大傾角綜放工作面老空巷道充填防滅火技術探究

＊李考科 石長坤* 劉基虎

（1.崇信縣百貫溝煤業(yè)有限公司 甘肅 744000 2.徐州礦務集團有限公司 江蘇 320300）

煤自燃是我國煤炭工業(yè)面臨的主要災害之一[1]。小型煤礦中，具有自然發(fā)火危險的礦井占85.3%；大中型煤礦中，有73%的礦井具有自然發(fā)火危險性。近年來，我國廣泛采用綜采放頂煤開采技術，造成采空區(qū)遺留殘煤多、漏風嚴重，導致煤自燃火災頻繁發(fā)生[2-5]。大傾角煤層是指傾角為35°～55°的煤層。然而，開采大傾角煤層比開采近水平煤層更易自燃。在回采中由于綜放工作面內(nèi)的設備多且大，更要保證安全穩(wěn)定的空間，因此工作面過空巷及其防滅火的技術難題一直未能完全解決。這是因為工作面推進到空巷附近時，工作面超前支承壓力過大，支護難以承載導致巷道頂板垮塌從而發(fā)生事故，此外空巷易漏風也易導致瓦斯積聚、自燃發(fā)火，從而威脅礦井的安全生產(chǎn)[6]。

傳統(tǒng)上有兩種過空巷方法：（1）用密集支柱加強空巷頂板的支護；（2）在空巷前停采，以空巷為切眼布置新工作面。密集支柱承載能力過低，在工作面超前支承壓力的作用下，空巷就易產(chǎn)生冒頂和片幫，造成支架的工作阻力急劇升高，從而出現(xiàn)壓壞或壓死支架的事故，將造成重大經(jīng)濟損失[7-9]。而空巷前停采的方法則主要用于炮采或普采等較易搬家的工作面，重新布置工作面不僅增加了搬家的時間及費用，且浪費資源。因此，上述兩種過空巷方法都有極大的局限性。

本文重點對大傾角綜放工作面回采過老空巷綜合防滅火充填技術[10]在崇信縣百貫溝2507工作面回采中的防滅火應用研究，為工作面回采過空巷提供重要的科學依據(jù)及現(xiàn)場實踐經(jīng)驗，力爭提出科學合理適用的解決方案與對策。通過不斷的摸索，得出空巷充填技術在大傾角工作面回采過空巷中的實踐方案，并給予相同條件下的煤層回采提供良好的技術資料。

1.老空巷道充填防滅火技術

(1)充填技術

高水材料充填空巷是一種安全、經(jīng)濟、高效的辦法，保證工作面快速通過空巷。該材料優(yōu)勢見表1。

表1 高水材料充填空巷優(yōu)勢表

從上述力學角度分析：高水材料充填體的抗壓強度較高且具有塑性特征，壓力作用下有較大的塑性變形，強度衰減較緩，并可維持較高的殘余強度。因此，高水材料充填體可以避免由于支承壓力過大發(fā)生的片幫，則在相同強度下就可選取更小的安全系數(shù)，即可降低強度要求。

(2)超高水充填材料

材料細分為甲料、加甲料及乙料、加乙料四部分。

①注漿比例。甲料每袋50kg、加甲料每袋30kg；乙料每袋50kg、加乙料每袋30kg。水灰配比為5:1，即：甲料2袋+加甲料1袋+水650L（桶內(nèi)水高度為650÷3.14÷攪拌桶半徑的平方）乙料2袋+加乙料1袋+水650L（桶內(nèi)水高度為650÷3.14÷攪拌桶半徑的平方）。

注：一噸超高水材料與水充分混合后能充填空巷5m3。

②注漿壓力。由于注漿充填管終孔位置位于空巷內(nèi)，一般注漿壓力為2～3MPa，具體充填壓力跟管路直徑、輸送距離及坡度大小有關，根據(jù)現(xiàn)場實際確定。

