条带灌浆在复杂工作面煤自燃防治中的应用

柴发英 李洪杰 杨 冰

（1.窑街煤电集团公司海石湾矿，甘肃 兰州 730080；2.徐州吉安矿业科技有限公司，江苏 徐州 221000）

1 研究背景

窑街煤电集团公司海石湾矿主采煤二层位于窑街群第二岩组含煤段的底部，厚0～59.28 m 之间，平均厚19.61 m。作为保护层开采的油A 层位于窑街群第二岩组含煤段的顶部，厚0～11.79 m，平均厚4.14 m。主采煤（岩）层（煤二层、油A 层）为缓倾斜煤（岩）层，倾角一般5°～25°，基本上呈一北高南低、向南开阔的簸箕形向斜构造形态。煤二层瓦斯压力大、含量高，瓦斯压力高达7.3 MPa，混合瓦斯含量22.59 m3/t（CH4为3.69 m3/t，CO2为18.9 m3/t）；油页岩混合含量为7.23 m3/t（CH4为2.81 m3/t，CO2为4.42 m3/t）。煤的破坏类型一般为Ⅱ～Ⅴ类，具有突出危险。2005 年7 月由煤炭科学研究总院重庆分院对矿井突出危险性进行了鉴定，结论为海石湾矿井为煤与二氧化碳（含甲烷等复杂气体）突出矿井。2018 年7 月由中煤科工集团重庆研究院有限公司鉴定煤二层属Ⅱ类自燃煤层，最短自然发火期为48 d，油A 层属Ⅲ类不易自燃煤层。

6125-1工作面位于海石湾井田一采区东南部，工作面呈一走向为EW 的长条形，走向长度380 m，平均倾向宽度176 m，平面积66 754.1 m2，圈定资源/储量（TM）135.5 万t。工作面地表位置在尕卓子山～石草湾一带，地面标高为1984～2177 m 之间，煤层赋存标高为1255～1219 m，覆盖层垂厚为729～958 m。工作面东部煤二层中无任何采掘活动；北部为6124-1工作面及6123-2工作面采空区；南部6115 工作面正在回采中；西部为6124-1进风联络巷、6125-1施工联络巷及6125-1后期进风顺槽；顶部为6124-1工作面以及6114、6113 油A 层工作面采空区；下部为6124 底抽巷。

由于工作面煤层厚，采空区遗煤量大，工作面上覆煤层采空区遗煤存在氧化升温问题，加之，工作面受防冲和瓦斯管理的限制，推采速度缓慢，工作面采空区的遗煤自燃隐患问题突出。矿井常规的黄泥灌浆、注氮等措施在工作面生产地质条件下，使用局限性大，采空区遗煤氧化自燃风险性高。针对工作面实际情况，需要研究新的治理思路和技术方法保障工作面的安全生产。

2 火灾治理分析

1）6125-1工作面为厚煤层放顶煤开采，采空区遗煤量大，且遗煤处于高位立体堆积状态，常规的黄泥灌浆及开放式注氮对采空区中、高位遗煤控制效果较差。一方面，泥浆不能有效在采空区内大范围扩散覆盖滞留，且不能向高位堆积覆盖，对中高位遗煤氧化控制能力较差；另一方面，俯采期间大量的黄泥浆涌向工作面方向导致工作面溃浆，将会较为严重地影响电气设备的安全运行及作业人员安全。工作面采空区整体火灾防治难度大。

2）6125-1工作面采空区与上覆6124-1工作面、相邻6123-2工作面老采空区连通，大采空区连通状态下，大面积的漏风极大增加了采空区遗煤的自燃风险，漏风治理难度极大，且上覆采空区存在持续的氧化蓄热问题，治理成本和治理工程量高。

3）6125-1工作面上部6124-1工作面老采空区内大量遗煤已经历了两次氧化自燃，由于6125-1工作面的回采及联通漏风，遗煤的自然发火期将大大缩短，发展速度更快，对于上部老空区的高位遗煤注浆治理难度比本工作面难度更大。

