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[摘要]采空区漏风使得采空区遗煤自燃危险性增大、自然发火频繁。对于煤矿井下采空区漏风问题，通过在井下采空区构筑泡沫水泥墙来进行堵漏风，以更好的保证井下安全。本实验以阳煤集团石港矿15108工作面为研究对象，在内错尾巷布置钻孔对上隅角处进行注浆堵漏风，浆体材料为发泡水泥。对比注浆堵漏风前后内错尾巷、回风巷及工作面风流中SF6浓度表明内错尾巷注浆堵漏风效果明显。本文研究表明内错尾巷注浆堵漏风技术预防采空区遗煤自燃切实可行，为今后石港矿提供了一种更加经济、环保实用的采空区防火手段。
[关键词]泡沫水泥内错尾巷注浆堵漏风
中图分类号:[TD73] 文献标识码:A 文章编号:1009-914X(2013)28-0253-03
矿井火灾是煤矿主要灾害之一，我国56%的煤矿存在自燃发火问题，其中，采空区自燃发火占主体地位[1]。而采空区漏风供氧是促使采空区遗煤氧化，导致煤炭自燃发火的主要原因。由于煤层赋存条件、回采工艺和采掘巷道布置等不同，采空区除有来自工作面漏风之外与周围其它巷道也相联系。在通风压差的作用下，造成采空区漏风，在风速适宜的情况下造成采空区遗煤自燃。由于采空区漏风的复杂性，造成采空区漏风的不稳定性，给防火工作带来很大困难，严重威胁矿井安全生产，给国家资源和企业经济带来重大财产损失和人员伤亡[2-4]。
煤矿密闭墙是防治采空区漏风的主要设施之一，目前在国内煤矿大多采用砖块结构密闭，这种密闭墙技术成熟、实践经验丰富，被广大设计人员熟识。但该技术工程建设工期较长、费用较大，并且不能满足快速密闭的要求。近些年，国内许多矿山开始尝试应用新型材料建造密闭墙，并取得了不错的效果 [5-7]。
本实验以阳煤集团石港矿15108工作面为研究对象，在内错尾巷布置钻孔对上隅角处进行注浆堵漏风，堵漏风效果明显。
1 概况
阳煤集团石港矿15108工作面位于一采区，走向长390m，倾斜长157m，面积约61230m2。煤层赋存稳定，结构复杂，煤层总厚度最大7.40m，最小6.75m，平均煤厚6.41m，顶板向下2.1m处有一层0.23m厚度的夹石，底板向上0.66m处是一层0.32m厚的砂质泥岩，中下部有一层呈条带状结构的煤与夹石细线厚层，厚度0.40m，煤层节理以一组以N450WNE∠580节理为主。煤含硫量为2.62%，属Ⅱ级容易自燃性煤层。工作面采用综采放顶煤一次采全高全部垮落法管理顶板。
2 钻孔施工工艺
石港矿15108工作面内错尾巷布置在距15#煤层上部6.55m的岩层中，内错距离21m，净宽3.5米，净高2.2米，采用锚杆支护，主要用于排放采空区顶板冒落后涌出的瓦斯。由于内错尾巷与15#煤层间距很小，当处于采空区段的内错尾巷跨落以后，直接与采空区相连，且内错尾巷处于负压状态，从而使漏风风流变大，危险性增加。
工作面推进一定的距离后，根据现场顶板跨落距离，预确定每隔20m在内错尾巷向15108工作面采空区上隅角注浆构筑密闭墙实现堵漏风目的。如图2所示。
3 方案实施
内错尾巷预埋管注浆堵漏风技术即在内错尾巷成巷阶段，每隔一定的距离向煤层顶板开设钻孔预埋管路，待工作面推进超过预埋管位置时，在内错尾巷通过预埋的管路向采空区上隅角位置注浆堵漏风。
3.1 采空区注浆堵漏风原理
根据煤矿井下条件可知，构筑密闭墙可以增大采空区后部的风阻，当工作面两巷风压变化不大的情况下，根据通风阻力定律，可知，后部漏风可以减少。当漏风减少，就会改变采空区漏风流场的分布，氧化带的范围会缩小，氧气浓度会降低，能够抑制煤炭自燃，同时也可以抑制采空区瓦斯向工作面涌出[8]。根据此原理，在采空区预埋管注浆即相当于构筑密闭墙，可起到漏风作用。
3.2 注浆堵漏实施过程分析
根据石港矿现场观测分析，15108综放面顶板跨落步距为18m，所以预设计在内错尾巷每隔20m打钻孔预埋管，在15108工作面正常推进后向其回风顺槽一侧采空区上隅角注泡沫水泥堵漏风。
泡沫水泥材料具有耐高温阻燃性、环保性能，与目前石港矿使用的新化学材料相比性价比高很多。在采空区顶板跨落之后泡沫墙完全被压实，起到填充封堵作用。
此外在工艺上，后期注浆设备为YX-15型发泡机，其上料设备、搅拌机、高压泵设置为一体，操作简单、移动灵活，方便井下环境条件使用。
3.3 试验钻孔施工工艺
3.3.1试验钻孔参数
