邻采空区小煤柱漏风通道封堵技术研究

邻采空区小煤柱漏风通道封堵技术研究摘要：小煤柱因采动和矿压作用易破碎，形成漏风通道，导致煤体氧化升温，引发煤柱及相邻采空区自燃发火用本文以陕西黄陵二号煤矿422工作面为研究对象，分析小煤柱及邻近采空区的漏风规律，采用煤柱充填堵漏及煤柱表面薄喷堵漏技术，对小煤柱内部硐室空洞区及破碎煤体区域进行漏风通道封堵煤矿火灾是矿井五大灾害之一主要成因是煤自燃开占矿井火灾的70%以上小煤柱因受矿压和采动应力的反复作用开结构强度降低开裂隙增多渗透性显著增强极易形成漏风通道为煤体氧化升温提供条件诱发自燃发火#尤其是在沿空掘巷及邻近采空区条件下小煤柱宽度小开通常为5～10m1开破碎后漏风供氧充分自燃风险更大#同时开煤柱破碎形成的漏风通道还可能导致采空区遗煤自燃、瓦斯积聚甚至引发煤与瓦斯复合灾害²1开对煤矿安全生产构成严重威胁用近年来针对小煤柱及采空区自燃发火问题开国内外学者开展大量研究用小煤柱的卸压效应使其内部裂隙发育显著渗透率较高研究表明开小煤柱中的裂隙通常具有非均质性和复杂性开漏风通道形成与采动应力及煤体强度直接相关采空区与工作面的压力差是漏风的驱动力开裂隙孔隙分布决定了漏风通道的连通性³〕用漏风引入氧气加速煤体的低温氧化反应是煤体自燃发火的关键过程煤体在氧化过程中会释放热量若散热不足温度升高可能触发发火⁴曲通常发生在裂隙发育的薄弱煤柱区域如邻近采空区的边缘位置或煤柱中部贯通裂隙处用封堵技术是控制漏风的基础措施通过填充裂隙、阻断气流降低氧气渗入量用此外随着矿井信息化技术发展主动监测与预警技术为小煤柱防灭火提供支持本文以陕西黄陵二号煤矿422工作面为研究对象结合现场情况开展小煤柱及邻近采空区的漏风规律测定、煤柱空洞充填防控技术研究与应用用1工程概况陕西黄陵二号煤矿422工作面走向长度2562m开罗系中统延安组2号煤层开煤层厚度4.6～邻近的420采空区仅隔10m小煤柱用相邻420采空区一侧存在9个硐室最大硐室与422回风巷煤柱的最小距离仅为2m加剧了漏风及煤自燃风险工作面硐室及煤柱局部示意图如图1所示调车硐室420胶带巷由于小煤柱受采动应力和矿压影响裂隙增多、结构破碎渗透性显著提高长期漏风供氧极易导致煤柱内部及采空区遗煤发生氧化升温开引发自燃发火#同工作面涌出提供路径可能引发瓦斯与煤自燃复合灾害2邻近采空区漏风点确定现场测定结果显示420采空区多处于负压状态开导致422回风巷煤柱向420采空区进风用采用分段式排查检测422回风煤柱的关键漏风区域用通过在正压和负压两种状态下用在422回风煤柱钻孔内释放SF₆气体开通过定点检测掌握SF₆运移规律开测算漏风速度多区间分段检验漏风区域用工作面的释放点与测试点布置如图2、图3所示图2负压状态下422煤柱释放点及邻近采空区测点示意图图3正压状态下422煤柱释放点及测点示意图本次测定采用脉冲式释放方式开每次携带1个气袋至井下释放点5min释放一袋气体开根据划分区域逐点释放并记录时间根据检测结果422回风煤柱及邻近采空区的漏风速度在正、负压条件下分别测定开确定420采空区与418采空区的漏风贯通现象用422回风巷小煤柱存在6处关键漏风位置分别为390m、600m、850~1611～3283mHSF。