4）6125-1工作面受防冲管理及瓦斯管理限制，工作面回采速度较慢，月平均推采进度约35 m，采空区内复合式大体量遗煤氧化蓄热时间充足，自然发火隐患突出。因此，大采空区复杂条件下采煤工作面生产期间将面临较为严峻的防灭火治理压力及挑战。

3 综合防灭火技术

针对6125-1工作面大采空区状态下复杂漏风条件采空区遗煤治理，提出了基于三带测试为指导的底抽巷高位钻孔网格式精准注氮+采空区分条带隔离灌浆的综合治理技术，从而实现工作面生产期间的采空区整体煤自燃有效防治。

3.1 三带测试

1）三带划分方法。根据氧气浓度划分采空区“三带”是目前最常用的方法[1]，相关的指标参数如下：① 散热带O2＞15%。该区域具备充足的供氧条件，但由于漏风大造成煤氧化自燃初期产生的微小热量随风散失，煤的氧化过程始终停留在缓慢发展阶段，不易发生煤自燃现象。应该指出的是，以氧气浓度作为界定散热带和氧化带的指标，并不是因为氧气浓度大于某一特定值而不能自然发火，而是由于该区域的漏风风速过大带走了氧化生成的热量所致。② 氧化带5%≤O2≤15%。该区域既具备充足的供氧条件，又由于漏风量较小，氧化蓄热环境较好，煤的氧化自热过程得以持续进行，最终导致煤自燃的发生。③ 窒息带O2＜5%。该区域由于缺氧窒息，煤氧化自燃过程将无法进行。本次6125-1工作面三带划分选取氧气浓度作为划分指标。

2）测点布置。测试束管的布置方式采用从通过工作面的上、下隅角沿工作面采空区走向布置的方式，束管布置长度100 m。为了防止束管被采空区冒落的煤岩砸坏，对束管加装保护套管，做好保护措施。进回风巷两边同时观测，待氧气浓度降至5%及以下稳定后，即可停止观测。

3）测试结果。测点安装完毕后随工作面推进开始，每天记录好测点气体数据及距工作面的距离，得出了现场采空区气体成分数据。6125-1工作面进、回风巷束管观测的氧气浓度数据见表1。

表1 6125-1 工作面束管观测氧气浓度结果统计

根据本次观测，6125-1工作面的三带分布范围见表2。

表2 6125-1 工作面三带分布范围 m

6125-1工作面采空区三带分布示意图如图1。

图1 6125-1 工作面采空区三带分布示意图

由图1 可知6125-1工作面采空区氧化自燃带的宽度，在进风侧“氧化带”达39 m 左右，回风侧为41 m 左右。对于工作面，日推进速度在1 m 左右，工作面在14 d 即可进入煤氧化带。根据三带测试的结果来指导工作面采空区注氮及灌浆[2]。

3.2 采空区注氮

1）注氮系统。上工业广场有三台制氮机，氮气通过管路运送至工作面采空区。制氮能力为2400 m3/h，其主管路为Φ159 mm，支管路为Φ108 mm。三台制氮机型号如下：

① 型号BYN-1200，氮气流量1200 Nm3/h，氮气纯度≥97%（无氧含量），氮气压力0～0.8 MPa可调，设备功率250 kW。

② 型号DZ-600，氮气流量600 Nm3/h，氮气纯度：≥97%（无氧含量），氮气压力0～0.7 MPa 可调，设备功率7.5 kW。

③ 型号DT-600，氮气流量600 Nm3/h，氮气纯度≥97%（无氧含量），氮气压力0～0.7 MPa，设备功率182 kW。

2）常规注氮。6125-1工作面采空区遗煤量大，采区大范围采空区漏风互通，导致采空区供氧充足，“氧化带”范围大。传统的注氮方式通过进风隅角采空区预埋管注氮，氮气在采空区的扩散运移路线较为固定，属于条带型覆盖，存在明显的治理盲区，且在大采空区漏风状态下，惰化的区域有限，防治能力有限[3]。常规埋管注氮惰化示意图如图2。

