板定梁塔煤礦井田邊界火區(qū)隔離工程技術

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摘要：針對板定梁塔煤礦井田邊界朱家溝煤礦露天剝離采空區(qū)出現(xiàn)高溫火區(qū)，通過分析礦井地質(zhì)資料和高溫火區(qū)實際情況，確定在板定梁塔煤礦井田邊界進行地面鉆孔，并利用鉆孔灌注塑性水玻璃凝膠材料成功地在板定梁塔井田邊界構筑了1道火區(qū)隔離墻，有效阻止了朱家溝煤礦露天剝離開挖火區(qū)向板定梁塔煤礦蔓延。

關鍵詞：井田邊界；高溫火區(qū)；隔離墻；注漿；水玻璃凝膠

在煤礦井下有限的空間內(nèi)，過量的CO嚴重威脅著煤礦工人的健康與生命安全[1－3]。因此，當煤礦井田邊界臨近礦井發(fā)生火災，火區(qū)有可能向臨近礦井蔓延且火災產(chǎn)生的高溫氣流和有害氣體危及臨近煤礦安全生產(chǎn)時，采取有效的技術措施對煤礦井田邊界火區(qū)進行隔離就顯得尤為重要。

1礦井概況

板定梁塔煤礦目前主采1－2煤層，上部1－2上煤層已大部分采用房柱式開采回采完畢，礦井各煤層自燃傾向性等級均為I類，井田東北部與朱家溝煤礦相連。朱家溝煤礦在露天剝離開挖過程中揭露了原采空區(qū)內(nèi)的高溫火區(qū)，由于高溫火區(qū)供氧充分且沒有采取有效的滅火措施，導致原有火區(qū)的蔓延范圍進一步擴大，火勢燃燒狀態(tài)進一步加劇。而板定梁塔煤礦1－2煤層1201工作面沿礦井井田邊界布置，距離高溫火區(qū)較近，直線距離約為180m，且上部1－2上煤層采空區(qū)與朱家溝煤自燃火區(qū)存在連通，上部1－2上煤層與1－2煤層間距約為25m。

