板定梁塔煤礦井田邊界火區(qū)隔離工程技術(shù)

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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(shí)際情況，確定在板定梁塔煤礦井田邊界進(jìn)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(gòu)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(guān)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(yán)重威脅著煤礦工人的健康與生命安全[1－3]。因此，當(dāng)煤礦井田邊界臨近礦井發(fā)生火災(zāi)，火區(qū)有可能向臨近礦井蔓延且火災(zāi)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(shí)，采取有效的技術(shù)措施對煤礦井田邊界火區(qū)進(jìn)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(dǎo)致原有火區(qū)的蔓延范圍進(jìn)一步擴(kuò)大，火勢燃燒狀態(tài)進(jìn)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(shù)

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(gòu)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(biāo)氣體、溫度等技術(shù)參數(shù)進(jìn)行檢測判斷火區(qū)燃燒范圍[4－5]，確定了構(gòu)筑火區(qū)隔離墻的起始及終點(diǎn)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(diǎn)，而構(gòu)筑隔離墻的終點(diǎn)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(shù)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(jìn)行全部包裹，提高鉆孔的有效利用率，并結(jié)合注漿材料的流動(dòng)性，現(xiàn)場鉆孔分2排呈三花眼方式進(jìn)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(zhǔn)150mm鉆頭開孔，在地表松散土層段下套管，進(jìn)入基巖后根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況采用準(zhǔn)150mm鉆頭或準(zhǔn)130mm鉆頭鉆進(jìn)，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(bǔ)充注漿的需求，其鉆孔施工分為3個(gè)階段：①第1階段：水力鉆機(jī)成孔65個(gè)，鉆孔編號為1?！?5＃，風(fēng)壓鉆機(jī)成孔16個(gè)，鉆孔編號為A1?！獳16＃；②第2階段：風(fēng)力鉆機(jī)成孔33個(gè)，鉆孔編號為B1?！獴33＃；③第3階段：水力鉆機(jī)成孔29個(gè)，鉆孔編號為C1?！獵29＃。共計(jì)施工注漿鉆孔143個(gè)，鉆孔總進(jìn)尺為9654．35m。鉆孔形成后，由技術(shù)人員對孔內(nèi)CO濃度及溫度進(jìn)行檢測并記錄。檢測完CO濃度、溫度后，并采取措施對鉆孔進(jìn)行臨時(shí)封閉防止漏風(fēng)。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(jī)凝膠，主要成分是水玻璃和凝結(jié)劑，水玻璃和凝結(jié)劑混合后，發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成具有立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)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(fēng)，隔絕空氣，從而有效預(yù)防和撲滅煤炭自燃火災(zāi)[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(kuò)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(shí)驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行材料配比試驗(yàn)，并根據(jù)注漿現(xiàn)場實(shí)際情況對各種注漿材料添加比例進(jìn)行相應(yīng)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(shè)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(jìn)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(shí)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(gè)攪拌罐，1套用來制漿準(zhǔn)備，1套用來注漿。由于雙液的反應(yīng)成膠速度快，雙液混合后的初凝時(shí)間通常在15～50s，初凝后漿液成膠失去流動(dòng)性，因此在制漿過程必須將2種漿液進(jìn)行單獨(dú)制備。然后通過渣漿泵或渠溝分別單獨(dú)進(jìn)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(jié)并堆積。注漿方式采用多次循環(huán)注漿，最終實(shí)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?qū)Π宥核镞吔缁饏^(qū)隔離工程的隔離效果進(jìn)行分析，在工程施工過程中，預(yù)留3個(gè)鉆孔作為監(jiān)測鉆孔，在隔離工程施工過程中以及工程結(jié)束后，通過對鉆孔內(nèi)的氣體溫度、CO濃度進(jìn)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(gè)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(jìn)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(shí)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(shí)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(jìn)展火區(qū)隔離墻的形成，火區(qū)隔離墻有效隔絕高溫風(fēng)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(dòng)，也充分說明了注漿構(gòu)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(dòng)較大，但隨著時(shí)間的變化總體呈下降趨勢，其溫度和CO濃度波動(dòng)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(shí)溫度和CO濃度最低，這也有效證明了注漿效果。在整個(gè)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(jié)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(gòu)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(tuán)重慶研究院有限公司