板定梁塔煤矿井田边界火区隔离工程技术

摘要：针对板定梁塔煤矿井田边界朱家沟煤矿露天剥离采空区出现高温火区，通过分析矿井地质资料和高温火区实际情况，确定在板定梁塔煤矿井田边界进行地面钻孔，并利用钻孔灌注塑性水玻璃凝胶材料成功地在板定梁塔井田边界构筑了1道火区隔离墙，有效阻止了朱家沟煤矿露天剥离开挖火区向板定梁塔煤矿蔓延。

关键词：井田边界；高温火区；隔离墙；注浆；水玻璃凝胶

在煤矿井下有限的空间内，过量的CO严重威胁着煤矿工人的健康与生命安全[1－3]。因此，当煤矿井田边界临近矿井发生火灾，火区有可能向临近矿井蔓延且火灾产生的高温气流和有害气体危及临近煤矿安全生产时，采取有效的技术措施对煤矿井田边界火区进行隔离就显得尤为重要。

1矿井概况

板定梁塔煤矿目前主采1－2煤层，上部1－2上煤层已大部分采用房柱式开采回采完毕，矿井各煤层自燃倾向性等级均为I类，井田东北部与朱家沟煤矿相连。朱家沟煤矿在露天剥离开挖过程中揭露了原采空区内的高温火区，由于高温火区供氧充分且没有采取有效的灭火措施，导致原有火区的蔓延范围进一步扩大，火势燃烧状态进一步加剧。而板定梁塔煤矿1－2煤层1201工作面沿矿井井田边界布置，距离高温火区较近，直线距离约为180m，且上部1－2上煤层采空区与朱家沟煤自燃火区存在连通，上部1－2上煤层与1－2煤层间距约为25m。

2火区隔离工程技术

为了防止高温火区蔓延到板定梁塔煤矿井田，保证1201及其后续工作面的安全生产，决定在朱家沟煤矿露天火区边界与板定梁塔煤矿井田边界之间构筑1道隔离墙将高温火区阻隔。利用地面打钻对钻孔内指标气体、温度等技术参数进行检测判断火区燃烧范围[4－5]，确定了构筑火区隔离墙的起始及终点位置。朱家沟煤矿1－2上煤层房柱式回采过程中，曾揭露约70m宽的断层，在火区隔离过程可充分利用该断层对火区的隔断作用，将该断层作为火区治理起点，而构筑隔离墙的终点为朱家沟煤矿露天开挖边界。针对板定梁塔煤矿井田边界火区，火区隔离工程采用了“多次循环注浆隔离封堵”的总体技术方案。2．1注浆钻孔的布置及施工由于板定梁塔煤矿和朱家沟煤矿1－2上煤层都采用房柱式方式开采，为了保证隔离墙的密闭性对遗留煤柱进行全部包裹，提高钻孔的有效利用率，并结合注浆材料的流动性，现场钻孔分2排呈三花眼方式进行布置，每排孔间距为16m，2排钻孔垂直间距8m，钻孔布置方式如图1。在钻孔施工过程中，采用准150mm钻头开孔，在地表松散土层段下套管，进入基岩后根据现场实际情况采用准150mm钻头或准130mm钻头钻进，钻孔终孔位置位于1－2上煤层底板。在板定梁塔煤矿井田边界火区隔离工程施工过程中，由于受到朱家沟煤矿露天开挖边界的调整及后期补充注浆的需求，其钻孔施工分为3个阶段：①第1阶段：水力钻机成孔65个，钻孔编号为1＃～65＃，风压钻机成孔16个，钻孔编号为A1＃～A16＃；②第2阶段：风力钻机成孔33个，钻孔编号为B1＃～B33＃；③第3阶段：水力钻机成孔29个，钻孔编号为C1＃～C29＃。共计施工注浆钻孔143个，钻孔总进尺为9654．35m。钻孔形成后，由技术人员对孔内CO浓度及温度进行检测并记录。检测完CO浓度、温度后，并采取措施对钻孔进行临时封闭防止漏风。2．2注浆材料及注浆工艺2．2．1注浆材料的选择工程注浆材料选择塑性水玻璃凝胶材料。塑性水玻璃凝胶是一种常用的防治煤炭自燃的无机凝胶，主要成分是水玻璃和凝结剂，水玻璃和凝结剂混合后，发生化学反应，生成具有立体网状结构的缩合硅酸，并固化液态水，形成固体状的凝胶。水玻璃凝胶注入松散媒体后，可充填煤体缝隙，防止漏风，隔绝空气，从而有效预防和扑灭煤炭自燃火灾[6－8]。板定梁塔煤矿井田边界火区隔离工程使用的塑性水玻璃凝胶材料由黄泥浆添加水玻璃、碳酸氢铵、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，作为胶黏剂它能缩短浆液的扩散半径，增加浆液的黏稠度，使浆液在采空区能够堆积起来。由于现场不同注浆钻孔的深度、采空区空间体积、钻孔温度、浆液输送距离等条件均有不同，为了能够更好的保证火区隔离效果，在工程现场利用电子秤、烧杯、量筒等实验设备进行材料配比试验，并根据注浆现场实际情况对各种注浆材料添加比例进行相应调整，以满足现场工程需要的塑性水玻璃凝胶材料。2．2．2注浆工艺塑性水玻璃凝胶注浆系统主要由制浆罐、渣浆泵、注浆管路等设施组成。其注浆工艺为：在制浆罐1内首先配制水土比为1∶1～2∶1（黄土在自然堆积条件下与水的体积比）的黄泥浆，然后加入促凝剂碳酸氢铵，碳酸氢铵与水的质量比为8％；在制浆罐2内同样配制水土比为1∶1～2∶1的黄泥浆，然后加入模数大于3．0的水玻璃溶液，水玻璃与水的质量比例为5％～10％，并加入适量的聚丙烯酰胺。制浆完成后，利用渣浆泵将2种混合液通过三通混合器进行混合，最终通过钻孔流入采空区内形成混有黄土的塑性水玻璃凝胶，起到降温灭火及封堵隔离的作用.由于塑性水玻璃凝胶材料为双液材料混合而成，制浆过程需要一定的时间，为保证注浆工艺的连续性，现场必须制备2套制浆系统4个搅拌罐，1套用来制浆准备，1套用来注浆。由于双液的反应成胶速度快，双液混合后的初凝时间通常在15～50s，初凝后浆液成胶失去流动性，因此在制浆过程必须将2种浆液进行单独制备。然后通过渣浆泵或渠沟分别单独进行输送，最终双液在孔口混合，在孔内初凝，在采空区内凝结并堆积。注浆方式采用多次循环注浆，最终实现火区隔离。本工程自2015年5月8日正式开始灌注塑性水玻璃凝胶，直至10月23日灌浆施工完毕。在注浆施工过程中，塑性水玻璃凝胶浆液材料的水土配比为1∶1～2∶1，其中消耗黄土33059．1m3，共灌注塑性水玻璃凝胶约832647m3。

