19.2～5.7）（0～10）-37型煤矿用液压注浆泵配合高压胶管从井下注超高水充填材料。注浆设备两台，一备一用。

注：根据现场情况及泵相关性能估计设备正常情况下一个小班能施工材料10～15t。

④注浆充填浆料混合器。A.2ZB(19.2～5.7)/(0～10)-37KW型煤矿用液压注浆泵，在使用过程中由于高水材料为两种不同物料，需要按一定比例在充分搅拌后进行混合才可灌注入充填巷道。两种材料通过高压胶管经过注浆泵自身所带混合器混合。长期在本矿井2503回风道注浆环境条件、距离下使用注浆泵自身混合器，经常出现混合器由于高压灌注出现堵塞、破裂现象。长期以来需要频繁更换、清理混合器，严重影响施工进度，且要花费大量人力物力。无论从安全生产还是从经济效益上考虑，为了更好的提高注浆充填的效率和强度，减少频繁更换、维修现象，经过探讨与实践，结合以往的注浆经验及混合器堵塞实际原理，研制出了本矿注浆使用浆料混合器。

B.注浆充填浆料混合器改进工艺。使用4寸钢管在其纵向面每10cm加工焊接一个Φ51mm外漏接头，由于注浆料为两种，所以焊接四个接头，两个使用两个备用；在钢管横切面焊接一个高压注水接头；注浆机两趟管路和高压注水管路接头与混合器搭接紧固，混合器另一头直接与浆液输送管路搭接紧固。施工前，先使用高压注水接头将管路冲洗。然后开启注浆设备工作，通过计算比例浆液浓稠度增加，开启高压管路注水，利用注浆管路距离较长的优势使两种浆液在管路中充分混合，达到注浆的效果和要求。

图1 混合器改进示意图

C.应用效果。经过对注浆混合器的改进优化，增加了注浆混合器的强度，安全系数，提高了注浆效率，减少更换混合器及维修时间、次数。节约了资源，增加了效益，自2021年3月采用上述注浆混合器以来，从未发生混合器堵塞、破裂现象，故障率大大降低，为企业带来了明显的经济效益。

(3)注浆工艺

超高水充填材料注浆工艺如图2所示。

图2 超高水充填材料注浆

2505工作面老空巷道注浆工作中面临的问题：一是采用传统的两个注浆桶，施工功效较低；二是材料通过斜巷走钩运送至离注浆巷道最近的地点，运输效率较低；三是使用注浆器自带混合器经常发生堵塞现象，需要停泵、冲洗管路系统、更换注浆混合器，影响施工进度。针对以上问题进行研究分析后，提出了优化后的百贯沟老空巷道注浆工艺，多桶协同搅拌、长距离混合灌注注浆工艺。

2507工作面注浆充填巷道为2503回风道、降低材料道，其中2503好回风道巷道较长，贯穿二采区回风上山和2507材料道、2507运输道顶板，采用传统注浆工艺需要通过斜巷走钩不间断的将高水材料运送至2503回风道注浆设备安装地点。这样的工作方法过于繁杂，耗时。通过现场分析，共同研究后提出，使用2503回风道原有的Φ108mm无缝钢管，管路系统自2503回风道上口一直延接至2530回风道下口和降低材料道上口，与灌注超高水材料的管路系统路径一致。注浆设备安设在2503回风道上口，使用改进升级后的注浆浆料混合器与注浆设备搭接。由于，2503回风道巷道自带-18°角度，利用这一高差优势将注浆设备泵入混合器后的浆料，顺着2503回风道管路自回风道上口直接灌注至2503回风道和降低材料的注浆点。管路不及之处，采用人工挖沟槽的方式使浆料自流灌注。

2507工作面两条老空巷道，除了采用新式浆料混合器、长距离管路管道自流灌注外，还采用了四桶协同搅拌灌注。开始时两边两个桶都加满水和充填料，充分搅拌后进行泵送，每次只泵送甲料一桶、乙料一桶，待两桶泵送完后立即将吸浆管放入其他两个桶；工人师傅再对两个空的搅拌桶重新加水加料搅拌，如此反复。这样的多桶协同拌料法，不仅减少了注浆设备关停的频率，而且也很好的保护了长距离的注浆输送管路，防止注浆泵经常性的关停后造成注浆输送管路堵塞，减少了不必要的麻烦。

(4)充填施工安全技术措施

①注浆站设备及材料必须堆放整齐，不得乱堆乱放，设备及充填料必须放置在无淋水地点。②充填注浆施工前，必须首先检查施工地点巷道支护情况，若有隐患问题必须提前排除。③充填注浆施工前，必须检查设备完好情况以及注浆管路连接情况，设备不完好或故障要及时检修，注浆管路必须使用耐压管路，且管路接头必须使用专用“U”型插销。④充填浆液必须按照规定比例制浆，且充填浆液必须搅拌均匀。制浆时，要防止其他杂物进入浆液而堵塞注浆管。⑤制浆时，制浆工必须佩戴专用护手套和护目镜，且在浆液搅拌时注意保护眼睛，一旦浆液不慎飞入眼内，要立即用清水清洗眼睛。⑥充填注浆时，安排人员随时注意充填范围里侧封闭墙受压情况及是否漏浆，否则要及时停止充填并处理。⑦在注浆过程中，应巡回检查管路情况，发现问题及时处理。⑧封闭充填参数及通风方式选择。

A.巷道封闭采用砖混结构施工，计划需要施工砖混结构封闭墙17道；墙厚60cm。B.巷道充填过程中，采用2×11kW轴流式局部通风机通风。C.巷道充填期间，巷道供风量必须满足要求。杜绝无风、微风、循环风作业。

2.应用效果分析

2507工作面两条老空巷道共使用高水充填材料约1120t，材料花费约350万。通过对2507工作面大倾角回采过老空巷道防灭火采用高水材料充填、煤层氧化分析、研究，采取预报分析、防填结合等有效、可控的综合防灭火技术。2507工作面自2021年8月下旬开始揭露2503回风道老空巷道至2021年10月底，2507工作面两条顶板老空巷道全部揭露回采安全通过。

揭露期间经过现场观察和监测，工作面过空巷时，老空巷道顶板及两帮由于有效支护，采煤机直接切割充填体，那么上部充填体就成为了直接顶。由超高水材料固结形成的充填体具有较大的承载力，大部分强度达到5MPa，局部甚至达到了6MPa，足以支撑基本顶。同时充填体能够传递液压支架的支护阻力，所有液压支架的初撑力均能达到24MPa，保持了墙壁及顶板完整性。此外超高水材料还具有一定的流动性和渗透性，浆液被挤压后会渗透到围岩裂隙中并发生固结，在围岩中形成了网络骨架结构，呈层状、网状、脉状分布，构成围岩复合结构；而在围岩浅部，充填浆液固结体则呈薄厚不一的片状或条状分布，几乎可相互连通形成网络骨架，固结体具有良好的韧性和粘结性，能将破碎围岩粘结成整体，从而为工作面回采过老空巷道起到完美堵漏风防灭火作用，实现杜绝工作面在大倾角回采过老空巷道期间自燃发火的目的。虽然，使用高水材料前后材料费、设备投入费用以及人工费用共计约500万，但是达到的防灭火效果和为公司带来的长远经济效益是不可估量的。