五虎山煤矿010910工作面复合采空区注浆防灭火效果分析_彭荣富.pdf

Vol.51No.4 Apr. 2020 Safety in Coal Mines 第 51 卷第 4 期 2020 年 4 月 我国经济发展对煤炭资源的需求呈正相关， 随 着开采深度的增加很多矿井在进行采掘规划时面临 着上下煤层间距小、煤层薄的现状，使得有些矿井 不得不选择对上下层近距离煤层进行同时开采[1]。 当选择对两近距离煤层进行分层开采时，由于下层 煤开采后随着顶板垮塌与上覆工作面采空区形成一 体化复合采空区，形成的复合采空区具有遗煤量大 且上覆采空区遗煤呈现高位散落赋存状态、氧化时 间长且对其定向进行阻化处理的难度系数较大， 故 复合态采空区自然发火危险程度显著升高[2]。与此 同时，形成的复合采空区因其空间垮落大、漏风通 道复杂、 气体分布规律难以掌握等特点， 进一步导致 五虎山煤矿 010910 工作面复合采空区 注浆防灭火效果分析 彭荣富 1， 2， 万祥云1， 2， 贾 炳 1， 2， 孙兰会1， 2， 王文军1， 2， 李文善1， 陈宝义3,4 （1．河南城建学院， 河南 平顶山 467036； 2．河南省水体污染防治与修复重点实验室， 河南 平顶山 467036； 3．煤科集团沈阳 研究院有限公司， 辽宁 抚顺 113122； 4．煤矿安全技术国家重点实验室， 辽宁 抚顺 113122） 摘要 为了解决五虎山煤矿 010910 工作面的遗煤氧化自燃问题， 需要在 010910 工作面回风巷 上隅角适当范围内，通过实施向上的定向观测兼治理钻孔以及 010910 工作面埋设的束管采样 器， 同时对上覆工作面采空区和 010910 采空区进行实时动态分层监测； 复合采空区动态分层监 测状态下出现 CO 浓度升高等遗煤自燃迹象后，利用上层施工的定向钻孔及本层回风巷的注浆 管路， 实施上下层高低位联合注浆治理措施。结果表明 实施高低位联合注浆后钻孔内 CO 气体 浓度呈不断降低趋势， 复合采空区注浆治理效果比较明显， 能确保工作面正常回采。 关键词 复合采空区； 遗煤自燃； 分层监测； 联合注浆； 防灭火 中图分类号 TD752．2文献标志码 B文章编号 1003-496X （2020） 04-0133-04 Analysis on Effect of Grouting in Compound Goaf of 010910 Working Face in Wuhushan Coal Mine PENG Rongfu1,2, WAN Xiangyun1,2, JIA Bing1,2, SUN Lanhui1,2, WANG Wenjun1,2, LI Wenshan1, CHEN Baoyi3,4 （1.Henan City Construction College, Pingdingshan 467036, China;2.Key Laboratory of Water Pollution Prevention and Restoration in Henan Province, Pingdingshan 467036, China;3.China Coal Technology and Engineering Group Shenyang Research Institute Co., Ltd., Fushun 113122, China;4.State Key Laboratory of Coal Mine Safety Technology, Fushun 113122, China） Abstract To solve the problem of oxidation and spontaneous combustion of residual coal in 010910 working surface of Wuhushan Coal Mine, it is necessary to conduct real-time dynamic stratification monitoring of the goaf area of the overlying working face and the goaf area of the 010910 working face within the appropriate upper corner of the return air lane by means