矿井粉煤灰灌浆防灭火方法

摘要

本发明涉及一种矿井粉煤灰灌浆防灭火方法，保证工作面的安全生产。本发明将目前灌浆的井下主要工作量转移至地面完成，即通过地面灌浆系统将灌浆充填材料按比例混合后利用灌浆管网将混合浆液输送至井下，对工作面开切眼、正常回采、末采及撤架期间进行预防性防火灌浆，保证工作面不因自然发火而影响正常生产。

说明书

技术领域

本发明属于煤矿安全技术领域，特别是一种矿井粉煤灰灌浆防灭火方法。

背景技术

随着我国煤炭产量不断增加，新建、扩建矿井增多和开采强度、开采深度增大，煤矿安全事故出现了频发的局面。目前发生的矿井事故主要有火灾、透水、冒顶、瓦斯突出等，其中又以火灾事故尤为突出。而煤炭自燃而引起的火灾占矿井火灾总数的90%以上，煤矿每年由于自燃造成的直接和间接经济损失近百亿元，煤炭自燃已成为制约我国煤炭工业高产高效的主要灾害之一。

煤自然发火主要是由空气渗透进入松散煤体，空气中的氧与煤分子表面的活性结构接触，发生物理吸附、化学吸附及化学反应，同时放出热量，在一定的蓄热环境下，煤体不断地氧化、放热、升温，当煤温超过临界温度后，煤体继续升温，达到煤的着火点温度，最终导致煤体燃烧。煤巷冒顶区松散煤体自燃其实是松散煤体氧化耗氧与漏风供氧的氧平衡和氧化生热与漏风对流散热的热平衡之间的微循环过程。

随着我国煤矿开采技术装备的不断进步，现代化煤矿生产能力进一步增强，掘进、回采工艺推陈出新；但同时，也给矿井的防火工作带了新的问题和压力，主要表现为：一是，大多数现代化矿井采煤工作面顺槽采用联采机双巷掘进，两巷之间联络巷较密集（平均每100m就有一个），生产过程中需要及时封密，工人劳动强度高、工作量大，且密闭质量能以保证，容易造成大面积采空区相互串通，引起遗煤自燃；二是，为了提高工作面永久密闭的质量，防止向采空区漏风，目前大多数矿井工作面永久密闭厚度均施工5m以上（既两道各1m厚的料石墙，中间充填3m厚的黄土或粉煤灰），井下材料运输量大，劳动量大，施工周期长，影响煤矿的正常生产；三是，为了解决密闭内充填的黄土（粉煤灰）不能接顶密实问题，通过会向密闭内注入有机膨胀材料提高密封效果，但黄土受潮或遇水会收缩下沉，巷道顶部形成漏风供氧通道，容易引起采空区遗煤自燃。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种矿井粉煤灰灌浆防灭火方法，保证工作面的安全生产。

为解决以上技术问题，本发明采用的技术方案是：一种矿井粉煤灰灌浆防灭火方法，包括以下步骤：

（1）工作面开切眼期间，在工作面推采之前，从回风顺槽沿工作面倾向安设一趟灌浆管路，灌浆管路均匀开4个孔，并将回风顺槽灌浆主管路和铺设好的切眼灌浆支管进行对接；

当工作面回采至距切眼50m后，利用粉煤灰制浆充填系统在地面将粉煤灰与水在制浆机内搅拌均匀，制成水灰比1：1的粉煤灰浆液，添加1‰悬浮剂，沿灌浆主管路输送至作业地点，对切眼浮煤进行灌浆，防止其自燃，灌浆完毕断开灌浆主管与切眼灌浆支管连接；

（2）工作面正常推采过程中，每推进100m对工作面上下端头进行沙袋墙封堵，并进行喷涂，墙顶预埋灌浆管路，将其和灌浆主管路连接；

在地面粉煤灰制浆充填系统将粉煤灰和水泥粉料按3：1进行混合后，与制浆设备中与水2：1混合制成粉煤灰混合浆液，沿灌浆主管路输送至井下作业点附近，于灌浆主管路三通处利用阻化泵添加5%胶凝固化剂，制成粉煤灰固化浆液，在沙袋墙后砌筑起一道粉煤灰固化充填闭墙，结合沙袋墙封堵两端头漏风；

（3）工作面推采过程中遇断层影响推进速度情况下，分别在工作面两巷口处向工作面架后方向沿不同角度对工作面架后施工灌浆钻孔，终孔位置落于架后顶板、滞后工作面3m，并将其顺次与灌浆主管连接，