3火区隔离效果考察

为了能够对板定梁塔井田边界火区隔离工程的隔离效果进行分析，在工程施工过程中，预留3个钻孔作为监测钻孔，在隔离工程施工过程中以及工程结束后，通过对钻孔内的气体温度、CO浓度进行定期监测并分析其变化趋势，考察火区隔离效果。3个监测钻孔编号为65＃、64＃、A9＃。其中64＃钻孔位于隔离范围内（靠近板定梁塔矿井边界），65＃钻孔位于隔离范围外（靠近朱家沟煤矿露天开挖边界），A9＃钻孔位于隔离带上，A9＃钻孔经过多次循环注浆，并定期对钻孔温度进行监测，但在注满塑性水玻璃泥浆后，停止温度和气体监测。，65＃钻孔内温度和CO浓度随着时间的变化不大，基本上保持平衡。温度最高出现在6月25日为72℃，温度最低出现在10月4日为62℃。CO浓度最高出现在6月5日为894×10－6，CO浓度最低出现在11月3日为690×10－6。64＃钻孔内温度和CO浓度在注浆初期保持平稳状态，但随着时间的变化总体上呈逐渐下降趋势。64＃监测钻孔温度最高出现在5月15日为66℃；温度最低出现在11月19日为36℃；CO浓度最高出现在6月5日为610×10－6；CO浓度最低出现在12月9日为13×10－6。由于65＃监测钻孔位于板定梁塔煤矿火区隔离墙以外，靠近朱家沟煤矿露天剥离火区高温火源，而64＃钻孔位于隔离墙范围内。对比65＃和64＃钻孔内温度和CO浓度变化情况，表明随着注浆隔离工程的进展火区隔离墙的形成，火区隔离墙有效隔绝高温风流和火区产生的有毒有害气体向板定梁塔煤矿井田内流动，也充分说明了注浆构筑的隔离墙起到了很好的火区隔离效果。此外，处于注浆隔离带上的A9＃钻孔内的温度和CO浓度在注浆施工期间波动较大，但随着时间的变化总体呈下降趋势，其温度和CO浓度波动主要是由于采用多轮间隔式注浆造成的。该钻孔于8月25日注满，且此时温度和CO浓度最低，这也有效证明了注浆效果。在整个注浆施工过程中，板定梁塔煤矿1201工作面在回采过程中也没有出现CO超限的情况。

4结语

通过地面钻孔多次循环灌注塑性水玻璃凝胶材料，在板定梁塔井田边界构筑了1道火区隔离墙，隔离区域内的64＃监测钻孔温度由66℃下降至36℃，CO浓度由610×10－6下降至13×10－6，并保持稳定状态，有效阻止了朱家沟煤矿露天剥离开挖火区向板定梁塔煤矿蔓延，保证了板定梁塔煤矿1－2煤层首采面1201工作面以及后续工作面的安全回采。

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作者:刘华锋 单位:中煤科工集团重庆研究院有限公司