of upward directional observation and treatment of the borehole and the beam tube sampler embedded in the 010910 working face. After the occurrence of CO concentration increase and other signs of residual coal spontaneous combustion in the dynamic stratification monitoring state of the composite goaf, the directional borehole constructed in the upper layer and the grouting pipe in the return air lane of this layer are used to implement the combined grouting treatment measures of the upper and lower floors. The results show that the concentration of CO gas in the borehole decreases continuously after the implementation of high and low joint grouting. Key words compound goaf; spontaneous combustion of residual coal; layered monitoring; combined grouting; fire fighting DOI10.13347/ki.mkaq.2020.04.029 彭荣富， 万祥云， 贾炳， 等．五虎山煤矿 010910 工作面复合采空区注浆防灭火效果分析 ［J］ . 煤矿安全， 2020， 51 （4） 133-136. PENG Rongfu, WAN Xiangyun, JIA Bing,et al. Analysis on Effect of Grouting in Compound Goaf of 010910 Working Face in Wuhushan Coal Mine ［J］ . Safety in Coal Mines, 2020, 51 （4） 133-136. 移动扫码阅读 应用 实践 133 ChaoXing 第 51 卷第 4 期 2020 年 4 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.4 Apr. 2020 图 3上覆采空区竖直自燃 “三带” 观测测点布置图 Fig.3Location of observation points of the “three belt”of spontaneous combustion in the overlying goaf 其治理难度加大。因此，针对近距离煤层规模化开 采后形成复合态采空区治理难点问题，必须应对其 重点区域进行定向监测、定向治理以解决自然发火 防治问题。 1工作面概况 五虎山煤矿 010910 工作面是 9煤层布置的第 10 个综采工作面， 工作面走向长度 1 000 m， 倾斜长 度 300 m， 煤层设计采高为 1.8 m。 本层 010910 工作 面正常回采期间 1 d 割煤 4 刀， 推进约 3 m。本层采 空区距上覆 010908 采空区间距平均约 10 m，随着 下层工作面推进，顶板垮落后与上覆采空区形成一 体化复合采空区， 010910 工作面与上覆采空区位置 关系图如图 1。 由于 9煤层为Ⅱ类自燃煤层，自然发火期较 短，由于距离地表垂距小，顶板垮落后形成的复合 采空区会形成发育裂隙，进而导致遗煤处于长期漏 风供氧氧化状态[3]。伴随下层工作面推进缓慢时， 极 容易导致复合采空区遗煤发生 CO 浓度短期突然增 大等氧化现象，因此针对复合采空区自然发火特 点，应研究一套提前定全方位监测、及时并高效定 向立体治理的有效治理措施。 2复合采空区重点治理区域 受 010910 工作面近距离煤层的采动影响， 其上 覆煤层采空区和本层采空区垮落后，上下采空区相 互贯通后形成具有垮落高度大、遗煤呈立体分布等 特征的复合采空区。