图2 常规埋管注氮惰化示意图

3）精准注氮。为有效抑制采空区的遗煤持续供氧氧化，提出了底抽巷高位孔精准注氮的治理理念[4]。该措施的治理优势在于，一方面通过底抽巷布置大范围高位孔，实现了无差别全覆盖型注氮惰化，消除注氮盲区；另一方面通过底抽巷注氮孔的设计，实现了采空区遗煤及漏风重点隐患区域的精准注氮。底抽巷精准注氮示意图如图3。

图3 底抽巷精准注氮示意图

3.3 采空区灌浆

灌浆站建设在上工业广场，灌浆泵型号为125D25X，黄土灌浆能力为70 m3/h，灌浆管路的干管为Φ133 mm，支管为Φ108 mm、Φ89 mm。制浆过程采用灌浆泵、水枪冲刷黄土层，通过灌浆站筛子房过滤杂物，将制成的泥浆输送到井下管道、钻孔，充填至工作面采空区。

3.3.1 6124-1采空区治理

1）治理前存在的问题。上覆6124-1采空区遗煤已采取了灌注黄泥浆处理，但从6125-1工作面回风顺槽顶板淋水偏温，可知6124-1采空区遗煤存在较大范围的低中温氧化，单纯采用黄泥灌浆在采空区内顺沟流，无法覆盖高位遗煤。

2）采空区高位遗煤降温治理。在底抽巷向6124-1采空区布置高位注浆钻孔，钻孔间距50 m。利用矿井现有的黄泥灌浆系统，添加易克特化学自发泡发泡剂，对采空区中高位遗煤进行充填覆盖。通过添加化学发泡剂使黄泥浆形成泡沫+凝胶状态。泡沫的作用是提高了黄泥浆的扩散堆积能力，达到向高位浮煤堆积覆盖的作用。凝胶的作用是增加黄泥浆黏稠度，把黄泥浆内的水以固态凝胶形式锁住，形成黄泥凝胶覆盖层，包裹采空区氧化遗煤，实现了6124-1采空区高位遗煤的大面积覆盖降温。高位灌浆孔布置剖面及充填效果示意图如图4。

图4 高位灌浆孔布置剖面及充填效果示意图

3.3.2 6125-1 采空区治理

1）隅角堵漏风治理。6125-1工作面回采期间，6125-1回风顺槽与6123-2进风顺槽留有5 m 煤柱，致使采空区回风侧遗留条带浮煤，工作面进风隅角扩散风路线与采空区外部漏风构成漏风通道，将促使遗留条带浮煤氧化[5]。间隔式在上、下隅角快速充填固化泡沫体（普瑞特Ⅱ型防灭火材料）进行封堵漏风。该注浆工艺采用化学发泡的方式用于井下现场，利用的是泡沫在膨胀过程中产生的“膨胀压”，在“膨胀压”作用下，固化前的乳状泡沫从注浆管路出口处源源不断地向周围孔隙中挤压扩散，扩散到一定距离后固化，形成最终的充填效果，从而人为改变采空区漏风方向，缩小工作面采空区“三带”距离。随着工作面推进，在工作面上下端部预埋L型注浆管，压入采空区20 m 后注浆，即每20 m 充填一次，每次充填长度为10 m。

2）采空区条带灌浆。6125-1工作面回采期间，处于俯采状态，采取灌浆措施后，采空区存浆困难，部分黄泥浆从工作面后部采空区流出，达不到黄泥灌浆目的。通过现场治理实践，采用条带隔断式灌浆。工作面推采过程，架后采空区分为20 m、40 m、60 m 三个治理条带，每个条带全长通过底抽巷向6125-1采空区布置灌浆孔，钻孔间距20～30 m。为了实现更加高效的灌浆治理效果，每一个位置的钻孔可施工一组（2 个）灌浆孔，两孔并一孔进行灌浆。