③注漿設備及注漿管。注漿設備為2ZBYSB2（19.2～5.7）（0～10）-37型煤礦用液壓注漿泵配合高壓膠管從井下注超高水充填材料。注漿設備兩臺，一備一用。

注：根據(jù)現(xiàn)場情況及泵相關性能估計設備正常情況下一個小班能施工材料10～15t。

④注漿充填漿料混合器。A.2ZB(19.2～5.7)/(0～10)-37KW型煤礦用液壓注漿泵，在使用過程中由于高水材料為兩種不同物料，需要按一定比例在充分攪拌后進行混合才可灌注入充填巷道。兩種材料通過高壓膠管經(jīng)過注漿泵自身所帶混合器混合。長期在本礦井2503回風道注漿環(huán)境條件、距離下使用注漿泵自身混合器，經(jīng)常出現(xiàn)混合器由于高壓灌注出現(xiàn)堵塞、破裂現(xiàn)象。長期以來需要頻繁更換、清理混合器，嚴重影響施工進度，且要花費大量人力物力。無論從安全生產(chǎn)還是從經(jīng)濟效益上考慮，為了更好的提高注漿充填的效率和強度，減少頻繁更換、維修現(xiàn)象，經(jīng)過探討與實踐，結合以往的注漿經(jīng)驗及混合器堵塞實際原理，研制出了本礦注漿使用漿料混合器。

B.注漿充填漿料混合器改進工藝。使用4寸鋼管在其縱向面每10cm加工焊接一個Φ51mm外漏接頭，由于注漿料為兩種，所以焊接四個接頭，兩個使用兩個備用；在鋼管橫切面焊接一個高壓注水接頭；注漿機兩趟管路和高壓注水管路接頭與混合器搭接緊固，混合器另一頭直接與漿液輸送管路搭接緊固。施工前，先使用高壓注水接頭將管路沖洗。然后開啟注漿設備工作，通過計算比例漿液濃稠度增加，開啟高壓管路注水，利用注漿管路距離較長的優(yōu)勢使兩種漿液在管路中充分混合，達到注漿的效果和要求。

圖1 混合器改進示意圖

C.應用效果。經(jīng)過對注漿混合器的改進優(yōu)化，增加了注漿混合器的強度，安全系數(shù)，提高了注漿效率，減少更換混合器及維修時間、次數(shù)。節(jié)約了資源，增加了效益，自2021年3月采用上述注漿混合器以來，從未發(fā)生混合器堵塞、破裂現(xiàn)象，故障率大大降低，為企業(yè)帶來了明顯的經(jīng)濟效益。

(3)注漿工藝

超高水充填材料注漿工藝如圖2所示。

圖2 超高水充填材料注漿

2505工作面老空巷道注漿工作中面臨的問題：一是采用傳統(tǒng)的兩個注漿桶，施工功效較低；二是材料通過斜巷走鉤運送至離注漿巷道最近的地點，運輸效率較低；三是使用注漿器自帶混合器經(jīng)常發(fā)生堵塞現(xiàn)象，需要停泵、沖洗管路系統(tǒng)、更換注漿混合器，影響施工進度。針對以上問題進行研究分析后，提出了優(yōu)化后的百貫溝老空巷道注漿工藝，多桶協(xié)同攪拌、長距離混合灌注注漿工藝。

2507工作面注漿充填巷道為2503回風道、降低材料道，其中2503好回風道巷道較長，貫穿二采區(qū)回風上山和2507材料道、2507運輸?shù)理敯澹捎脗鹘y(tǒng)注漿工藝需要通過斜巷走鉤不間斷的將高水材料運送至2503回風道注漿設備安裝地點。這樣的工作方法過于繁雜，耗時。通過現(xiàn)場分析，共同研究后提出，使用2503回風道原有的Φ108mm無縫鋼管，管路系統(tǒng)自2503回風道上口一直延接至2530回風道下口和降低材料道上口，與灌注超高水材料的管路系統(tǒng)路徑一致。注漿設備安設在2503回風道上口，使用改進升級后的注漿漿料混合器與注漿設備搭接。由于，2503回風道巷道自帶-18°角度，利用這一高差優(yōu)勢將注漿設備泵入混合器后的漿料，順著2503回風道管路自回風道上口直接灌注至2503回風道和降低材料的注漿點。管路不及之處，采用人工挖溝槽的方式使?jié){料自流灌注。