利用地面粉煤灰制浆充填系统在地面将粉煤灰粉料与水1：1混合制成粉煤灰浆液后，沿灌浆主管路输送至井下作业点附近，在井下作业点附近灌浆主管三通处利用注浆装置加入2‰的复合胶体材料，与粉煤灰浆液在管道内混合制成粉煤灰复合胶体，对架后浮煤灌注粉煤灰复合胶体，预防其自燃；

（4）工作面回采至距停采线50m即进入末采阶段，

a.对工作面两端头进行沙袋墙封堵，并通过沙袋墙顶部预埋灌浆管向沙袋墙后灌注粉煤灰固化膨胀浆液，在沙袋墙后砌筑永久闭墙，每堵沙袋墙后充填量约为70m3，

b.于工作面两端头向架后施工灌浆钻孔，每天对工作面架后浮煤进行预防性灌注粉煤灰复合胶体，灌至工作面见浆即停;

上述两种方法交替实施，间隔为10m;

（5）工作面停采撤架期间，停采后，在工作面两端头用沙袋墙严密封堵，预埋高位灌浆管，并进行喷涂，

在地面系统设备中将粉煤灰和水泥粉料按3:1搅拌均匀后与水按2:1混合制成粉煤灰混合浆液，沿灌浆主管路输送至井下作业点附近，于灌浆主管路三通处利用阻化泵添加5%胶凝固化剂，制成粉煤灰固化浆液，向沙袋墙后灌浆，每堵沙袋墙后灌注量约为70m3，在沙袋墙后砌筑起一道粉煤灰固化充填闭墙，结合沙袋墙封堵两端头漏风；工作面三机撤离完毕后，在工作面撤架巷内间隔向工作面液压支架后施工高位灌浆钻孔，将灌注主管路依次与上述灌浆钻孔对接；利用粉煤灰固化充填系统在地面将粉煤灰粉料与水按1:1混合制成粉煤灰浆液，沿灌浆主管路输送至井下作业点附近，在作业点附近灌浆主管路三通中利用注浆装置添加2‰复合胶体材料，向架后灌注粉煤灰复合胶体浆液，在沿工作面倾向构筑起一道封堵隔离带，为工作面顺利搬家提供保障。

本发明将目前灌浆的井下主要工作量转移至地面完成，即通过地面灌浆系统将灌浆充填材料按比例混合后利用灌浆管网将混合浆液输送至井下，对工作面开切眼、正常回采、末采及撤架期间进行预防性防火灌浆，保证工作面不因自然发火而影响正常生产。

附图说明

图1是工作面切眼灌浆工艺流程图。

图2是工作面两端头封堵灌浆工艺流程图。

图3是工作面灌注复合胶体工艺流程图

图中，1-储灰罐，2-螺旋输送机，3-制浆机，4-缓浆池，5-渣浆泵，6-清水泵，7-井下灌浆管网，8-阻化泵，9-注浆装置。

具体实施方式

以大同煤矿集团公司云冈煤矿8617工作面防火应用为例，对本发明要求保护的技术方案做进一步清楚、完整的说明。

云冈井田位于山西省大同市西18km，其地理坐标为东经113°3′14″~113°7′43″，北纬40°4′18″~40°12′11″。井田南北长13.11km，东西宽5.75km，井田面积为58.3068km2。井田东与晋华宫井田、吴官屯井田及云冈石窟保护煤柱相邻，南与煤峪口井田、忻州窑井田相邻，西与姜家湾井田及大同市社队小窑区相邻，北与大同市北郊区小煤窑区相邻。云冈煤矿采用立井、斜井混合式分区开拓，主生产水平为980主皮带运输系统，1030水平为辅助运输水平，矿井主要运输大巷位于井田中央，南北纵贯全井田，沿大巷东西两侧布置采取。目前矿区有主要生产盘区4个，分别为：8#煤层408盘区、11^-2#煤层311盘区、12#煤层406盘区及12#煤层408盘区。矿井共布置3个普通综采工作面（工作面两巷布置，采用“U”型通风），1个大采高综采工作面（工作面两巷布置，采用“U”型通风）、1个低位放顶煤综采工作面（工作面五巷布置，采用“三进两回” 通风）和13个掘进工作面（全部采用大功率2×15Kw和2×30Kw对旋风机，压入式通风）。综采工作面采用走向长壁后退式、采空区全部垮落法开采（自然垮落及人工强制放顶），掘进工作面采用机掘和炮掘两种方式。云冈煤矿采用抽出式通风，全矿现有7个进风井（副井、材料斜井、402进风井、南翼进风井、主皮斜井、305立井、311材料斜井）、4个回风井（311风井、402风井、404风井、408风井），共有四台主扇（311主扇、402主扇、404主扇、408主扇）联合运转。矿井计划风量35099m³/min，矿井总进风量38631m³/min，矿井总排风量39444m³/min，矿井有效风量35997m³/min。云冈煤矿属高瓦斯矿井，2012年矿井瓦斯鉴定：全矿瓦斯绝对涌出量为33.03m³/min，二氧化碳绝对涌出量75.29m³/min；瓦斯相对涌出量3.61m³/t，二氧化碳相对涌出量为8.22m³/t。矿区目前开采的8^#、11^-2#、12^#层均有自燃倾向性，煤层自然发火期为11个月以上。12^#煤层属2^#弱粘煤，硫份含量为1.4%～2.1%。

