综采工作面架间高位插管注浆防灭火应用研究.pdf

第 ４２ 卷第 ５ 期煤 炭 科 学 技 术Ｖｏｌ􀆱 ４２ Ｎｏ􀆱 ５ ２０１４ 年５ 月Ｃｏａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ ＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＭａｙ ２０１４ 综采工作面架间高位插管注浆防灭火应用研究 柏发松ꎬ方昌才ꎬ陈 宿ꎬ时创新 淮南矿业集团有限责任公司 潘三煤矿ꎬ安徽 淮南 ２３２０９６ 摘 要为了解决顶板有覆煤的采空区防灭火问题ꎬ在潘三煤矿 １６２２３工作面架间采用高位插管注 浆防灭火技术ꎮ 研究结果表明ꎬ该技术弥补了采煤工作面上隅角埋管注浆、工作面洒浆、运输巷埋管 注氮、轨道巷顶板走向边孔注浆等原始技术措施不能够对采空区顶板覆煤起到全覆盖防灭火作用的 不足ꎬ能够扩大采空区遗煤注浆覆盖范围ꎬ提高注浆防火技术的可靠性ꎬ高位钻场顶板走向孔抽采总 管中的 ＣＯ 体积分数由原来的 １５１０ －６ 下降到 ４１０ －６ ꎬ有效防止遗煤氧化ꎬ防火效果显著ꎮ 关键词综采工作面ꎻ高位插管ꎻ注浆ꎻ防灭火 中图分类号ＴＤ７５ 文献标志码Ａ 文章编号０２５３－２３３６２０１４０５－００４５－０３ Ｓｔｕｄｙ ｏｎ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ Ｇｒｏｕｔｉｎｇ Ｆｉｒｅ Ｐｒｅｖｅｎｔｉｏｎ ａｎｄ Ｃｏｎｔｒｏｌ ｗｉｔｈ Ｈｉｇｈ Ｌｅｖｅｌ Ｔｕｂｅ ｉｎ Ｇｏａｆ Ｂｅｔｗｅｅｎ Ｈｙｄｒａｕｌｉｃ Ｐｏｗｅｒｅｄ Ｓｕｐｐｏｒｔｓ ｏｆ Ｆｕｌｌｙ－Ｍｅｃｈａｎｉｚｅｄ Ｃｏａｌ Ｍｉｎｉｎｇ Ｆａｃｅ ＢＡＩ Ｆａ￣ｓｏｎｇꎬＦＡＮＧ Ｃｈａｎｇ￣ｃａｉꎬＣＨＥＮ ＳｕꎬＳＨＩ Ｃｈｕａｎｇ￣ｘｉｎ Ｐａｎｓａｎ ＭｉｎｅꎬＨｕａｉｎａｎ Ｍｉｎｉｎｇ Ｇｒｏｕｐ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ ＬｉｍｉｔｅｄꎬＨｕａｉｎａｎ ２３２０９６ꎬＣｈｉｎａ ＡｂｓｔｒａｃｔＩｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｓｏｌｖｅ ａ ｆｉｒｅ ｐｒｅｖｅｎｔｉｏｎ ａｎｄ ｃｏｎｔｒｏｌ ｐｒｏｂｌｅｍ ｏｆ ｔｈｅ ｇｏａｆ ｗｉｔｈ ｔｏｐ ｃｏａｌ ｒｏｏｆꎬａ ｇｒｏｕｔｉｎｇ ｆｉｒｅ ｐｒｅｖｅｎｔｉｏｎ ａｎｄ ｃｏｎｔｒｏｌ ｔｅｃｈ￣ ｎｏｌｏｇｙ ｗｉｔｈ ｈｉｇｈ ｌｅｖｅｌ ｉｎｔｕｂａｔｉｏｎ ｉｎ ｇｏａｆ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｈｅ ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｐｏｗｅｒｅｄ ｓｕｐｐｏｒｔｓ ｏｆ Ｎｏ􀆱 １６２２３ｃｏａｌ ｍｉｎｉｎｇ ｆａｃｅ ｉｎ Ｐａｎｓａｎ Ｍｉｎｅ.