上层采空区遗煤在长期漏风供 氧状态下缓慢氧化使得其自然发火危险更大，因此 复合采空区的治理重点为上层遗煤长期漏风供氧形 成的氧化带区域和本层采空区漏风供氧形成的氧化 带区域， 通过对重点区域高低位遗煤实施注浆， 对其 进行立体覆盖、 堵漏、 隔氧[4]。 3复合采空区定向注浆治理方案 针对复合采空区的遗煤分布、围岩破碎后裂隙 分布特征及漏风特征，提出了一套基于上下层立体 监测为前提的复合采空区高低位定向联合注浆治理 方案，能根据动态监测结果了解复合采空区真实状 态并能及时对采空区存在的 CO 等有害气体异常且 有上升趋势的区域实施注浆防灭火措施，及时、 有 效地预防复合采空区遗煤氧化自燃[5]。 3.1上下层采空区立体监测 对 010910 工作面复合采空区采取上下层立体 布孔监测， 掌握上下层复合采空区 “三带” 立体分布 规律， 为有针对性开展注浆防灭火提供理论指导[6]。 010910 采空区自燃 “三带” 观测点布置图如图 2。上 覆采空区竖直自燃 “三带” 观测测点布置图如图 3。 由图 2 和图 3 可知， 沿 010910 工作面倾斜方向 图 1010910 工作面与上覆采空区位置关系图 Fig.1Location diagram of 010910 working face and overlying goaf 图 2010910 采空区自燃 “三带” 观测点布置图 Fig.2Location of observation points of the “three belt”of spontaneous combustion in the 010910 goaf 134 ChaoXing Vol．51No．4 Apr． 2020 Safety in Coal Mines 第 51 卷第 4 期 2020 年 4 月 均匀布置编号分别为①、 ②、 ③、 ④ 4 个测点观测本 层采空区氧气浓度指标，在回风巷竖直向上施工的 监测兼治理钻孔中（孔长度要穿过本煤层及上层煤 之间的岩石，到达上层工作面煤底板） 布置编号为 ⑤、 ⑥、 ⑦ 3 个测点观测上层采空区氧浓度指标。根 据布置的上下层立体钻孔，结合连续的取气分析得 出的水平方向以及竖直方向 “三带” 结果见表 1[6]。 通过表 1 结果可知， 010910 工作面近距离复合 采空区水平方向整体上进风侧散热带和氧化带区域 相对较大。复合采空区竖直方向自燃 “三带” 观测点 O2浓度变化曲线图如图 4。 通过图 4 可知， 010910 工作面近距离复合采空 内靠近煤层底板的破碎岩体随着顶板逐渐垮落至采 空区底部最先被压实，压实后漏风通道部分被阻 断， 导致漏风程度和漏风量减小[7]； 靠近采空区漏风 相对容易的上部空间处于顶板垮落的断裂带内， 导 致漏风量大于底部，氧气浓度自然也高于底部， 同 时也使得位于工作面后部约 20～40 m 范围的遗煤 将处于长期氧化中，应对该范围高位遗煤加强注浆 治理。 3．2上下层采空区高低位联合注浆 由于注浆用防灭火浆液具有地势高流经地势低 的流动特性， 其不能自然状态下向高处流动并堆积， 因此对中、高处采空区散落遗煤起不到有效防治的 作用[8]。针对复合采空区遗煤立体分布的特点， 应在 遗煤上方注浆使浆液自上而下全面覆盖遗煤以达到 对复合采空区高低位遗煤进行立体注浆的目的， 故 自然而然提出了采空区高低位联合注浆技术，注浆 浆液的土水比为 1∶3，注浆后定期检测注浆灭火区 及其采空区内的气体变化规律、 气温、 煤温和出水温 度等指标， 根据治理效果适当调整注浆工艺[9]。 1） 低位密闭注浆。010910 工作面回采一定距离 使得本层采空区遗煤处于氧化带左右时可利用在双 巷之间联络巷内的密闭及回风巷上隅角预埋的 φ108 mm 注浆管路向后部采空区注浆， 其优势在于 注浆位置深入采空区， 注浆对工作面影响小， 浆液能 够较多的留在采空区内部[10]。复合采空区低位密闭 注浆示意图如图 5。 2）回风巷上隅角高位措施孔注浆。 采用 010910 回风巷高位措施孔注浆时， 随着工作面推进， 在回风 巷离切眼 90 m 开始，每隔 30 m 左右打 2 组终孔 位置在上覆煤层顶板的措施孔对上覆处于氧化状态 的高位遗煤进行注浆， 010910 回风巷上隅角高位措 施孔注浆剖面图如图 6。 4定向注浆效果分析 注浆后本层采空区出水温度处于较低值，未见 明显高温迹象， 且各密闭气体含量及出气气温正常。 