8617工作面位于12^#煤层406盘区，煤层总体比较稳定，厚度为6.1m～8.6m，平均厚度7.2m。工作面煤层直接顶北部以浅灰白色细砂岩为主，中部以灰色的细砂岩与砂质页岩互层为主，南部以细砂岩和含砾粗粒砂岩为主。工作面煤层直接底北部以灰白色细粒砂岩为主，中部以中-细粒砂岩为主，南部以灰白色粉细砂岩互层为主。工作面走向长度为1014m，倾斜长度165m。地面标高+1297m～+1310m，工作面标高+920m～+972m。工作面北部为406^-3皮、406^-3轨、506^-3回三条盘区巷，西部为8617工作面，东部和南部靠近宏达煤矿小窑破坏区。

工作面采用五巷布置方式，顺槽大致沿煤层倾向布置，切巷大致沿煤层走向布置，垂直于顺槽。工作面轨道顺槽和皮带顺槽沿煤层底板布置，二条工艺巷和顶回风巷沿煤层顶板布置。

巷道采用螺纹钢锚杆（钢带、水泥托板）、锚索支护管理顶板，螺纹钢锚杆直径为18mm，长1700mm，锚索长6.0m、8.0m，直径17.8㎜，顶板破碎时，采用锚索梁或架设工字钢梁支护顶板。

2617、5617巷采用锚杆、锚索联合支护，锚杆排间距为1.0×0.9米，钢带垂直巷道布置。5617巷沿巷中布置一排锚索，2617巷锚索在巷道顶板布置二排，

间距3.0米，巷道两帮分别布置两排护帮锚杆加聚胺酯塑料网或金属网。

8617切巷锚杆支护排间距为1.0×0.9米，钢带垂直切巷布置，布置两排锚索钢梁，排距为2.0米。2617^-1、2617^-2及5617^-1巷采用锚杆支护，排间距为1.0×1.0米，托板垂直巷道方向布置。

8617工作面采用单一长壁后退式低位放顶煤综合机械化的采煤方法，推进方向为由南向北沿煤层倾向后退式，采空区顶板全部垮落法开采。根据所选支架，采煤机采高范围和放顶煤最佳高度以及后运输机高度等因素综合考虑，确定机采高度为3.0米，放顶煤厚度平均为4.2米(3.1-5.6米)。采放比为1：1.4。

工作面采用三进二回的通风方式，即2617、2617^-1、2617^-2巷进风，5617、5617^-1巷回风。

（1）工作面防火应用

利用粉煤灰制浆充填系统可以进行工作面生产过程中的日常防灭火工作，对工作面开切眼、正常推采、末采及撤架期间进行灌浆防火，保证工作面的正常生产。

切眼防火灌浆

工作面开切眼期间，遗煤较多，且推采速度慢，防火压力较大。在工作面推采之前，从回风顺槽沿工作面倾向安设一趟灌浆管路，灌浆管路均匀开4个孔，并将回风顺槽灌浆主管路和铺设好的切眼灌浆支管进行对接。灌浆工艺如图1所示。

当工作面回采至距切眼50m后，利用粉煤灰制浆充填系统在地面将粉煤灰与水在制浆机内搅拌均匀，制成水灰比1：1的高浓度粉煤灰浆液，添加1‰悬浮剂（防止其在管道输送过程中沉淀，堵塞灌浆管），沿灌浆主管路输送至作业地点，对切眼浮煤进行灌浆，防止其自燃。对8617工作面切眼灌浆总量约为3000m3，灌浆完毕断开灌浆主管与切眼灌浆支管连接，并每日进行气体监测。

工作面正常推采过程中，如推进速度及指标气体等正常，则每推进100m对工作面上下端头进行沙袋墙封堵，务必封堵严实，并进行喷涂，墙顶预埋灌浆管路，将其和灌浆主管路连接。灌浆工艺见图2。

