粘土注漿在煤礦CO 濃度超限治理中的應用

朱巖光

（1.河北煤炭科學研究院有限公司，河北 邢臺 054000；2.河北省礦井微震重點實驗室，河北 邢臺 054000；3.河北省礦井物探工程研究中心，河北 邢臺 054000；4.礦井水害探測與防控國家礦山安全監(jiān)察局重點實驗室，河北 邢臺 054000）

0 引 言

我國煤礦煤炭自燃現(xiàn)象非常嚴重，煤層自燃除了會釋放出大量的熱量、燒毀資源和設備外，還會釋放出大量有毒有害氣體，例如CO。CO 作為檢測煤炭早期自然發(fā)火的標志性氣體，已得到業(yè)內大多數(shù)專家認可。井下煤炭氧化及自燃所產生的CO，有可能會隨著工作面的漏風泄入工作面，從而破壞生產環(huán)境，威脅井下工人生命和健康，影響工作面的正常生產。我國《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定，回采工作面CO 濃度不得超過0.002 4%，當井下CO 濃度超限時，除因爆破和爆炸而產生CO 外，極有可能是由于煤層發(fā)生自燃或其他火災引起的，因此需要采取一定的措施來治理煤礦CO 濃度超限的問題。

神木市隆巖煤業(yè)有限公司就因煤層自燃等因素，發(fā)生了3101 綜采工作面回風隅角CO 濃度超限的問題，針對煤礦CO 濃度超限原因，采取了相應的治理措施后，有效的控制了CO 濃度超限問題。

1 礦井及工作面概況

神木市隆巖煤業(yè)有限公司（以下簡稱“隆巖煤礦”）屬于資源整合礦井，是在原神木縣孫家岔鎮(zhèn)宋家溝煤礦、神木縣孫家岔鎮(zhèn)馮塔煤礦、神木縣孫家岔鎮(zhèn)廟灣煤礦的部分區(qū)域整合而來。整合區(qū)包括了原馮塔煤礦的全部，原宋家溝煤礦的東半部和原廟灣煤煤礦的東半部。該礦井主要開采煤層為3-1、4-2、5-2煤層，該礦于2015 年10 月完成礦井建設，2015 年12 月進入聯(lián)合試運轉階段。但由于受鄰近創(chuàng)威煤礦和果樹塔煤礦自然火災蔓延的影響，使得礦區(qū)工業(yè)廣場南部和井田北部1-2、2-2煤房柱式采空區(qū)存在火燒隱患區(qū)域，為了消除井田3-1煤層上覆1-2、2-2煤層采空區(qū)遺煤自燃隱患，從2015 年5月開始，隆巖煤礦對井田內的火燒隱患區(qū)域進行露天開挖剝離的方式進行治理，開展了火燒隱患治理一期、二期和三期工程，并于2020 年12 月底治理結束。隆巖煤礦火燒隱患治理后，火燒隱患治理區(qū)域周邊未發(fā)現(xiàn)殘存高溫點，但存在積存的CO 等有毒有害氣體。

2 工作面回風隅角CO 濃度超限情況及來源分析

2.1 工作面回風隅角CO 濃度超限情況

隆巖煤礦3101 綜采工作面目前回采50 m 左右，在2021 年9 月14 日下午17 點多出現(xiàn)初次來壓現(xiàn)象，初次來壓造成工作面直接頂垮落，導致工作面采空區(qū)與上覆2-2煤房柱式采空區(qū)產生裂隙，使得上覆采空區(qū)有害氣體下泄，造成3101 工作面回風隅角CO 濃度超限，最高達到480 ppm。回風順槽和3-1煤回風大巷在一段時間內出現(xiàn)CO 濃度超限報警現(xiàn)象，回風順槽CO 濃度最大達到107 ppm，3-1煤回風大巷最大達到44 ppm。到2021 年9 月15 日8 點，3-1煤回風大巷CO 濃度已下降到0～5 ppm，3101 回風順槽穩(wěn)定在10～20 ppm，回風隅角CO 濃度在24 ppm 上下波動，最大達到約40 ppm。截止到2021 年9 月17 日，3101 綜采工作面回風隅角、回風順槽以及3-1煤回風大巷CO 濃度具有周期性的升高和降低，工作面回風隅角最高可達約400 ppm，最小為0，工作面回風順槽CO 濃度最高可達90 ppm 左右，最低為0，3-1煤回風大巷CO 濃度最高可達40 ppm 左右，最低又降為0，這是由于3101 綜采工作面初次來壓后，采空區(qū)頂板垮落，導致上下采空區(qū)出現(xiàn)裂隙，上覆2-2煤房柱式采空區(qū)CO 氣體下泄到3101 工作面采空區(qū)。當大氣壓發(fā)生變化時，工作面及巷道壓力變化較采空區(qū)氣體變化顯著，導致采空區(qū)產生內外壓差，當采空區(qū)壓力高于工作面及巷道壓力時，氣體就會由采空區(qū)內部向外部流動，反之，氣體向內部流動，產生“呼吸”現(xiàn)象。當氣體由采空區(qū)內部向工作面流動時，上覆采空區(qū)的CO 氣體就會下泄到3101工作面采空區(qū)向工作面回風隅角涌出，導致3101工作面回風隅角、回風順槽和3-1煤回風大巷CO濃度出現(xiàn)超限現(xiàn)象。反之，當工作面壓力大于采空區(qū)壓力時，工作面風流向采空區(qū)流動，這時3101工作面回風隅角、回風順槽和3-1煤回風大巷CO濃度相對較小，則不會出現(xiàn)超限現(xiàn)象。工作面回風隅角、回風順槽、3-1煤回風大巷CO 濃度監(jiān)測歷史曲線如圖1～圖3 所示。