Ｔｈｅ ｓｔｕｄｙ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｇｒｏｕｔｉｎｇ ｆｉｒｅ ｐｒｅｖｅｎｔｉｏｎ ａｎｄ ｃｏｎｔｒｏｌ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｃｏｕｌｄ ｍａｋｅ ｕｐ ｔｈｅ ｓｈｏｒｔａｇｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ｇｒｏｕｔｉｎｇ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｐｉｐｅｌｉｎｅ ｂｕｒｉｅｄ ａｔ ｔｈｅ ｔｏｐ ｃｏｒｎｅｒ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏａｌ ｍｉｎｉｎｇ ｆａｃｅꎬｔｈｅ ｇｒｏｕｔｉｎｇ ｓｐｒａｙｉｎｇ ｏｖｅｒ ｔｈｅ ｃｏａｌ ｍｉｎｉｎｇ ｆａｃｅꎬｎｉｔｒｏｇｅｎ ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｐｉｐｅｌｉｎｅ ｂｕｒｉｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｔｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎ ｇａｔｅｗａｙꎬｔｈｅ ｇｒｏｕｔｉｎｇ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｂｏｒｅｈｏｌｅｓ ｉｎ ａｌｏｎｇ ｔｈｅ ｒｏｏｆ ｓｔｒｉｋｅ ｏｆ ｔｈｅ ｒａｉｌｗａｙ ｇａｔｅｗａｙ ａｎｄ ｏｔｈｅｒ ｔｅｃｈｎｉｃａｌ ｍｅａｓｕｒｅｓ ａｎｄ ｃｏｕｌｄ ｅｎｌａｒｇｅ ｔｈｅ ｇｒｏｕｔｉｎｇ ｓｃｏｐｅ ｉｎ ｔｈｅ ｇｏａｆ ｗｉｔｈ ｔｏｐ ｃｏａｌ ｒｏｏｆ.Ｔｈｅ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｃｏｕｌｄ ｉｍｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｇｒｏｕｔｉｎｇ ｆｉｒｅ ｐｒｅｖｅｎ￣ ｔｉｏｎ ａｎｄ ｃｏｎｔｒｏｌ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ａｎｄ ｃｏｕｌｄ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ ｐｒｅｖｅｎｔ ｔｈｅ ｏｘｉｄｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｌｅｆｔ ｃｏａｌ ｗｉｔｈ ｒｅｍａｒｋａｂｌｅ ｆｉｒｅ ｐｒｅｖｅｎｔｉｏｎ ｅｆｆｅｃｔ. Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓｆｕｌｌｙ－ｍｅｃｈａｎｉｚｅｄ ｃｏａｌ ｍｉｎｉｎｇ ｆａｃｅꎻｈｉｇｈ ｌｅｖｅｌ ｔｕｂｅ ｉｎ ｇｏａｆꎻｇｒｏｕｔｉｎｇꎻｆｉｒｅ ｐｒｅｖｅｎｔｉｏｎ ａｎｄ ｃｏｎｔｒｏｌ 收稿日期２０１４－０１－１０ꎻ责任编辑王晓珍 ＤＯＩ１０.１３１９９/ ｊ.ｃｎｋｉ.ｃｓｔ.２０１４.０５.０１２ 基金项目国家科技重大专项资助项目２０１１ＺＸ０５０６４ 作者简介柏发松１９７１ꎬ男ꎬ安徽寿县人ꎬ高级工程师ꎬ硕士ꎬ现任淮南矿业集团有限责任公司潘三煤矿总工程师ꎮ 引用格式柏发松ꎬ方昌才ꎬ陈 宿ꎬ等.综采工作面架间高位插管注浆防灭火应用研究[Ｊ].煤炭科学技术ꎬ２０１４ꎬ４２５４５－４７. ＢＡＩ Ｆａ￣ｓｏｎｇꎬＦＡＮＧ Ｃｈａｎｇ￣ｃａｉꎬＣＨＥＮ Ｓｕꎬｅｔ ａｌ.Ｓｔｕｄｙ ｏｎ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ Ｇｒｏｕｔｉｎｇ Ｆｉｒｅ Ｐｒｅｖｅｎｔｉｏｎ ａｎｄ Ｃｏｎｔｒｏｌ ｗｉｔｈ Ｈｉｇｈ Ｌｅｖｅｌ Ｔｕｂｅ ｉｎ Ｇｏａｆ Ｂｅ￣ ｔｗｅｅｎ Ｈｙｄｒａｕｌｉｃ Ｐｏｗｅｒｅｄ Ｓｕｐｐｏｒｔｓ ｏｆ Ｆｕｌｌｙ－Ｍｅｃｈａｎｉｚｅｄ Ｃｏａｌ Ｍｉｎｉｎｇ Ｆａｃｅ[Ｊ].Ｃｏａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎬ２０１４ꎬ４２５４５－４７. ０ 引 言 采煤工作面上隅角埋管注浆、工作面洒浆、轨道 巷走向边孔注浆、运输巷埋管注氮等技术是治理采 空区内遗煤自然发火的主要技术措施[１－４]ꎮ 但以上 防灭火措施均存在一些缺点轨道巷上隅角埋管注 浆因出浆口为 １ 个点ꎬ注浆过程中浆液在采空区内 容易拉沟ꎬ有效注浆范围很小ꎬ并且只能对底板遗煤 起到防灭火效果ꎬ而对顶板覆煤起不到任何防灭火 作用ꎻ轨道巷顶板走向边孔注浆虽然能够对顶板上 覆煤层起到防灭火作用ꎬ但是受钻孔施工时间长、工 程量大、钻孔施工不灵活、控制范围针对性不强等缺 点限制ꎬ导致此种防灭火方式一般使用于工作面收 作期间ꎬ而不应用于工作面正常回采或短期停采期 间ꎻ现在综采工作面配风量基本在 ２ ０００ ｍ３/ ｍｉｎ 左 右ꎬ而注氮量相对于工作面的配风量很小ꎬ所以工作 面运输巷埋管注氮防灭火措施的效果很小[５－１０]ꎮ 针 对上述问题ꎬ笔者提出在综采工作面架间高位插管 注浆防灭火技术ꎬ解决了采空区顶板上覆煤层大面 积注浆的问题ꎬ确保工作面安全高效回采ꎮ ５４ ２０１４ 年第 ５ 期煤 炭 科 学 技 术第 ４２ 卷 １ 试验工作面概况 淮南矿业集团潘三煤矿现在回采的煤层主要为 １３－１ 煤层、１１－２ 煤层、８ 煤层ꎬ３ 层煤均有自燃倾 向ꎬ给防治采空区遗煤自燃增加了困难ꎮ １６２２３ 综采工作面为淮南矿业集团潘三煤矿一水平西三采 区 １３－１ 煤层工作面ꎬ工作面标高－５００－５９８ ｍꎬ工 作面设计走向长 １ ４１５１ ４１４ ｍꎬ倾斜长 ２３６ ｍꎻ１３－ １ 煤层厚 ３􀆱 １５􀆱 ０ ｍꎬ平均厚 ３􀆱 ９ ｍꎬ采用单一走向 