1、大采高工作面自燃灾害防治中的研究与应用张煜(山西工程职业学院资源与安全工程系，山西太原030001)摘要:小煤柱属于典型的含裂隙煤岩体，在大采高工作面回采过程中，不断受到开采应力和集中应力的作用，使煤岩体强度极大下降，煤岩体的透气性快速加大，危及煤矿正常生产。注浆会提升煤柱强度与抗渗透性。岩体强度、抗渗透性的提高幅度及结构稳定性的维持，受岩块自身条件、注浆材料性能、注浆工艺的影响。利用注浆工艺加固围岩弱面及填充围岩裂隙，提高围岩的力学承载性能，加强围巷的承压力，确保采煤面顺利推采，对满足类似工程条件的综放工作面具有一定的借鉴和推广前景。关键词:注浆加固;煤层自燃;大采高中图分类号:F4063;
2、TD7522文献标识码:B文章编号:10080155(2023)020010031 工作面概况阳煤一号矿 15#煤层，埋深 449608m，最厚 770m，最薄 660m，平均厚度 698m，倾角1 13，平均 3，为近水平煤层。81303 大采高工作面位于 13 矿区，东西走向，实煤在矿区边界的北部、西部和东部，顶部和底部无采矿空间。81303 矿项目示意图如图 1 所示。大型采高工作面回程巷道沿 15#煤基顶开挖，开挖段5.2m38m。81303 工作面回程整体结构形式为单斜结构，东高西低。81303 煤层裂隙发育，松软破散，成型极差。推采后，原生的三相受力状态转为双相受力状态，浅表围岩失
3、去有效支撑，破碎程度和范围大于其他区域12。鉴于此，应在 81303 小柱工作面沿空巷道采取支柱加固技术。此外，15#煤层硬度 f 为 20，煤层发达，自燃点火按等级分类;绝对气体排放量为 4455m3/min，煤层自燃燃烧期为 22 个月，在柱侧注入无机灭火材料，可以防止自燃发火34。图 1一矿 81303 采掘工程平面图2 通过注浆提高破碎小煤柱的强度及抗透气性小煤柱的稳定性取决于煤体的固结强度，而固结强度是由结构强度和不能灌浆的小裂纹面的力学性能决定的。煤体中的弱面破裂时，岩体强度主要受弱面01DOI:10.13487/ki.imce.023180的影响。悬浮浆料的颗粒效应会造成大量的裂
4、纹，而水泥浆固结块的直剪实验低于砌块的强度，因此破裂煤体的注浆固结效果非常重要56。在工作面采动应力和结构应力的影响下，巷道81303 工作面回采巷道在应力过渡过程的(从 3d 到2d)破坏范围内，巷道轴向约束不因开挖而改变，导致巷道自由面出现裂缝变形，围岩主要受结构面控制，沿结构向低约束方向滑动，导致巷道容易出现顶底鼓。另一方面，破碎岩体在低围岩压力下强度低、变形大，对深部围岩的约束压力小。在高地应力或动压的作用下，深部岩体被进一步破坏，形成逐渐破坏的动力循环，使变形不断扩大。因此，破裂岩体的性质决定了高地应力软岩巷道的大变形特征。小煤柱注浆加固不仅有效提高了抗剪强度，还增加了延伸特性，保持
5、了小煤柱的完整。此外，小煤柱在经过注浆加固后，其采动裂隙的透气性大大降低，可有效减少采空区漏风和瓦斯排放的积累。3 无机防灭火材料防治自燃灾害的应用31 无机防灭火材料防灭火机理无机防灭火材料覆盖和破碎煤岩体固结时，应当使破碎煤团与空气隔绝，防止破碎煤团进一步氧化，同时还能覆盖采空区以隔离氧气。无机防灭火材料的浆液体积为 96%。在充填注浆过程中，较低的浆体温度吸收了大量热量，使浆体煤的接触温度迅速降低。如果煤浆在高温煤中着火，煤浆水气化消耗大量能量，能迅速降低煤温，有效抑制煤层自燃。无机防灭火材料泥浆的渗透性强，流动性好，能有效填补裂缝，封堵漏风，防止破碎煤体自燃。无机防灭火材料采用 A 料
6、浆与 B 料浆 1 1 配比，达到最佳的凝固效果和强度效果。如果两种浆料配比不均匀，会严重影响材料的使用效果，因此施工时采用双液注浆泵。32 无机防灭火材料封堵加固煤柱81303 工作面回风侧煤柱有不同程度的破碎，增加了裂缝，加大了采空区漏风量，加速遗煤氧化储热。对于小煤柱的不加固、巷道表面瓦斯涌出、老采空区泄漏等情况，向煤柱内注入无机防灭火材料和煤固结，不仅可以加固破碎的煤，还可以封堵煤柱裂缝，防止风进入采空区，隔绝氧气79。根据实验室的试验结果，综合考虑地下的施工条件、水泥浆水泥强度和材料消耗等因素，确定水灰比为 15 1。高压力的注浆有利于泥浆渗透，减少注浆孔数量，但可能破坏围岩的整体结