圖1 工作面回風隅角CO 濃度變化曲線Fig.1 Variation curve of CO concentration in return air corner of working face

圖2 工作面回風順槽CO 濃度變化曲線Fig.2 Variation curve of CO concentration in return airway of working face

圖3 3-1 煤回風大巷CO 濃度變化曲線Fig.3 Variation curve of CO concentration 3-1 coal return airway

2.2 隆巖煤礦3101 綜采工作面回風隅角CO 濃度超限來源分析

隆巖煤礦3101 綜采工作面回風隅角CO 超限氣體主要來源于兩部分。

（1）礦井3-1煤層開采屬于淺埋深近距離煤層開采，2-2、3-1煤層間距較小，3-1煤層上覆2-2煤層房柱式采空區(qū)留有大量的煤柱，在3101 工作面回采過程中，隨著工作面的推進，受采動影響，3101工作面煤層頂板初步來壓垮落導致產生大量的裂隙，使得3101 工作采空區(qū)與上覆2-2煤層房柱式采空區(qū)貫通，引起層間漏風，且在礦井負壓通風作用下，上覆2-2煤層房柱式采空區(qū)CO 氣體通過采空區(qū)裂隙下泄到3101 工作面采空區(qū)，造成3101 工作面回風隅角CO 濃度超限。

（2）隨著隆巖煤礦3101 工作面的回采，初次來壓造成了上下采空區(qū)產生裂隙，可能導致工作面鄰近的檸條塔煤礦2-2煤房柱式采空區(qū)CO 氣體通過勾連通道進入隆巖煤礦3101 綜采工作面上覆2-2煤層房柱式采空區(qū)，再通過上下采空區(qū)裂隙下泄到3101 綜采工作面，導致3101 綜采工作面回風隅角CO 濃度超限。

3 工作面回風隅角CO 濃度超限治理方案

3.1 工作面回風隅角CO 濃度超限治理目標

有效防控3101 綜采工作面上覆2-2煤層房柱式采空區(qū)有毒有害氣體向3101 綜采工作面涌出，確保3101 綜采工作面回風隅角CO 濃度不超限，工作面能夠正常的安全回采。并在一定程度上減少3-1煤層后續(xù)工作面開采存在的安全隱患，為3-1煤層后續(xù)工作面安全回采提供保障。

3.2 工作面回風隅角CO 超限治理方案

為有效控制和解決隆巖煤礦3101 綜采工作面回風隅角CO 濃度超限問題，綜合考慮2-2煤層房柱式采空區(qū)有毒有害氣體對3101 綜采工作面以及3-1煤層后續(xù)工作面正常開采的安全影響，提出了首先通過地面鉆孔粘土注漿的方法封堵上下采空區(qū)裂隙通道，減少上下采空區(qū)層間漏風，然后采用工作面均壓通風抑制采空區(qū)CO 涌出的治理方法來保障3101 綜采工作面回風隅角CO 濃度不超限，保障3101 綜采工作面正常回采。

4 粘土注漿工程施工

4.1 注漿鉆孔的布置

在3101 工作面回采過程中，在工作面采空區(qū)頂板垮落后對工作面鄰近的井田邊界處進行注漿充填隔離，充填范圍為3-1煤層隔離煤柱上覆2-2煤房柱式采空區(qū)，充填方式為地面鉆孔注漿充填，地面注漿鉆孔布置如圖4 所示，鉆孔開孔直徑為150 mm，施工過程中，在地表松散土層段下套管5 m，鉆孔終孔位置在2-2煤層房柱式采空區(qū)。

圖4 地面注漿鉆孔布置示意Fig.4 Ground grouting borehole layout diagram

4.2 注漿材料及漿液配比

漿液材料的選取是關系到漿液性能主要因素，漿液性能應濃度適當，滲透能力強。因此，漿材必須滿足下列基本要求。

（1）不含或少含自燃和可燃物質。

（2）不含催化物質。

（3）來源豐富，成本低。

（4）容易與水混合，成漿速度快。

（5）容易與水分離，沉淀脫水快。

（6）粒度一般不大于2 mm，而且細小顆粒應占大部分。對于粘土，d≤0.005 mm 的顆粒應占60%～70%。

常用注漿材料的優(yōu)缺點見表1。

表1 常用注漿材料的優(yōu)缺點Table 1 Advantages and disadvantages of common grouting materials

