五虎山煤礦010910工作面復合采空區注漿防滅火效果分析

彭榮富，萬祥云，賈 炳，孫蘭會，王文軍，李文善，陳寶義

（1.河南城建學院，河南 平頂山 467036；2.河南省水體污染防治與修復重點實驗室，河南 平頂山 467036；3.煤科集團沈陽研究院有限公司，遼寧 撫順 113122；4.煤礦安全技術國家重點實驗室，遼寧 撫順 113122）

我國經濟發展對煤炭資源的需求呈正相關，隨著開采深度的增加很多礦井在進行采掘規劃時面臨著上下煤層間距小、煤層薄的現狀，使得有些礦井不得不選擇對上下層近距離煤層進行同時開采[1]。當選擇對兩近距離煤層進行分層開采時，由于下層煤開采后隨著頂板垮塌與上覆工作面采空區形成一體化復合采空區，形成的復合采空區具有遺煤量大且上覆采空區遺煤呈現高位散落賦存狀態、氧化時間長且對其定向進行阻化處理的難度系數較大，故復合態采空區自然發火危險程度顯著升高[2]。與此同時，形成的復合采空區因其空間垮落大、漏風通道復雜、氣體分布規律難以掌握等特點，進一步導致其治理難度加大。因此，針對近距離煤層規模化開采后形成復合態采空區治理難點問題，必須應對其重點區域進行定向監測、定向治理以解決自然發火防治問題。

1 工作面概況

五虎山煤礦010910 工作面是9#煤層布置的第10 個綜采工作面，工作面走向長度1 000 m，傾斜長度300 m，煤層設計采高為1.8 m。本層010910 工作面正常回采期間1 d 割煤4 刀，推進約3 m。本層采空區距上覆010908 采空區間距平均約10 m，隨著下層工作面推進，頂板垮落后與上覆采空區形成一體化復合采空區，010910 工作面與上覆采空區位置關系圖如圖1。

圖1 010910 工作面與上覆采空區位置關系圖Fig.1 Location diagram of 010910 working face and overlying goaf

由于9#煤層為Ⅱ類自燃煤層，自然發火期較短，由于距離地表垂距小，頂板垮落后形成的復合采空區會形成發育裂隙，進而導致遺煤處于長期漏風供氧氧化狀態[3]。伴隨下層工作面推進緩慢時，極容易導致復合采空區遺煤發生CO 濃度短期突然增大等氧化現象，因此針對復合采空區自然發火特點，應研究一套提前定全方位監測、及時并高效定向立體治理的有效治理措施。

2 復合采空區重點治理區域

受010910 工作面近距離煤層的采動影響，其上覆煤層采空區和本層采空區垮落后，上下采空區相互貫通后形成具有垮落高度大、遺煤呈立體分布等特征的復合采空區。上層采空區遺煤在長期漏風供氧狀態下緩慢氧化使得其自然發火危險更大，因此復合采空區的治理重點為上層遺煤長期漏風供氧形成的氧化帶區域和本層采空區漏風供氧形成的氧化帶區域，通過對重點區域高低位遺煤實施注漿，對其進行立體覆蓋、堵漏、隔氧[4]。

3 復合采空區定向注漿治理方案

針對復合采空區的遺煤分布、圍巖破碎后裂隙分布特征及漏風特征，提出了一套基于上下層立體監測為前提的復合采空區高低位定向聯合注漿治理方案，能根據動態監測結果了解復合采空區真實狀態并能及時對采空區存在的CO 等有害氣體異常且有上升趨勢的區域實施注漿防滅火措施，及時、有效地預防復合采空區遺煤氧化自燃[5]。

3.1 上下層采空區立體監測

對010910 工作面復合采空區采取上下層立體布孔監測，掌握上下層復合采空區“三帶”立體分布規律，為有針對性開展注漿防滅火提供理論指導[6]。010910 采空區自燃“三帶”觀測點布置圖如圖2。上覆采空區豎直自燃“三帶”觀測測點布置圖如圖3。

圖2 010910 采空區自燃“三帶”觀測點布置圖Fig.2 Location of observation points of the “three belt”of spontaneous combustion in the 010910 goaf

圖3 上覆采空區豎直自燃“三帶”觀測測點布置圖Fig.3 Location of observation points of the “three belt”of spontaneous combustion in the overlying goaf