在地面粉煤灰制浆充填系统将粉煤灰和水泥粉料按3：1进行混合后，与制浆设备中与水2：1混合制成粉煤灰混合浆液，沿灌浆主管路输送至井下作业点附近，于灌浆主管路三通处利用阻化泵添加5%胶凝固化剂，制成粉煤灰固化浆液，在沙袋墙后砌筑起一道粉煤灰固化充填闭墙，结合沙袋墙封堵两端头漏风，确保工作面安全生产。每堵沙袋墙后充填量约为70m3，工作面每推进100m重新扎设沙袋墙并进行封堵充填。

工作面推采过程中遇断层等影响推进速度情况下，架后浮煤自燃可能性大，易造成工作面CO超限，威胁工作面正常生产。此时分别在工作面两巷口处向工作面架后方向沿不同角度对工作面架后施工灌浆钻孔，终孔位置落于架后顶板、滞后工作面3m左右，并将其顺次与灌浆主管连接，灌浆工艺见图3。

利用地面粉煤灰制浆充填系统在地面将粉煤灰粉料与水1：1混合制成粉煤灰浆液后，沿灌浆主管路输送至井下作业点附近，在井下作业点附近灌浆主管三通处利用注浆装置加入2‰的复合胶体材料，与粉煤灰浆液在管道内混合制成粉煤灰复合胶体，对架后浮煤灌注粉煤灰复合胶体，预防其自燃。灌浆记录见表2-27。每个钻孔灌浆量约为100m3，灌注完两端头6个钻孔后，对气体进行监测，如有异常，则继续向架后施工钻孔进行灌浆。

工作面回采至距停采线50m即进入末采阶段，该阶段停止放顶煤，架后及两顺槽遗留大量浮煤，且推进速度缓慢，防火压力大。为了安全生产，该阶段交替进行两套防火措施：

a.对工作面两端头进行沙袋墙封堵，并通过沙袋墙顶部预埋灌浆管向沙袋墙后灌注粉煤灰固化膨胀浆液，在沙袋墙后砌筑永久闭墙（方法同），每堵沙袋墙后充填量约为70m3；

b.于工作面两端头向架后施工灌浆钻孔（方法同），每天对工作面架后浮煤进行预防性灌注粉煤灰复合胶体，灌至工作面见浆即停。

上述两种方法交替实施，间隔为10m。

工作面停采撤架期间，持续时间较长，架后浮煤自燃概率较高。

停采后，在工作面两端头用沙袋墙严密封堵，预埋高位灌浆管，并进行喷涂。将灌浆主管路与其对接。在地面系统设备中将粉煤灰和水泥粉料按3:1搅拌均匀后与水按2:1混合制成粉煤灰混合浆液，沿灌浆主管路输送至井下作业点附近，于灌浆主管路三通处利用阻化泵添加5%胶凝固化剂，制成粉煤灰固化浆液（灌浆工艺见图2），向沙袋墙后灌浆，每堵沙袋墙后灌注量约为70m3，在沙袋墙后砌筑起一道粉煤灰固化充填闭墙，结合沙袋墙封堵两端头漏风；工作面三机撤离完毕后，在工作面撤架巷内按一定间隔向工作面液压支架后施工高位灌浆钻孔，将灌注主管路依次与上述灌浆钻孔对接。利用粉煤灰固化充填系统在地面将粉煤灰粉料与水按1:1混合制成粉煤灰浆液，沿灌浆主管路输送至井下作业点附近，在作业点附近灌浆主管路三通中利用注浆装置添加2‰复合胶体材料，向架后灌注粉煤灰复合胶体浆液（灌注工艺见图3），在沿工作面倾向构筑起一道封堵隔离带，为工作面顺利搬家提供保障。灌浆总量约为2500m3。

（2） 气体监测

工作面保持常规推进速度，正常回采时，只需对工作面上、下隅角及工作面架后每隔15架进行气体监测。发现异常则另行处理。

工作面开切眼、遇断层等推进速度缓慢时，加强对上、下隅角气体监测。

工作面进入末采后，沿两顺槽分段铺设气体监测束管，对工作面采空区气体进行监测；加强对工作面上下隅角及架后气体的监测。

工作面停采撤架时，重点对上下隅角及架后气体进行监测，尤其对末采期间预埋的束管内气体进行监测。

（3） 灌浆效果

通过对8617工作面生产过程中进行预防性灌浆处理，保证了工作面的安全生产，推进过程中指标气体基本在可控范围内，生产正常。