2507工作面兩條老空巷道，除了采用新式漿料混合器、長距離管路管道自流灌注外，還采用了四桶協(xié)同攪拌灌注。開始時兩邊兩個桶都加滿水和充填料，充分攪拌后進行泵送，每次只泵送甲料一桶、乙料一桶，待兩桶泵送完后立即將吸漿管放入其他兩個桶；工人師傅再對兩個空的攪拌桶重新加水加料攪拌，如此反復。這樣的多桶協(xié)同拌料法，不僅減少了注漿設備關停的頻率，而且也很好的保護了長距離的注漿輸送管路，防止注漿泵經(jīng)常性的關停后造成注漿輸送管路堵塞，減少了不必要的麻煩。

(4)充填施工安全技術措施

①注漿站設備及材料必須堆放整齊，不得亂堆亂放，設備及充填料必須放置在無淋水地點。②充填注漿施工前，必須首先檢查施工地點巷道支護情況，若有隱患問題必須提前排除。③充填注漿施工前，必須檢查設備完好情況以及注漿管路連接情況，設備不完好或故障要及時檢修，注漿管路必須使用耐壓管路，且管路接頭必須使用專用“U”型插銷。④充填漿液必須按照規(guī)定比例制漿，且充填漿液必須攪拌均勻。制漿時，要防止其他雜物進入漿液而堵塞注漿管。⑤制漿時，制漿工必須佩戴專用護手套和護目鏡，且在漿液攪拌時注意保護眼睛，一旦漿液不慎飛入眼內(nèi)，要立即用清水清洗眼睛。⑥充填注漿時，安排人員隨時注意充填范圍里側封閉墻受壓情況及是否漏漿，否則要及時停止充填并處理。⑦在注漿過程中，應巡回檢查管路情況，發(fā)現(xiàn)問題及時處理。⑧封閉充填參數(shù)及通風方式選擇。

A.巷道封閉采用磚混結構施工，計劃需要施工磚混結構封閉墻17道；墻厚60cm。B.巷道充填過程中，采用2×11kW軸流式局部通風機通風。C.巷道充填期間，巷道供風量必須滿足要求。杜絕無風、微風、循環(huán)風作業(yè)。

2.應用效果分析

2507工作面兩條老空巷道共使用高水充填材料約1120t，材料花費約350萬。通過對2507工作面大傾角回采過老空巷道防滅火采用高水材料充填、煤層氧化分析、研究，采取預報分析、防填結合等有效、可控的綜合防滅火技術。2507工作面自2021年8月下旬開始揭露2503回風道老空巷道至2021年10月底，2507工作面兩條頂板老空巷道全部揭露回采安全通過。

揭露期間經(jīng)過現(xiàn)場觀察和監(jiān)測，工作面過空巷時，老空巷道頂板及兩幫由于有效支護，采煤機直接切割充填體，那么上部充填體就成為了直接頂。由超高水材料固結形成的充填體具有較大的承載力，大部分強度達到5MPa，局部甚至達到了6MPa，足以支撐基本頂。同時充填體能夠傳遞液壓支架的支護阻力，所有液壓支架的初撐力均能達到24MPa，保持了墻壁及頂板完整性。此外超高水材料還具有一定的流動性和滲透性，漿液被擠壓后會滲透到圍巖裂隙中并發(fā)生固結，在圍巖中形成了網(wǎng)絡骨架結構，呈層狀、網(wǎng)狀、脈狀分布，構成圍巖復合結構；而在圍巖淺部，充填漿液固結體則呈薄厚不一的片狀或條狀分布，幾乎可相互連通形成網(wǎng)絡骨架，固結體具有良好的韌性和粘結性，能將破碎圍巖粘結成整體，從而為工作面回采過老空巷道起到完美堵漏風防滅火作用，實現(xiàn)杜絕工作面在大傾角回采過老空巷道期間自燃發(fā)火的目的。雖然，使用高水材料前后材料費、設備投入費用以及人工費用共計約500萬，但是達到的防滅火效果和為公司帶來的長遠經(jīng)濟效益是不可估量的。