目前，在國內許多煤礦使用粘土較為廣泛。采用粘土注漿時，一般選取含沙量比較大的紅粘土為宜。因為純粘土制漿難、脫水難、干燥后沉縮性比較大。

此次注漿材料主要為含砂粘土。

由地面注漿站統(tǒng)一制漿，通過注漿管路送至注漿鉆孔。漿液類型主要采用粘土單液漿，漿液水土比不應大于1∶1，根據(jù)試驗數(shù)據(jù)，水土比為1∶1時漿液比重1.44 t/m3。此次注漿施工過程中，漿液比重均大于1.6 t/m3。現(xiàn)場土質實驗數(shù)據(jù)見表2。

表2 現(xiàn)場土質實驗數(shù)據(jù)Table 2 Field soil experimental data

4.3 粘土制漿及注漿工藝流程

泥漿的制備工藝，隨取土方式和制漿設備不同而異，主要為水利制漿和機械制漿。此次采用的是機械制漿工藝。

先送水，開粘土制漿機制漿。將粘土（經破碎變頻給料倉、皮帶輸送機）和（蓄水池）清水（經水管）按制漿配比量送入粘土制漿機，將制成的粘土粗漿存入攪拌桶，然后用渣漿泵把粗漿送到鉆孔。注漿過程中要開動攪拌桶內的攪拌機攪拌漿液，以保持漿液均勻。注漿時，通過調整水泵的供水速度及變頻給料倉供土速度來確定漿液密度，然后從攪拌桶吸漿，通過注漿管路向注漿孔注漿。

4.4 各鉆孔注漿時間及注漿量明細

各鉆孔注漿時間及注漿量明細見表3。

表3 各鉆孔注漿明細Table 3 Grouting details of each borehole

為了保證漿液更好的堆積、防止地面跑漿、地面塌陷、漿液擴散太遠、提高經濟效益等，注漿過程中還采取了間歇性注漿方式。

4.5 注漿過程中安全措施

（1）注漿材料應滿足施工方案中規(guī)定的要求，嚴格控制漿液水土比。

（2）工作面順槽內設有水溝和集水坑，并配備有水泵，能夠滿足工作面開采時的涌水和漿液析水的排放要求。

（3）注漿時井上下都要加強水情監(jiān)測，防止地面跑漿和地面塌陷的危險發(fā)生。井下要做好對采空區(qū)灌漿量與排水量的觀測記錄。排水量過少，灌漿區(qū)內可能有泥漿水積存；排水中含泥量較大，采空區(qū)可能形成了泥漿通路。

（4）聯(lián)絡巷及時按要求密閉并在密閉上部安置放水管，可保證工作面回采時采空區(qū)積水不會潰入生產工作面。如發(fā)現(xiàn)密閉內積水較多，必須制定措施進行放水。

（5）加強管路的檢修。

5 均壓通風系統(tǒng)通風設施施工及布置

為了實現(xiàn)對3101 綜采工作面進行均壓，實現(xiàn)工作面正壓通風，需要構筑密閉、風門、調節(jié)風窗等通風設施。

（1）在3 煤輔運大巷4、5 處構建密閉，都設置皮帶孔洞，4、5 處密閉間距3 m，4 處密閉還要預留風機孔洞，5 處設置1 個行人風門，風門向工作面方向開啟。在3101 工作面運輸順槽進口處3處安設2×11 kW 局部通風機（一用一備），在4、5 密閉之間利用2×11 kW 局部通風機進行均壓，以減少3101 工作面運輸順槽皮帶空洞的漏風。

（2）在3101 工作面輔運順槽1 處構建2 道均壓風門，在3101 綜采工作面回風順槽6 處設置兩道調壓風門，在調壓風門上安設調節(jié)風窗、U 型水柱計或負壓傳感器。在3101 工作面輔運順槽2 處安設2 臺2×45 kW局部通風機對3101 工作面均壓。

通風系統(tǒng)調整后，利用局部通風機供風對310綜采工作面進行均壓通風，其通風路線為:副斜井和主斜井—一水平輔運大巷和運輸大巷—3 煤輔運大巷和運輸大巷—六聯(lián)巷—3101 工作面輔運順槽和運輸順槽—3101 工作面—3101 工作面回風順槽—3 煤回風大巷—一水平回風大巷—回風斜井。

通過此次粘土注漿及均壓通風等綜合手段的治理，該礦井工作面回風隅角、回風順槽、3-1煤回風大巷CO 濃度均下降到0～19 ppm（低于《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定），工作面回風隅角CO 超限治理取得了良好的效果。

6 結 語

通過本次工作面回風隅角CO 濃度超限問題，采取粘土注漿、工作面均壓通風等綜合防治措施,成功地解決了CO 濃度超限問題，確保了礦井的安全生產，也對今后防滅火工作積累了一定的經驗。在今后的生產實踐過程中，一定要加強對采后密閉及火區(qū)檢查，做好火區(qū)及采掘工作面的預測預報工作，對可能自燃的區(qū)域及時取樣分析，掌握火區(qū)采空區(qū)等區(qū)域自燃發(fā)火動態(tài)，杜絕人為因素造成自燃事故的發(fā)生。