7、构，导致注浆被破坏。如果岩体存在明显裂缝，注浆压力一般不超过 2MPa;如果围岩裂缝破裂严重，一般不会超过 1MPa，裂纹开启时间可达 1 2MPa。如果岩性较弱，注浆压力应控制在抗压强度的 1/10 以下，防止开裂。对渗透性较差的岩体，应采用加密注浆孔，而不是单纯提高注浆压力。另外，小裂缝应考虑采用深孔灌浆，可适当增大灌浆压力。为保证注浆效果，一般采用不小于 2MPa 的注浆压力。81303 工作面的止浆压力为 15MPa。注浆时，当注浆孔达到设计压力时，关闭注浆泵 3 5min。注浆压力明显下降时，启动注浆泵，直至注浆压力稳定在设计最终孔的注浆压力值(1.5MPa)不再下降，方可停止。33
8、 注浆孔布置和孔深注浆孔的布置原则是保证浆液尽可能较多地、均匀地渗透到破碎围岩中，注浆管要打到破碎岩体内部。图 2注浆孔布置图如图 2 所示，布置一排注浆孔，孔间距均为 4m，钻孔直径为 32mm，钻孔为上行孔，仰角为 7，孔长为4.03m，开孔高度为 15m，终孔位置位于煤体内部。34 注浆设备及注浆管注浆设备为电动双液注浆泵。注浆所需的主要设备和参数见表 1。图 4 为注浆设备配置布置示意图，图5 为注浆填充工艺流程图。表 1注浆主要设备一览表序号名称型号尺寸数量价格1注浆充填泵ZBYSB280/225522搅拌桶JBJ1500 型43高压胶管直径 32mm注浆管采用 PVC 管，外径 2
9、0mm，长 4m，内径 8mm，壁厚 6mm，外端加工 30mm 长 M20 外螺纹。注浆管里段 21m 部分加工 6 组(12 个)6mm 出浆孔，封孔长11度 1870mm，如图 3 所示。图 3注浆管加工示意图图 4注浆设备配置布置示意图图 5注浆充填工艺流程图4 CO、CH4浓度和温度CO 的浓度在灌浆前最高达到 120ppm，灌浆后稳定在 24ppm 以下。在注浆前，回气通道的 CH4浓度最高可达 15%，注浆后稳定在 05%以下。在温度方面，钻孔进入老采空区进行温度监测后再充填老采空区。监测系统还可对灌浆后的采空区进行监测。巷道与采空区温度监测采用常规温度指示器。灌浆前巷道温度降低
10、 05，采空区温度降低 51011。5 结论51 小煤柱在灌浆加固后，开采裂缝的透气性会大大降低，可有效减少采空区内空气泄漏和采空区气体排放的积累。52 小煤柱经过注浆加固，在一定范围内将裂缝发育充分的煤岩体固结为一个整体，提高了煤岩体的承载能力，提高了煤岩的承载强度，使巷道变形得到更有效的控制。参考文献:1 万串串，李夕兵，马春德基于围岩松动圈现场测试的深部软岩巷道支护技术优化 J 矿冶工程，2012，32(01):1216 2 钱鸣高，石平五，许家林矿山压力与岩层控制 M 徐州:中国矿业大学出版社，2010 3 穆三奴，白彦文，赵涛，等充填技术在自动化薄煤层工作面中过空巷研究及应用 J 能
11、源技术与管理，2019，44(03):9192+98 4 于维雨，杨世敏，刁碧波，等环保型化学注浆加固材料的研制及应用 J 煤炭科学技术，2013，41(S2):1921 5 孙秋荣，胡鑫印李堂煤矿薄煤层开采沿空留巷技术研究与应用 J 中国煤炭，2020，46(02):100105 6 王明洋，范鹏贤，李文培岩石的劈裂和卸载破坏机制 J 岩石力学与工程学报，2010，29(02):234241 7 祁琳无机防灭火材料在大采高工作面自燃灾害防治中的应用 J 山西冶金，2019，42(06):139141 8 樊宇波大采高采空区遗煤自燃氧化规律及防灭火技术研究 J 煤炭与化工，2022，45(02):143146+150 9 秦汝祥，陈国栋，骆大勇，等羊场湾大采高易自燃工作面 CO 分布规律研究 J 中国安全生产科学技术，2022，18(01):126131 10 李玉福88m 超大采高工作面煤自燃防治经验探讨 J 工矿自动化，2021，47(03):112118 11 袁光明，刘建绘大采高工作面采空区自燃规律及防治研究 J 煤炭技术，2020，39(12):8993作者简介:张煜(1992)，男，山西平遥县人，硕士，助教，从事煤矿开采技术教学与研究工作。21