2火區(qū)隔離工程技術

為了防止高溫火區(qū)蔓延到板定梁塔煤礦井田，保證1201及其后續(xù)工作面的安全生產(chǎn)，決定在朱家溝煤礦露天火區(qū)邊界與板定梁塔煤礦井田邊界之間構筑1道隔離墻將高溫火區(qū)阻隔。利用地面打鉆對鉆孔內(nèi)指標氣體、溫度等技術參數(shù)進行檢測判斷火區(qū)燃燒范圍[4－5]，確定了構筑火區(qū)隔離墻的起始及終點位置。朱家溝煤礦1－2上煤層房柱式回采過程中，曾揭露約70m寬的斷層，在火區(qū)隔離過程可充分利用該斷層對火區(qū)的隔斷作用，將該斷層作為火區(qū)治理起點，而構筑隔離墻的終點為朱家溝煤礦露天開挖邊界。針對板定梁塔煤礦井田邊界火區(qū)，火區(qū)隔離工程采用了“多次循環(huán)注漿隔離封堵”的總體技術方案。2．1注漿鉆孔的布置及施工由于板定梁塔煤礦和朱家溝煤礦1－2上煤層都采用房柱式方式開采，為了保證隔離墻的密閉性對遺留煤柱進行全部包裹，提高鉆孔的有效利用率，并結合注漿材料的流動性，現(xiàn)場鉆孔分2排呈三花眼方式進行布置，每排孔間距為16m，2排鉆孔垂直間距8m，鉆孔布置方式如圖1。在鉆孔施工過程中，采用準150mm鉆頭開孔，在地表松散土層段下套管，進入基巖后根據(jù)現(xiàn)場實際情況采用準150mm鉆頭或準130mm鉆頭鉆進，鉆孔終孔位置位于1－2上煤層底板。在板定梁塔煤礦井田邊界火區(qū)隔離工程施工過程中，由于受到朱家溝煤礦露天開挖邊界的調(diào)整及后期補充注漿的需求，其鉆孔施工分為3個階段：①第1階段：水力鉆機成孔65個，鉆孔編號為1?！?5＃，風壓鉆機成孔16個，鉆孔編號為A1?！獳16＃；②第2階段：風力鉆機成孔33個，鉆孔編號為B1?！獴33＃；③第3階段：水力鉆機成孔29個，鉆孔編號為C1＃～C29＃。共計施工注漿鉆孔143個，鉆孔總進尺為9654．35m。鉆孔形成后，由技術人員對孔內(nèi)CO濃度及溫度進行檢測并記錄。檢測完CO濃度、溫度后，并采取措施對鉆孔進行臨時封閉防止漏風。2．2注漿材料及注漿工藝2．2．1注漿材料的選擇工程注漿材料選擇塑性水玻璃凝膠材料。塑性水玻璃凝膠是一種常用的防治煤炭自燃的無機凝膠，主要成分是水玻璃和凝結劑，水玻璃和凝結劑混合后，發(fā)生化學反應，生成具有立體網(wǎng)狀結構的縮合硅酸，并固化液態(tài)水，形成固體狀的凝膠。水玻璃凝膠注入松散媒體后，可充填煤體縫隙，防止漏風，隔絕空氣，從而有效預防和撲滅煤炭自燃火災[6－8]。板定梁塔煤礦井田邊界火區(qū)隔離工程使用的塑性水玻璃凝膠材料由黃泥漿添加水玻璃、碳酸氫銨、聚丙烯酰胺形成。聚丙烯酰胺具有很好的絮凝性、黏合性和增稠性，作為膠黏劑它能縮短漿液的擴散半徑，增加漿液的黏稠度，使?jié){液在采空區(qū)能夠堆積起來。由于現(xiàn)場不同注漿鉆孔的深度、采空區(qū)空間體積、鉆孔溫度、漿液輸送距離等條件均有不同，為了能夠更好的保證火區(qū)隔離效果，在工程現(xiàn)場利用電子秤、燒杯、量筒等實驗設備進行材料配比試驗，并根據(jù)注漿現(xiàn)場實際情況對各種注漿材料添加比例進行相應調(diào)整，以滿足現(xiàn)場工程需要的塑性水玻璃凝膠材料。2．2．2注漿工藝塑性水玻璃凝膠注漿系統(tǒng)主要由制漿罐、渣漿泵、注漿管路等設施組成。其注漿工藝為：在制漿罐1內(nèi)首先配制水土比為1∶1～2∶1（黃土在自然堆積條件下與水的體積比）的黃泥漿，然后加入促凝劑碳酸氫銨，碳酸氫銨與水的質(zhì)量比為8％；在制漿罐2內(nèi)同樣配制水土比為1∶1～2∶1的黃泥漿，然后加入模數(shù)大于3．0的水玻璃溶液，水玻璃與水的質(zhì)量比例為5％～10％，并加入適量的聚丙烯酰胺。制漿完成后，利用渣漿泵將2種混合液通過三通混合器進行混合，最終通過鉆孔流入采空區(qū)內(nèi)形成混有黃土的塑性水玻璃凝膠，起到降溫滅火及封堵隔離的作用.由于塑性水玻璃凝膠材料為雙液材料混合而成，制漿過程需要一定的時間，為保證注漿工藝的連續(xù)性，現(xiàn)場必須制備2套制漿系統(tǒng)4個攪拌罐，1套用來制漿準備，1套用來注漿。由于雙液的反應成膠速度快，雙液混合后的初凝時間通常在15～50s，初凝后漿液成膠失去流動性，因此在制漿過程必須將2種漿液進行單獨制備。然后通過渣漿泵或渠溝分別單獨進行輸送，最終雙液在孔口混合，在孔內(nèi)初凝，在采空區(qū)內(nèi)凝結并堆積。注漿方式采用多次循環(huán)注漿，最終實現(xiàn)火區(qū)隔離。本工程自2015年5月8日正式開始灌注塑性水玻璃凝膠，直至10月23日灌漿施工完畢。在注漿施工過程中，塑性水玻璃凝膠漿液材料的水土配比為1∶1～2∶1，其中消耗黃土33059．1m3，共灌注塑性水玻璃凝膠約832647m3。