长壁综合机械化开采方法ꎬＵ 型通风方式ꎮ １６２２３工作面为无突出危险工作面ꎬ瓦斯含 量为 １􀆱 ８１６􀆱 ６ ｍ３/ ｔꎬ煤尘具有爆炸危险性ꎬ煤层自 然发火等级为Ⅱ级ꎮ 基本顶由平均厚度 １０􀆱 ６ ｍ 的 细砂岩组成ꎻ直接顶为平均厚度 ２􀆱 １ ｍ 泥岩和平均 厚度 １􀆱 ０ ｍ 的 １３－２ 煤层混层ꎮ 直接底为平均厚度 ４􀆱 １ ｍ 的泥岩组成ꎮ 由于回采煤层１３－１ 煤层顶部３ ｍ 范围存在平均厚度为１􀆱 ０ ｍ 的１３－２ 煤层ꎬ故在回 采的过程中 １３－２ 煤层垮落至采空区ꎬ造成采空区 大量遗煤ꎬ容易发生氧化和自然发火事故ꎮ ２ 架间高位插管注浆技术 １高位插管注浆技术原理ꎮ 主采煤层直接顶 存在的不可采煤层、断层影响使得煤层突然变厚或 突然向顶板位移ꎬ随着综采工作面回采ꎬ顶板的松动 冒落伴随大量顶板煤层成为采空区遗煤ꎬ留下遗煤 发火隐患ꎮ 在综采液压支架架间打眼ꎬ插管至顶板 煤层ꎬ对顶板煤层直接注浆ꎬ在重力作用下浆液将向 下流淌ꎬ对全部遗煤煤体全覆盖浇注ꎬ达到了防治遗 煤自然发火的目的[１１－１３]ꎮ ２注浆量计算ꎮ 潘三煤矿 １６２２３工作面每天 推进 ３􀆱 ２ ｍꎬ则有 ７５５􀆱 ２ ｍ３的 １３－２ 煤层进入采空区 成为采空区遗煤ꎮ 根据矿井实际情况ꎬ注浆系数取 ０􀆱 ０８ꎬ每天注浆需黄土量 ６０􀆱 ４２ ｍ３ꎮ 灰水比为 １ ∶ ４ꎬ黄泥浆混合量为 ３０２ ｍ３ꎮ 工作面每天注浆时间 为 １６ ｈꎬ则每小时注浆量为 １９ ｍ３ꎮ ３注浆半径考察ꎮ 为合理布置注浆钻孔ꎬ在工 作面进行了注浆半径考察ꎮ 即在工作面施工 １ 个注 浆孔ꎬ并插入 ２５ ｍｍ 注浆管至遗煤顶板ꎮ 在注浆 孔上下共施工 ６ 个考察钻孔１、３、５ 号钻孔位于注 浆孔的一侧ꎬ２、４、６ 号钻孔位于注浆孔的另一侧ꎬ １６ 号考察钻孔至注浆孔距离分别为 ２、４、６、７、８、９ ｍꎮ 采用 １􀆱 ５ ＭＰａ 的注浆压力对注浆孔进行注浆ꎬ 并且每小时对出浆孔进行测量 １ 次ꎬ当出浆量超过 ０􀆱 ２ ｍ３/ ｈ 后关闭该考察钻孔ꎮ 观察 １６ ｈ 后各考察 钻孔的变化情况见表 １ꎮ 表 １ 考察钻孔变化情况 考察钻孔号 与注浆孔间距/ ｍ出浆情况出浆量/ ｍ３􀅱ｈ －１ １２８􀆱 ０ ｈ 后出浆０􀆱 ２０ ２４９􀆱 ５ ｈ 后出浆０􀆱 １０ ３６１１􀆱 ０ ｈ 后出浆０􀆱 ０５ ４７１３􀆱 ０ ｈ 后出浆０􀆱 ０５ ５８１５􀆱 ５ ｈ 后出浆０􀆱 ０１ ６９１６􀆱 ０ ｈ 后出水 根据考察ꎬ当注浆压力达 １􀆱 ５ ＭＰａ 时ꎬ注浆半 径可达８ ｍꎬ因此根据工作面实际情况ꎬ选择间隔３ ５ 架４􀆱 ５７􀆱 ５ ｍ进行插管注浆ꎮ ４注浆插管设计ꎮ 注浆点必须高于遗煤煤层 顶板ꎬ每 ３５ 架进行插管注浆ꎬ实现 ２３６ ｍ 长的工 作面注浆全覆盖ꎬ注浆孔与工作面夹角为 ９０、倾角 ３０４０ꎬ孔深大于 ５ ｍ、钻孔开孔距底板高度 １􀆱 ７ １􀆱 ９ ｍꎮ ５注浆工艺流程ꎮ 注浆步骤为①在支架架档 沿工作面倾向布置一路 ５０ ｍｍ 高压胶管作为注浆 主管ꎬ每 ５ ｍ 安设 １ 个三通注浆拨头ꎮ 注浆压力 １􀆱 ５ ＭＰａꎬ注浆量 １９ ｍ３/ ｈꎻ②插管使用 ２５ ｍｍ 铁 管ꎬ插入遗煤部分为花管ꎬ且头部焊尖ꎬ其余部分为 普通的铁管ꎬ管路采用丝扣连接ꎻ③采用风动钻机施 工 ４２ ｍｍ 钻孔ꎬ将注浆管沿钻孔插入采空区遗煤 上部ꎬ采用聚氨酯封堵铁管与钻孔周围裂隙ꎻ④利用 每天检修班安设注浆管ꎬ生产班注浆ꎬ共 ２５ 个注浆 管ꎬ单管注浆流量 ０􀆱 １５ ｍ３/ ｈꎬ每天注浆 １６ ｈꎬ注浆 管附近有架间出浆则停止注浆ꎮ ６架间高位插管注浆技术关键ꎮ ①高位插管 的注浆点必须在采空区内覆煤上方ꎬ注浆时能够达 到对采空区内覆煤进行包裹的作用ꎬ惰化采空区遗 煤氧化ꎮ ②插管水平投影的控制深度不应小于 １ 个 工作日的工作面进尺距离ꎬ一般在 ３ ｍ 左右ꎬ每次利 用高位插管注浆后在采空区内形成 １ 个宽度为 ３ ｍ 的隔离带ꎮ ③高位插管插进采空区遗煤的部分必须 为花管ꎬ且头部焊尖ꎬ外露部分为普通的铁管ꎬ尾端 为 ２５ ｍｍ 快速接头[１４－１５]ꎮ ３ 注浆防灭火效果分析 １６２２３工作面回采期间从工作面 １１０ 号架开 始向上每隔 ５ 架设 １ 个检测点ꎬ检测工作面支架架 后的 ＣＯ 浓度变化ꎬ从工作面推进到 ４４０ ｍ 开始使 ６４ 柏发松等综采工作面架间高位插管注浆防灭火应用研究２０１４ 年第 ５ 期 用工作面架后高位插管注浆防灭火措施ꎮ ＣＯ 浓度 变化如图 １ 所示ꎮ 图 １ １６２２３工作面架后 ＣＯ 浓度变化曲线 由图 １ 可以看出ꎬ工作面正常回采期间采空区 ＣＯ 体积分数基本在 １２１０ －６ 左右ꎬ高位钻场顶板走 向孔抽采总管内 ＣＯ 体积分数基本在 １５１０ －６ 左右ꎮ 工作面从 ４４０ ｍ 点开始采用架间高位插管注浆防灭 火技术ꎬ工作面再推进 ４０ ｍ 后采空区及高位钻场顶 板走向孔抽采总管内的 ＣＯ 浓度开始降低ꎬ尤其是 工作面回采推进 １４０ ｍ 后工作面架后已经检测不到 ＣＯꎬ高位钻场顶板走向孔抽采总管 ＣＯ 体积分数由 原先的 １５１０ －６ 下降到 ４１０ －６ ꎮ ４ 结 语 综采工作面架间高位插管注浆防灭火技术ꎬ对 工作面支架后方采空区上覆煤进行浇注浆ꎬ浆液在 重力作用下向下流淌并向周围扩散ꎬ对有效范围内 的所有煤体进行了全面浇注ꎮ 达到对工作面顶板上 覆煤层进行注浆、包裹ꎬ惰化其在采空区内的氧化目 的ꎬ达到防治自然发火效果ꎮ 该技术对注浆半径进 行了科学考察ꎬ对注浆量进行了有效计算ꎬ选择的管 径、设备、材料具有针对性ꎻ可向浆液中混入 ＭＥＡ 等 防火材料ꎬ更有利于提高注浆防火效果ꎻ沿工作面倾 向可全覆盖进行浇注浆ꎬ消除了注浆防火空白带ꎻ与 轨道巷顶板走向钻孔注浆相比ꎬ具有施工工序简单、 灵活浇注、针对性强、便于操作等优点ꎻ节约时间ꎬ利 用工作面检修班安设支架架间插管ꎬ工作面回采班 采用管路注浆ꎮ 该技术对于顶煤较厚的综采工作面 采空区防火具有较高的推广价值ꎮ 参考文献 [１] 王省身ꎬ张国枢.矿井火灾防治[Ｍ].徐州中国矿业大学出版 社ꎬ１９９０. 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