8203面采空區(qū)“三帶”分布及防滅火技術(shù)應(yīng)用

田野

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán) 泰山隆安煤礦，山西 忻州 036600）

0 引 言

煤炭作為我國主要能源，現(xiàn)階段以及未來相當(dāng)長時(shí)間內(nèi)都不會發(fā)生改變[1]。隨著我國煤炭資源開采技術(shù)的提升以及淺部煤層儲量的消耗，煤炭開采正逐步向深部延伸，由于深部環(huán)境的特殊原因，井工環(huán)境復(fù)雜性凸顯，尤其是高地溫導(dǎo)致煤處于氧化和蓄熱狀態(tài)，甚至自燃[2-3]，因此，對于深井高地溫工作面采空區(qū)，控制地溫是預(yù)控采空區(qū)煤體自燃的關(guān)鍵因素。

1 概 況

泰山隆安煤礦8203綜采工作面主采8號煤層，平均厚度為4.4 m，平均傾角為5°，屬于近水平煤層，具有自燃傾向性，自燃等級為Ⅱ級，煤塵具有爆炸性。煤層頂板巖層主要為泥質(zhì)巖，包括泥巖、砂泥巖、粗砂巖、中砂巖等，底板主要以泥巖和粗砂巖為主。8203工作面走向長度625 m，傾斜長度240 m，相對瓦斯涌出量為7.1 m3/t。工作面回采期間，檢測66、78號聯(lián)巷處CO濃度，檢測結(jié)果顯示最高CO濃度檢測值為42 ppm，平均濃度23 ppm，為防止8203工作面采空區(qū)煤炭自燃，引起CO濃度偏高，影響生產(chǎn)安全，計(jì)劃針對8203綜采工作面采空區(qū)溫度最高的升溫帶采取注漿防滅火技術(shù)方案。

2 采空區(qū)溫度分布規(guī)律

為探明8203綜采工作面采空區(qū)溫度分布，采用數(shù)值模擬軟件Comsol進(jìn)行空間耦合建模，并選用滲流場和擴(kuò)散場來監(jiān)測風(fēng)速和氧氣濃度[4]，根據(jù)工作面尺寸，設(shè)定模型空間尺寸為600 m×470 m×40 m，采用負(fù)壓式通風(fēng)，風(fēng)流自進(jìn)風(fēng)巷進(jìn)入采空區(qū)，而后由回風(fēng)巷回風(fēng)。進(jìn)風(fēng)巷寬為5.4 m，風(fēng)速為1.38 m/s，回風(fēng)巷寬為5.6 m。工作面回采保持持續(xù)作業(yè)，待模擬結(jié)束后產(chǎn)生長×寬×高為550 m×280 m×40 m的采空區(qū)，氧氣濃度及漏風(fēng)特征如圖1所示。

圖1 采空區(qū)氧濃度分布及漏風(fēng)等值線圖Fig.1 Contour map of oxygen concentration distribution and air leakage in goaf

由圖1分析可知，風(fēng)流流經(jīng)工作面后，進(jìn)入回風(fēng)巷，采空區(qū)內(nèi)部的壓力場呈弧形分布，并且自進(jìn)風(fēng)巷至回風(fēng)巷，壓力呈遞減趨勢。經(jīng)現(xiàn)場風(fēng)壓測定可知，自進(jìn)風(fēng)巷至回風(fēng)巷靜壓平均降低98 Pa，說明采空區(qū)存在漏風(fēng)現(xiàn)象，中部漏風(fēng)情況尤為嚴(yán)重。由圖1（a）可知，進(jìn)風(fēng)側(cè)氧氣濃度相較回風(fēng)側(cè)偏高，根據(jù)氧氣濃度在16%以上、8%~16%、8%以下范圍可將采空區(qū)分為散熱帶、升溫帶、窒息帶。由圖1（b）可知采空區(qū)漏風(fēng)風(fēng)速大于0.004 m/s時(shí)；與散熱帶對應(yīng)，當(dāng)漏風(fēng)風(fēng)速在0.004~0.001 7 m/s時(shí)，對應(yīng)升溫帶；窒息帶的漏風(fēng)風(fēng)速小于0.001 7 m/s。

綜上所述，升溫帶在采空區(qū)進(jìn)風(fēng)側(cè)范圍為180~390 m，采空區(qū)中部為150~360 m，回風(fēng)側(cè)為60~190 m，在此區(qū)域煤層自燃概率較大，應(yīng)采取相應(yīng)措施，預(yù)控煤層自燃，保障工作面安全。

