無機防滅火材料在大采高工作面自燃災害防治中的應用

祁 琳

（陽泉煤業（集團）有限責任公司， 山西 陽泉 045008）

陽泉煤業（集團）有限責任公司（全文簡稱陽煤）一礦主采15 號煤層，煤層埋深為449～608 m，煤層最大厚度7.70 m，最小厚度6.60 m，平均厚度6.98 m。81303 大采高工作面南方為81301 采空區，沿煤基本頂破直接頂板掘進，與相鄰采空側工作面間煤柱寬度8 m。

81303 小煤柱工作面煤層節理裂隙發育，自然發火等級為Ⅲ類；需對煤柱側采空區注無機防滅火材料，防止自然發火。

1 無機防滅火材料簡介

無機防滅火材料為一種在高水灰比條件（W/C=（8～10）∶1）下快速凝結的新型防滅火材料，按1∶1 的比例配合使用。該材料單組份加水不凝結，而兩組份一旦混合則快速凝結，可長距離輸送。混合后根據需要在規定時間內凝固，凝結體吸水時間長，固水時間長，并有失水再生能力，且受熱失水速度慢，具有較好的致密性、堆積性、附壁性，可提高滅火效能和滅火速度，并有效阻止復燃。

2 無機防滅火材料防滅火機理

1）無機防滅火材料可覆蓋采空區浮煤，隔絕氧氣。

2）無機防滅火材料漿液體積含水量達89%，有效抑制煤層自燃。

3）無機防滅火材料漿液滲透性強、流動性好。無機防滅火材料在甲料漿和乙料漿按1∶1 的比例配合使用時，才能達到最好的凝固效果和強度效果，兩種漿液配比不均會嚴重影響材料的使用效果，因此選用雙液注漿泵進行施工。

3 無機防滅火材料封堵加固煤柱

注漿后的巖體增加了由加固材料形成的漿脈，將裂隙附近的巖石單元由二向應力狀態轉變成三向受力狀態，顯著提高破碎巖石的極限強度，起到了轉換破壞機理和增加巖體強度的作用，而且巷道破碎煤巖體注漿后，凝固后的漿液固結體將封閉圍巖的裂隙，使破碎煤巖體形成一個整體，提高承載能力，增大圍巖的強度，大大減小巷道變形。

81303 工作面回風側煤柱存在不同程度的破裂、破碎，導致裂隙增大，增加了采空區的漏風量，加速了遺煤氧化蓄熱[1]。針對小煤柱未加固過的、且出現瓦斯涌出及老采空區對工作面巷道漏風的部分，通過對煤柱內部注入無機防滅火材料，與煤體形成固結體，不僅可以加固破碎的煤體，更主要的是可以封堵煤柱中的裂隙，阻止風流進入采空區，隔絕含氧環境。

3.1 注漿材料

注漿材料選用無機防滅火材料。

3.2 注漿參數

注漿參數主要有：水灰比、注漿壓力、注漿量、注漿孔布置等。

1）水灰比。根據實驗室試驗結果，綜合考慮井下施工條件，漿液固結強度及材料消耗等因素，確定漿液的水灰比1.5∶1.0。

2）注漿壓力。注漿壓力一般不超過2 MPa。根據81303 工作面小煤柱破碎情況以及設計的滲透范圍，確定注漿終止壓力為1.5 MPa。注漿中，當注漿孔達到設計終壓后，關閉注漿泵3～5 min，當注漿壓力明顯下降時，再點動開啟注漿泵，直至注漿壓力穩定在注漿設計終孔壓力值（1.5 MPa）不再下降，即可停機。

3）注漿孔布置和孔深。注漿孔布置的原則主要是保證漿液盡可能多且均勻地滲透到小煤柱中，注漿管要打到小煤柱內部。

如圖1 所示，注漿孔布置一排，孔間距均為4 m，鉆孔直徑為32 mm，鉆孔為上行孔，仰角為7°，孔長4.03 m，開孔高度為1.5 m，終孔位置位于煤體內部且豎直方向高于開孔處0.5 m（具體參數可根據現場施工情況作調整）。

圖1 注漿孔布置圖（mm）

3.3 注漿設備及注漿管

充填設備為電動雙液注漿泵。充填需要的主要設備及參數見表1 所示。

表1 注漿主要設備一覽表

注漿管采用外徑20 mm，長4 m 的PVC 管制作，內徑8 mm，壁厚6 mm，外端加工50 mm 長M20外螺紋。注漿管里段2.1 m 部分加工6 組（12 個）Φ6 mm 出漿孔，封孔長度1 870 mm。