观察 010910 工作面后方 30 m 处复合采空区低 位遗煤区域注浆前后气体变化可知，对重点区域注 三带 测点 1 （沿 倾斜方向距 回风巷 1 m ） 测点 2 （沿 倾斜方向距 回风巷 50 m ） 测点 3 （沿倾 斜方向距回 风巷 150 m ） 测点 4 （沿倾 斜方向距回 风巷 200 m ） 散热带0～150～360～320～22 氧化带14～5332～9531～5522～175 窒息带＞53＞95＞55＞185 表 1010910 工作面水平方向自燃 “三带” 分布结果 Table 1Results of distribution of the“three-belt”of spontaneous combustion in the horizontal 010910 working face 图 4复合采空区竖直方向自燃 “三带” 观测点 O2浓度变 化曲线图 Fig．4Variation curves of concentration of O2at the“three belts”of spontaneous combustion in the vertical goaf 图 5复合采空区低位密闭注浆示意图 Fig．5A diagram grouting low level in the composited goaf area 135 ChaoXing 第 51 卷第 4 期 2020 年 4 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.4 Apr. 2020 图 6010910 回风巷上隅角高位措施孔注浆剖面图 Fig.6Profile grouting high level in the 010910 crossheading 浆后能有效抑制 CO 气体产生， CO 浓度呈明显下降 趋势， 治理后氧气也呈现下降趋势。 说明高低位注浆 能够有效覆盖上下层遗煤， 对遗煤、 裂隙起到了良好 的包裹、 封堵作用， 联合注浆防灭火效果明显。 5结论 1） 通过回风巷一定距离实施上层高位监测兼治 理钻孔以及利用本层采空区束管监测系统能够对 010910 工作面复合采空区进行全面立体监测。 2） 对复合采空区实施高低位联合注浆能够抑制 复合采空区重点区域高低位遗煤自燃，并能有效覆 盖、 包裹遗煤及裂隙， 一定程度上阻隔了漏风供氧。 3） 现场针对复合采空区进行高低位联合注浆， 发现浆液的黏度、流动性、水土比等因素是影响注 浆效果的重要因素。 参考文献 ［1］ 陈庆丰．屯宝煤矿近距离煤层开采综合防灭火技术研 究与应用 ［D］ ．北京 煤炭科学研究总院， 2017． ［2］ 田水承， 李红霞．煤层开采自燃危险性预先分析研究 ［J］ ．西安科技大学学报， 1998 （1） 17－22． ［3］ 曹凯， 时国庆， 王德明， 等．浅埋深综放工作面采空区 自燃危险区域判定 ［J］ ．煤炭科学技术， 2012， 40 （1） 57－60． ［4］ 柏发松， 方昌才， 陈宿， 等．综采工作面架间高位插管 注浆防灭火应用研究 ［J］ ．煤炭科学技术， 2014， 42 （5） 45－47． ［5］ 刘洪涛， 赵志强， 张胜凯， 等．近距离煤层群围岩碎裂 特征与裂隙分布关系 ［J］ ．煤炭学报， 2015， 40 （4） 766－773． ［6］ 宋义华， 苏静， 谢小平， 等．采空区下近距离煤层开采 覆岩 “三带” 分析 ［J］ ．山东工业技术， 2018， 44 （2） 76． ［7］ 谢华东， 张青松， 辛民， 等．极近距离煤层采空区漏风 规律分析 ［J］ ．煤矿安全， 2011， 42 （4） 140－143． ［8］ 高登彦．高位钻孔注浆技术在采空区防灭火中的应用 ［J］ ．煤炭技术， 2017， 36 （12） 121－123． ［9］ 陈伟崇， 吴悠， 邢真强， 等．浅埋深易自燃厚煤层工作 面防灭火技术研究 ［J］ ．煤矿安全， 2017， 48 （10） 83. ［10］ 贾松磊． 白皎矿近距离煤层群开采煤层自燃火灾防 治技术研究 ［D］ ．西安 西安科技大学， 2010． 作者简介 彭荣富 （1990） ， 男， 河南驻马店人， 助理教 师， 硕士， 2016 年毕业于煤炭科学研究总院， 现在在河南城 建学院从事安全方面相关教学工作， 已发表论文数篇。 （收稿日期 2019-06-21； 责任编辑 陈洋） 136 ChaoXing