3 注漿防火滅火技術(shù)措施

3.1 注漿方案

注漿的漿液主要是黃土與水的攪拌物，黃土選取時(shí)保證其含水率小于8%，相對密度Gs約為2.6，塑性指數(shù)約為12。攪拌成漿液時(shí)，按照水土比為3∶1~5∶1進(jìn)行配比，具體注漿量的計(jì)算公式如下。

式中：Q為注漿量；Ks為備用系數(shù)，取1.1~1.25；為水土比例；H為頂部煤層剩余厚度；Ls為注漿斜長；Lt為注漿橫長；n為煤層孔隙率；p為漿液修正系數(shù)，取0.89。

為保證回采作業(yè)不受影響，注漿作業(yè)一般置于工作面推進(jìn)距離達(dá)300 m后進(jìn)行，通過聯(lián)巷密閉進(jìn)行注漿時(shí)，注漿點(diǎn)應(yīng)與工作面保持100 m以上距離。

8203工作面升溫帶注漿措施是基于注漿管道的漿液擴(kuò)散半徑計(jì)算[5-6]，為保證漿液在采空區(qū)達(dá)到最大覆蓋率，注漿鉆孔布置為2組，以V型排列，第一組為5個(gè)鉆孔，布置在65～67聯(lián)巷附近，鉆孔間距30.8 m；第二組為10個(gè)鉆孔，布置在79～83聯(lián)巷附近，間距32 m，具體布置形式如圖2所示。

圖2 第二組V型鉆孔布置示意Fig.2 Arrangement of The second set V-type drilling

注漿鉆孔由地表對應(yīng)點(diǎn)進(jìn)行鉆進(jìn)作業(yè)，直接從地面垂直注漿，由于埋深大于200 m，為保證注漿效果，應(yīng)適當(dāng)增加注漿壓力。從鉆孔至注漿連續(xù)作業(yè)，初始采用φ650 mm鉆頭鉆進(jìn)，至裂隙帶后先用φ530 mm護(hù)管進(jìn)行固定，下部可采用φ350 mm的鉆頭鉆進(jìn)，直至基巖下2 m處，用φ273 mm護(hù)管保護(hù)，最后用φ215 mm鉆頭鉆至冒落帶，使用φ159 mm套管防護(hù)。在鉆孔、閥門、護(hù)管、套管等安裝完畢后，進(jìn)行密閉封堵處理，具體設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3 注漿鉆孔設(shè)計(jì)Fig.3 Design of grouting borehole

該次漿液制作時(shí)采用的水土比為3∶1的比例混合而成，注漿作業(yè)結(jié)束后，使其沉淀形成黃泥漿鋪于煤層底板處，水經(jīng)疏水槽進(jìn)行疏放作業(yè)，疏水完成進(jìn)行下一注漿循環(huán)作業(yè)，至黃土注滿后，結(jié)束注漿作業(yè)，在每一次注漿時(shí)記錄注漿壓力和注漿量的變化數(shù)據(jù)。最后注漿時(shí)間共計(jì)一個(gè)月，注水量共計(jì)2.03×105m3，使用黃土量共計(jì)8.6×104m3。

3.2 注漿效果

為探究注漿技術(shù)對于高溫異常區(qū)域的防滅火效果，并對井口排出氣體進(jìn)行采樣化驗(yàn)分析，溫度和CO氣體監(jiān)測數(shù)據(jù)如圖4所示。

圖4 高溫區(qū)域注漿后采空區(qū)溫度和CO濃度曲線Fig.4 Temperature and CO concentration curve of goaf after grouting in high temperature area

由圖4可知，8203工作面采空區(qū)升溫帶實(shí)施注漿后，采空區(qū)CO濃度下降至2.4 ppm左右，地面鉆孔溫度穩(wěn)定于16℃，采空區(qū)升溫帶得到了有效治理，后續(xù)的回采作業(yè)得以順利進(jìn)行。

4 結(jié) 論

（1）采用Comsol數(shù)值模擬，根據(jù)氧氣濃度和漏風(fēng)風(fēng)速變化情況，分析可知8203工作面采空區(qū)進(jìn)風(fēng)側(cè)、中部和回風(fēng)側(cè)存在散熱帶、升溫帶和窒息帶，“三帶”溫度呈梯段式分布。

（2）8203工作面采空區(qū)升溫帶注漿后，通過監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示升溫帶溫度大幅度降低，地面鉆孔溫度穩(wěn)定于16℃，采空區(qū)CO濃度下降至2.4 ppm左右，煤體自燃現(xiàn)象得到了有效控制，防滅火效果明顯，能夠保證后續(xù)回采工作安全。