潞寧煤業副斜井老空區注漿防滅火技術

張 斌

(潞安集團 潞寧煤業公司，山西 忻州 036000)

1 工程概況

潞寧煤業副斜井長度為730 m，傾角14°，斷面凈寬×凈高=4.5 m×4 m，采用砌碹支護，其正上方為礦井聯合調度中心，在其西側12 m處是9 m高的護坡，護坡西側存在原老窯采空區和殘留巷道，均布置于2號煤層內(距地表平均垂深約24 m)，在護坡西側5～10 m植被出現被“熏焦”現象，約30 m處的巖石有明顯的因溫度升高所導致的顏色加深，說明老空區中存在火區，其產生的有毒有害氣體向副斜井涌入，異常涌出的有毒有害氣體嚴重威脅到礦井的安全生產，急需采取有效措施進行治理作業。

2 注漿防滅火方案設計

2.1 治理總體技術方案

根據潞寧煤業副斜井治理區域為老窯露頭開采破壞區，采空區上覆巖層較破碎，裂隙極為發育，采空區與外界空氣連通較好，漏風嚴重，同時，該區域存在自燃現象，采空區內溫度較高且生成大量有毒有害氣體，由于塌陷，已造成地表移動。基于上述特點，確定采用注漿施工防火隔離帶的措施，治理的總體流程為：通過地表打孔注漿作業，對采空區內易自燃氣體進行有效驅逐，并對老空區上方的巖層形成有效支撐，以阻止其進一步冒落造成地面沉陷變形[1-3]，在施工過程中遵循“先降溫后加固”、“先帷幕后充填”的原則進行，實施“打鉆—測溫—降溫—加固—打壓—檢測”等一系列工序，總體技術方案見圖1。

2.2 方案設計

1) 治理范圍探測。由于治理區域為老窯破壞區，地質條件不明、巷道布置及采掘破壞情況不清，現采用MQT-130A型鉆機+φ65 mm雙翼鉆頭和+φ42 mm中空接長鉆桿進行探孔施工，共布置探孔40個，具體探測鉆孔布置平面見圖2。

圖1 注漿防滅火隔離帶施工總體技術方案

根據探測老空區鉆孔的驗證結果可知，副斜井破碎層及采空區主要位于地表至21.0 m處，在儲氣罐西側采空區(27號孔、32號孔、36號孔揭露)存在煤層燃燒現象，地下高溫及采空區對儲氣罐及瓦斯管道安全運行形成極大隱患，另外得出該區域采空區空洞厚度在0.2～7.0 m，一般約5.0 m。

2) 治理范圍確定及鉆孔布置。根據潞寧煤業副斜井防滅火治理區域的具體地質條件以及探鉆施工結果，確定本次施工范圍為北邊以副斜井井口為界、東邊以護坡為界、南面以瓦斯抽放管支撐梁南2 m為界、西邊以瓦斯抽放管支撐梁西2 m為界，總面積約25 m×80 m(約2 000 m2)，具體范圍見圖3。

圖2 探測老空區鉆孔布置位置示意(m)

圖3 治理范圍示意(m)

依據前期工程探測鉆孔及調查情況，本次設計孔深10.0～25.0 m，平均20.0 m，設計共布置五排鉆孔，孔間距5.0 m，排距根據地形布置為5.0～6.0 m，按此原則共布置注漿孔83個，外側布置1排帷幕鉆孔，其中1～17號、33號、50號、66號及83號孔為帷幕孔，其余孔為一般注漿孔。

3) 注漿材料。本次注漿防滅火隔離帶的施工中使用的注漿固相材料為水泥、粉煤灰，液相材料為水，固相材料中水泥占30%和15%，粉煤灰占70%和85%。漿液水固比采用1∶1 。帷幕孔及注漿量大的注漿孔視情況投入1～2 cm的石料。

4) 注漿鉆孔施工工藝。①用D108 mm鉆頭開孔，開孔孔徑控制在110 mm以上，鉆進至完整基巖面下1.0～3.0 m后，下入D89 mm的花管，花管末端進入完整基巖不小于0.5 m；②在鉆進工程中如塌孔，在原孔位應重新采用跟管鉆進，跟管鉆進采用D108 mm錘頭的潛空錘，跟管鉆進至完整基巖下不少于3.0 m終孔，成孔后松動套管，下入D89 mm的花管，花管末端進入完整基巖不小于2.0 m；③封孔，安裝帶D120～130 mm法蘭托盤的D50 mm注漿管于變徑的位置處，在孔壁周圍放置一定量的砂石，隨后在砂石中放置粘土，然后灌入水灰比0.67的水泥漿，設置封孔長度為30 m。

注漿施工順序：①注漿作業分二次進行，先施工帷幕孔，再施工注漿孔，當煤層有傾角時，應先施工煤層底板較低處，再施工煤層底板較高處；②根據孔底溫度檢測，當溫度超過70 ℃時，首先進行注漿降溫，直至溫度降至70 ℃以下再進行注漿加固；③注漿工作應間隔式分序次進行，從而提高充填率；④每孔注漿作業前均須對鉆孔進行有效的清洗，洗孔的時間應約10 min，另外針對打設過程中探明的軟巖為其主要成分的鉆孔，在注漿作業前可以不進行壓水洗孔作業；⑤注漿前應量測注漿孔的孔深、水位，當實測孔深與終孔孔深相差較大時，應掃孔至設計標高；⑥在注漿施工的開始階段，注意搜集整理各地段各種配比漿液的灌注充填情況，獲取更為合理的注漿施工參數；⑦對于小窯采空區，要做好施工中注漿情況的分析整理和及時反饋，對漿液的配制和灌注進行適當的調整，最終實現治理工程的經濟、合理、優質、高效；⑧封孔，做到不漏氣，注漿結束。

3 應用效果分析

3.1 注漿情況

副斜井治理區域注漿施工共灌注鉆孔88個，共計完成總注漿量為11 361.94 m3，其中最大單孔注漿量409.60 m3，最小6.22 m3，平均129.11 m3。共計水泥用量為1 471.4 t，粉煤灰用量為6 138.028 t，水用量為7 609.428 t，速凝劑8.925 t。

3.2 注漿效果考察

為分析副斜井注漿防滅火的應用效果，注漿施工前在注漿區域打設檢驗鉆孔，檢驗鉆孔共計打設2個，兩個鉆孔平行于護坡方向的間距為30 m，垂直于護坡方向的間距為10 m，鉆孔打設完畢后通過在鉆孔內設置氣樣監測點，持續對鉆孔內的CO含量進行有效監測，根據監測結果得出，CO的體積分數變化曲線見圖4。

圖4 注漿后治理區域CO濃度變化曲線

由圖4可知，在副斜井注漿施工的前期，CO的體積分數出現升高較快的趨勢，這是由于漿液注入到老空區后，大量占據了CO原有的存在空間，進而使得CO的含量出現升高，隨著注漿作業的進行，老空區內CO逐漸滲透排出，CO的含量逐漸平緩的降低，治理區域經過近一個月的注漿作業后，老空區內CO的濃度大量降低，1號檢查孔CO的體積分數由最高的1.26×10-3降低至1.20×10-4，2號檢查孔CO的體積分數由最高的8.40×10-4降低至0，有效降低了老空區內CO的含量。另外根據對治理區域地面巖石及植被的長期觀測知，注漿施工完畢后，地面植被無“熏焦”現象出現，巖石顏色也均未再出現因高溫顏色加深的現象，基于此可知，注漿防滅火效果顯著。