浓度较高且持续时间超过2min用基于采空区的压差条件开对漏风位置及速度定点测试后得到422回风巷小煤柱关键漏风区域如图4所示用综合现场观测及漏风测定结果进行分析开得出422回风小煤柱的关键漏风位置及邻近采空区的总体漏风规律确定422回风巷煤柱的3个关键漏风位置及3个关键漏风区域用携氧风流分别由422回风巷小1320~1340m区域进入420采空区随后向巷口、密闭墙方向流动而采空区内部漏风通道主要呈扇形分布开整体以隔离煤柱为运移媒介开使420采空区与418采空区连通其中开390m处与1“水仓相邻、850～890m区域包含3°调车硐室、1320～1340m区域靠近5调车硐室由于水仓及硐室存在使周边煤体的稳固性受到影响产生发育程度不同的裂隙用总体漏风情u图5422回风煤柱邻近采空区漏风通道示意图3煤柱硐室空洞充填喷涂堵漏技术研究小煤柱受压破碎后长期漏风可能导致局部及相邻420采空区出现自燃发火用为有效实现煤柱空洞完全充填加固消除隐患开需要对9个硐室空洞进行充填并在煤柱表面进行喷涂堵漏用材料选取CT-1无机固化充填材料、KADL型充填堵漏剂以及HR-GK型快速密闭喷涂材料见图6用(a)CT-1型充填材料(b)KADL型充填堵漏剂图6空洞充填堵漏材料3.1煤柱空洞区域充填材料特性3.1.1CT-1无机固化充填材料技术指标CT-1无机固化充填材料是一种双组分无机固化材料由A组分和B组分构成A组分主要以水泥为基材的充填骨料B组分为高水胶凝剂用两种组分在专用注浆设备内与水混合开随后被注入待充填空间用浆液的水灰比(CT-1:水)为1.2:1开CT-1与胶凝剂的配比为38:1用这一配比在保证浆液流动性的同时确保固化后的充填体具有足够强度和稳定性用该材料不仅具备充填功能还能加固煤体且固化过程中不放热、不破坏原有结构展现高强度等优良特性表1列出了CT-1无机固化充填材料的技术指标包括甲料(A组分)和乙料(B组分)的刺激性气无无白色粉末自燃堆积密度(g/cm3)阻燃性3.1.2注浆工艺参数自422回风巷1#联巷74m至切眼区段小煤柱施工注浆孔田使用双液泵向煤柱内压注充填堵漏剂达到封堵裂隙的目的防止小煤柱漏风、采空区瓦斯逸出开预防煤柱氧化自燃用压注前开施工两排注浆孔开两排注浆孔垂直排距1.2m上排注浆孔距离顶板1.1m下排注浆孔距离底角10°下排注浆孔倾角5°注浆孔斜长3m#根据煤柱空洞体积充填总量按下式计算：式中：V(总)-充填总体积开m³jJs-煤柱空洞断面积开m²PL一煤柱空洞充填长度开mVf-注浆系数开因空洞为开放区域至少取1.8开则充填总量为v(总)=材料选用HR-GK型快速密闭喷涂材料开在煤柱空洞区注浆充填封堵完毕后开使用该材料对422回风巷1#联巷74m至切眼区段小煤柱全断面进行薄喷起到隔绝氧气和封堵的作用防止小煤柱漏风预防煤柱氧化自燃现场施工及喷涂效果如图7所示图7422回风小煤柱薄喷示意图3.3充填喷涂堵漏效果评价在充填喷涂作业前后开分别对目标区域的漏风速度进行监测并记录数据#监测设备采用高精度风速仪确保数据准确和可靠#同时用结合工程情况开对充填材料的物理性质、化学稳定性及施工工艺进行综合分析用充填前后漏风速度对比如图8所示在充填喷涂作业实施前目标区域存在较明显的漏风现象充填前开422回风巷1300m处的漏风速度为89.27m/min开充填后降至19.7m/mi422回风巷1500～1300m处的漏风速度从66.67m/min充填前漏风速率充填后漏风速率降至16.4m/min降低75.4%422回风巷1300～900m处堵漏效果良好充填前存在漏风情况用漏风速度为26.67m/min开充填后漏风速度为o其他关键地点的漏风速度也从26.67～74.32m/min降至0～29.4m/min平均降低60%～100%用充填施工填充了煤柱和采空区的裂隙和空隙开减少气体的渗流路径提高了密封性能显著降低了氧气供应有效抑制了煤自燃风险用研究成果应用为类似条件下的煤矿安全防控提供