由圖2 和圖3 可知，沿010910 工作面傾斜方向均勻布置編號分別為①、②、③、④ 4 個測點觀測本層采空區氧氣濃度指標，在回風巷豎直向上施工的監測兼治理鉆孔中（孔長度要穿過本煤層及上層煤之間的巖石，到達上層工作面煤底板）布置編號為⑤、⑥、⑦ 3 個測點觀測上層采空區氧濃度指標。根據布置的上下層立體鉆孔，結合連續的取氣分析得出的水平方向以及豎直方向“三帶”結果見表1[6]。

表1 010910 工作面水平方向自燃“三帶”分布結果Table 1 Results of distribution of the“three-belt”of spontaneous combustion in the horizontal 010910 working face

通過表1 結果可知，010910 工作面近距離復合采空區水平方向整體上進風側散熱帶和氧化帶區域相對較大。復合采空區豎直方向自燃“三帶”觀測點O2濃度變化曲線圖如圖4。

圖4 復合采空區豎直方向自燃“三帶”觀測點O2 濃度變化曲線圖Fig.4 Variation curves of concentration of O2 at the“three belts”of spontaneous combustion in the vertical goaf

通過圖4 可知，010910 工作面近距離復合采空內靠近煤層底板的破碎巖體隨著頂板逐漸垮落至采空區底部最先被壓實，壓實后漏風通道部分被阻斷，導致漏風程度和漏風量減小[7]；靠近采空區漏風相對容易的上部空間處于頂板垮落的斷裂帶內，導致漏風量大于底部，氧氣濃度自然也高于底部，同時也使得位于工作面后部約20～40 m 范圍的遺煤將處于長期氧化中，應對該范圍高位遺煤加強注漿治理。

3.2 上下層采空區高低位聯合注漿

由于注漿用防滅火漿液具有地勢高流經地勢低的流動特性，其不能自然狀態下向高處流動并堆積，因此對中、高處采空區散落遺煤起不到有效防治的作用[8]。針對復合采空區遺煤立體分布的特點，應在遺煤上方注漿使漿液自上而下全面覆蓋遺煤以達到對復合采空區高低位遺煤進行立體注漿的目的，故自然而然提出了采空區高低位聯合注漿技術，注漿漿液的土水比為1∶3，注漿后定期檢測注漿滅火區及其采空區內的氣體變化規律、氣溫、煤溫和出水溫度等指標，根據治理效果適當調整注漿工藝[9]。

1）低位密閉注漿。010910 工作面回采一定距離使得本層采空區遺煤處于氧化帶左右時可利用在雙巷之間聯絡巷內的密閉及回風巷上隅角預埋的φ108 mm 注漿管路向后部采空區注漿，其優勢在于注漿位置深入采空區，注漿對工作面影響小，漿液能夠較多的留在采空區內部[10]。復合采空區低位密閉注漿示意圖如圖5。

圖5 復合采空區低位密閉注漿示意圖Fig.5 A diagram grouting low level in the composited goaf area

2）回風巷上隅角高位措施孔注漿。采用010910回風巷高位措施孔注漿時，隨著工作面推進，在回風巷離切眼 90 m 開始，每隔 30 m 左右打 2 組終孔位置在上覆煤層頂板的措施孔對上覆處于氧化狀態的高位遺煤進行注漿，010910 回風巷上隅角高位措施孔注漿剖面圖如圖6。

4 定向注漿效果分析

注漿后本層采空區出水溫度處于較低值，未見明顯高溫跡象，且各密閉氣體含量及出氣氣溫正常。

圖6 010910 回風巷上隅角高位措施孔注漿剖面圖Fig.6 Profile grouting high level in the 010910 crossheading

觀察010910 工作面后方30 m 處復合采空區低位遺煤區域注漿前后氣體變化可知，對重點區域注漿后能有效抑制CO 氣體產生，CO 濃度呈明顯下降趨勢，治理后氧氣也呈現下降趨勢。說明高低位注漿能夠有效覆蓋上下層遺煤，對遺煤、裂隙起到了良好的包裹、封堵作用，聯合注漿防滅火效果明顯。

5 結 論

1）通過回風巷一定距離實施上層高位監測兼治理鉆孔以及利用本層采空區束管監測系統能夠對010910 工作面復合采空區進行全面立體監測。

2）對復合采空區實施高低位聯合注漿能夠抑制復合采空區重點區域高低位遺煤自燃，并能有效覆蓋、包裹遺煤及裂隙，一定程度上阻隔了漏風供氧。

3）現場針對復合采空區進行高低位聯合注漿，發現漿液的黏度、流動性、水土比等因素是影響注漿效果的重要因素。