3.4 注漿施工工藝

無機防滅火材料充填工藝如圖2 所示。

無機防滅火材料充填工藝系統包括無機防滅火材料制漿系統、輸送系統和充填區域三部分。制漿系統由4 個攪拌桶組成，2 個攪拌甲料漿，另外2 個攪拌乙料漿，制漿時分別往1、2 號與3、4 號攪拌桶中加入規定要求的水，然后往1 號攪拌桶中加入加甲料、甲料，攪拌5 min 制成甲料漿，往2 號攪拌桶中加入加甲料、甲料，攪拌5 min 制成甲料漿備用；往3 號攪拌桶中加入加乙料、乙料，攪拌5 min 制成乙料漿，往4 號攪拌桶中加入加乙料、乙料，攪拌5 min制成乙料漿備用。漿液制好后，通過雙液注漿泵同時吸1 號攪拌桶中的甲料漿和3 號攪拌桶中的乙料漿，甲料漿和乙料漿通過兩趟高壓膠管分別輸送，在注漿點通過混合器將甲料漿和乙料漿混合后注入注漿區域。待1 號桶和3 號桶中的漿液注完后，立即調換吸漿管路，注2 號桶中的甲料漿和4 號桶中的乙料漿，同時在1 號桶和3 號桶中加水制漿，實現連續注漿[2]。

圖2 無機防滅火材料充填工藝示意圖

鉆孔布置要求：鉆機采用山東祥德生產的ZDY-4200LPS(A)型鉆機，Ф75 mm 的鉆頭，具體孔徑根據封孔要求來確定；按照第5 章的封孔工藝進行封孔，其中封孔（PD 材料）注漿段約為1.5 m；封孔后，PD 材料凝固需要24 h，所以需要24 h 后再注無機防滅火材料對煤柱進行加固。

4 無機防滅火材料防止采空區自然發火

采空區存在大量遺煤、浮煤，在風流不斷流入的情況下，提供了很好的氧氣環境，有利于遺煤、浮煤不斷氧化。當氧化放熱積蓄到足夠量的時候，可發生自燃。向采空區注入無機防滅火材料，可以覆蓋遺煤、浮煤，隔絕氧氣，有效阻止其進一步氧化[3]。而且，無機防滅火材料中的大量水分可以吸收遺煤的蓄熱，熄滅著火的高溫自燃煤體，降低自燃危險。

4.1 充填材料

注漿材料選用無機防滅火材料。

4.2 充填參數

充填參數主要有：水灰比、注漿壓力、注漿量、注漿孔布置等。

1）水灰比。根據實驗室試驗結果，綜合考慮井下施工條件，漿液固結強度及材料消耗等因素，確定漿液的水灰比8∶1。

2）注漿壓力。由于注漿充填孔終孔位置位于采空區垮落巖石中，具體充填壓力根據現場實際確定。

3）充填量。預計每孔充填量為3 t 無機防滅火材料。

4）注漿孔布置和孔深。充填孔布置的原則主要是保證漿液盡可能多、均勻滲透到破碎圍巖中，根據充填工程實踐及實驗室試驗結果，注漿孔布置見圖3。每排1 個孔，鉆孔為上行鉆孔，仰角約為10°，鉆孔直徑為75 mm，孔深9.6 m。其中，200～300 m、500～600 m、1 500～1 700 m 這三個區段，鉆孔排距為20 m；300～500 m、1 000～1 100 m、1 400～1 500 m 這三個區段，鉆孔排距為10 m；600～1 000 m、1 100～1 400 m 這兩個區段，鉆孔排距為6 m（具體參數可根據現場施工情況作調整）。

圖3 注漿充填孔布置圖（mm）

4.3 充填設備及注漿管

充填設備為電動雙液注漿泵。充填需要的主要設備及參數見表1 所示。注漿管采用外徑20 mm，長9.6 m 的PVC 管制作，內徑8 mm，壁厚6 mm，外端加工50 mm 長M20 外螺紋，封孔長度8 000 mm。

4.4 充填工藝

無機防滅火材料充填工藝同4.1.所述。

5 現場應用效果

2018 年2 月開始回采，通過三個月的觀測，81303回采過程中通過定期取樣檢測孔內部溫度、一氧化碳及氧氣等數據，鉆孔溫度均未超過臨近巷道溫度3 ℃以上，一氧化碳濃度未未出現明顯波動，無自燃發火征兆。81303 工作面回風巷混合口風流中的瓦斯濃度為0.7%左右，回風上隅角瓦斯濃度平均0.5%左右，煤壁瓦斯溢出量0.1%左右，封堵了回風巷和相鄰采空側間氣體流動通道，同時有效覆蓋遺煤、浮煤，隔絕采空區存在大量遺煤、浮煤和氧氣的接觸，阻止其進一步氧化，有效阻止煤體自燃，大大降低了采空區自燃發火性危險。

6 結語

81303 工作面采空側小煤柱通過注入無機防滅火材料，不僅有效改善了小煤柱煤體結構的強度，而且覆蓋了相鄰采空側落山遺煤、浮煤，隔絕氧氣，有效阻止煤體自燃，降低了采空區自燃發火性危險，解決了一礦小煤柱工作面自然發火嚴重制約安全的生產隱患，保證了工作面正常生產推進，為陽煤一礦小煤柱工作面安全生產積累了寶貴經驗，同時對下一步陽泉礦區小煤柱工作面自燃發火治理技術研究應用具有積極的推進和借鑒意義。