3火區(qū)隔離效果考察

為了能夠對板定梁塔井田邊界火區(qū)隔離工程的隔離效果進行分析，在工程施工過程中，預留3個鉆孔作為監(jiān)測鉆孔，在隔離工程施工過程中以及工程結束后，通過對鉆孔內(nèi)的氣體溫度、CO濃度進行定期監(jiān)測并分析其變化趨勢，考察火區(qū)隔離效果。3個監(jiān)測鉆孔編號為65＃、64＃、A9＃。其中64＃鉆孔位于隔離范圍內(nèi)（靠近板定梁塔礦井邊界），65＃鉆孔位于隔離范圍外（靠近朱家溝煤礦露天開挖邊界），A9＃鉆孔位于隔離帶上，A9＃鉆孔經(jīng)過多次循環(huán)注漿，并定期對鉆孔溫度進行監(jiān)測，但在注滿塑性水玻璃泥漿后，停止溫度和氣體監(jiān)測。，65＃鉆孔內(nèi)溫度和CO濃度隨著時間的變化不大，基本上保持平衡。溫度最高出現(xiàn)在6月25日為72℃，溫度最低出現(xiàn)在10月4日為62℃。CO濃度最高出現(xiàn)在6月5日為894×10－6，CO濃度最低出現(xiàn)在11月3日為690×10－6。64＃鉆孔內(nèi)溫度和CO濃度在注漿初期保持平穩(wěn)狀態(tài)，但隨著時間的變化總體上呈逐漸下降趨勢。64＃監(jiān)測鉆孔溫度最高出現(xiàn)在5月15日為66℃；溫度最低出現(xiàn)在11月19日為36℃；CO濃度最高出現(xiàn)在6月5日為610×10－6；CO濃度最低出現(xiàn)在12月9日為13×10－6。由于65＃監(jiān)測鉆孔位于板定梁塔煤礦火區(qū)隔離墻以外，靠近朱家溝煤礦露天剝離火區(qū)高溫火源，而64＃鉆孔位于隔離墻范圍內(nèi)。對比65＃和64＃鉆孔內(nèi)溫度和CO濃度變化情況，表明隨著注漿隔離工程的進展火區(qū)隔離墻的形成，火區(qū)隔離墻有效隔絕高溫風流和火區(qū)產(chǎn)生的有毒有害氣體向板定梁塔煤礦井田內(nèi)流動，也充分說明了注漿構筑的隔離墻起到了很好的火區(qū)隔離效果。此外，處于注漿隔離帶上的A9＃鉆孔內(nèi)的溫度和CO濃度在注漿施工期間波動較大，但隨著時間的變化總體呈下降趨勢，其溫度和CO濃度波動主要是由于采用多輪間隔式注漿造成的。該鉆孔于8月25日注滿，且此時溫度和CO濃度最低，這也有效證明了注漿效果。在整個注漿施工過程中，板定梁塔煤礦1201工作面在回采過程中也沒有出現(xiàn)CO超限的情況。

4結語

通過地面鉆孔多次循環(huán)灌注塑性水玻璃凝膠材料，在板定梁塔井田邊界構筑了1道火區(qū)隔離墻，隔離區(qū)域內(nèi)的64＃監(jiān)測鉆孔溫度由66℃下降至36℃，CO濃度由610×10－6下降至13×10－6，并保持穩(wěn)定狀態(tài)，有效阻止了朱家溝煤礦露天剝離開挖火區(qū)向板定梁塔煤礦蔓延，保證了板定梁塔煤礦1－2煤層首采面1201工作面以及后續(xù)工作面的安全回采。

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作者:劉華鋒 單位:中煤科工集團重慶研究院有限公司