第一条带（采空区20 m 范围）利用矿井现有的黄泥灌浆系统，添加易克特化学自发泡剂灌浆。通过实践得出单孔灌注材料量不低于5 t。通过注浆，在采空区内形成了高位扩散覆盖的“隔离、保湿条带”。一方面，通过及时灌注实现中、高位遗煤的超前覆盖控制；另一方面，形成的充填覆盖空间可在采空区走向上形成“隔离条带”，有效阻止采空区氧化区域的前移蔓延。

第二条带（采空区40 m 范围）利用矿井现有的黄泥灌浆系统，添加复合胶体泥浆增稠材料灌浆。该条带注浆用黄泥浆水土比控制在1.5:1 左右，既增加黄泥浆黏稠度，同时使黄泥浆胶凝。一方面，黄泥浆稠化后大大减少采空区内顺沟流状态，注浆控制范围更加可控；另一方面，胶凝后的黄泥浆胶体可滞留在采空区，形成凝胶覆盖层锁定黄泥浆，大大提高了灌浆效率，从而在采空区浅部“隔离条带”的基础上在采空区中部形成一道“强化隔离带”。

第三条带（采空区60 m 范围），通过前两个条带的组合灌浆方式，将采空区中部向外的区域进行了有效的隔断，故在第三条带直接采用黄泥浆进行大流量灌注，将深部遗煤进行大范围覆盖充填。6125-1采空区封堵及条带灌浆效果示意图如图5。

图5 6125-1 采空区封堵及条带灌浆效果示意图

3）易克特化学自发泡剂技术原理及组合优势。易克特化学发泡剂A 料中的主要组分中含有碳酸根，在遇到B 料中复合而成的催化剂后，发生反应，生成二氧化碳气体，从而实现发泡。A 料中的主要组分兼具有稳泡效果。A 料中的稳泡剂既能起到增稠溶液的作用，溶液变稠后，稳泡效果增加，同时又能起到保水效果。B 料中添加另外一种稳泡剂，能增加固体在水中的分散能力，改善其发泡后的泡孔结构，和A 料中的固体稳泡剂一同起到协同稳泡的作用。在水中加入黄泥后，黄泥也能起到骨架支撑的作用，使溶液增稠，更能增加其稳泡效果和保水效果。

组合技术优势：在现场应用中，易克特化学发泡剂的自发泡功能有效解决了传统两相泡沫在长距离高位钻孔中依靠物理压风发泡能力不足的问题；自发泡也有效避免了物理压风发泡情况下，持续采空区供氧的问题；易克特化学发泡剂与黄泥浆的性能互相补充，易克特的发泡、稳泡特性使黄泥浆液能大范围扩散、高位堆积，而黄泥也能起到骨架支撑的作用，使溶液增稠，更能增加其稳泡效果和保水效果，最终实现高位遗煤的治理，避免了黄泥浆液的浪费和对工作面生产的影响。

应用工艺：利用矿井原有的黄泥灌浆系统，在井下铺设的注浆管路尽量靠近采空区治理区域的位置，通过三通连接易克特注浆设备进行材料添加。

4 应用效果

1）6125-1工作面通过回采期间的底抽巷高位孔精准注氮，注氮后采空区氧气浓度有效控制在5%以下。

2）6125-1工作面回采期间采用针对性精准注浆、条带式分块注浆的综合治理措施，推采期间，工作面CO 始终保持在2.4×10-5及以下，未出现C2H4、C2H2等稀有标志性气体，保证了工作面安全推采。

5 结语

1）针对工作面的遗煤分布及大采空区漏风情况下常规预埋管注氮效果不理想问题，提出了底抽巷高位孔精准注氮技术，对遗煤及漏风重点隐患区域进行大流量持续精准注氮惰化。

2）针对工作面俯采期间常规灌浆顺沟流、溃浆不能向高位扩散以及大采空区连通状态下遗煤分布不均问题，提出了底抽巷针对性精准注浆、条带式分块隔离灌浆技术，在矿井现有的黄泥灌浆基础上，采用易克特、复合胶体等黄泥浆增效新技术有机结合，实现了采空区低、中、高位遗煤的覆盖包裹、冷却降温，有效控制了工作回采期间的采空区遗煤氧化自燃隐患。