15108工作面当前推进至距始采线90m处，日进尺1.2m，预设计在内错尾巷超前工作面10m处打钻孔预埋管，待工作面推进距钻孔位置5m时开始注浆。预设计4个初孔间距为0.5m的钻孔，钻孔均布置在钻场设计线上，钻场设计线垂直于巷帮。其具体参数见表1、2。
3.3.2试验钻孔位置
使用TUX-500钻机在距停采线100m处向15108工作面上隅角方向打钻，每个钻孔要穿透岩层见煤，钻进煤深度为1.0m。其中巷帮距底0.5m处一个钻孔，巷道底部4个钻孔。每个钻孔下置90mm套管，成孔后用阀门封口。试验钻孔位置见图3，钻孔初孔、终孔布置见图4。
3.4 注浆施工设备材料
3.4.1钻机、钻头选用
钻进选用TUX-500全液压钻机，它能广泛用于地质勘探、瓦斯抽放、灭火、注水及其他工程用孔的施工作业。钻头采用单片钢板磨出切屑刃。
3.4.2发泡机
注浆使用YX-15型水泥发泡机，其采用双缸全液压推送机构泵送水泥浆，出口压力高；各种成分的配比采用全自动控制，发泡水泥的密度易于调节；可以使用国内外各种发泡剂，降低施工成本；带有行走轮和万向轮，移动和就位方便灵活。
3.4.3速凝剂添加装置
本实验采用风送型速凝剂添加装置，这种装置以压风作为动力输送速凝剂混合液。其最大优点是以压风作为动力源，整个系统比较简单。速凝剂添加装置设置在距预埋管口10m位置，通过混合器与泡沫水泥管路相连，速凝剂与泡沫水泥在混合器中充分混合后注入采空区上隅角处。
3.4.4钻孔封孔
为保证注浆工作开始时预埋套管不会下滑，每个钻孔下完套管之后要挤浆封孔，套管孔则用阀门，钻孔封孔材料用普通水泥即可。
封孔方法采用泵送法，通过25mm胶管伸到孔底部，利用泥浆泵将粘稠水泥浆送入钻孔，从底部逐渐提胶管直到水泥浆溢满孔口。
3.5 注浆工艺流程
3.5.1泡沫水泥压注工艺
压注泡沫水泥采用图7所示工艺流程：按比例将普通硅酸盐水泥和水添加到发泡机搅拌斗中搅拌均匀制成水泥浆，水灰比一般为0.4，水的添加量由水箱流量表来控制；将发泡剂和水按1:55的比例稀釋后通过高压泵与压缩空气混合在管道中形成高密度的细密泡沫；开启搅拌斗阀门，利用双缸全液压推送机将水泥浆泵送入管道经过发泡机自身混合器与泡沫均匀混合制成发泡水泥；最后泡沫水泥沿注浆管路到达采空区。
3.5.2发泡沫水泥的技术指标
1）水灰比为0.4；
2）压缩空气为5.0m3；
3）发泡剂稀释比例为1:55；
4）发泡倍数22倍，稳泡时间大于23h；
5）速凝剂添加比例（吨水泥添加量）为5.2%；
6）制浆量：15～20m3/h
4 实施效果
利用SF6示踪技术检测上隅角注浆堵漏效果。对上隅角注浆封堵后的漏风检测和封堵前的漏风检测结果进行对比。在工作面风量和SF6释放量一定的条件下，上隅角前后两个测点SF6浓度差的变化情况可作为判断堵漏风效果的依据。
从上图中可以看出，堵漏后工作面各测点及回风顺槽中测点5在同一时间段所测SF6浓度保持稳定，同时测点3中SF6含量平均为0.0013ppb，说明内错尾巷中SF6含量大幅下降，泡沫水泥墙有效发挥作用。
通过分析对比注浆堵漏风前后SF6检测数据可知，在采空区上隅角注浆堵漏风效果十分明显。
5 结论
1）在采空区上隅角构筑泡沫水泥墙增大采空区风阻，减小漏风量。漏风减少，采空区漏风流场分布就会改变，氧气浓度降低，避免采空区煤自燃三要素同时存在，抑制采空区遗煤自燃；同时上隅角处构筑泡沫水泥墙后采空区漏风通道减少，利于采空区瓦斯从内错尾巷排放，避免上隅角瓦斯积聚。
2）内错尾巷注浆堵漏风技术所采用发泡剂、速凝剂、普通水泥等材料经济成本低、泡沫水泥制备工艺简单、注浆设备易操作、便于移动，适合于煤矿井下环境使用。
3）内错尾巷预埋管注浆堵漏风技术与其它堵漏措施和工艺相比，具有其优点，如下：不影响工作面上隅角瓦斯排放；具有填充堵漏作用，堵漏风效果永久；经济成本低，间接提高了石港矿经济效益。
参考文献
[1] Xian X F,Wang H T,Jiang D Y,Liu B X. The Summarization of the Investigation on Coal Mine Fire Prevention & Fire Extinguishing Techniques in China [J]. Engineering Science , 2001,3(12):28～32.(鲜学福,王宏图,姜德义,刘保县.我国煤矿矿井防灭火技术研究综述 [J].中国工程科学,2001,3(12):28～32).
[2] Qian G Z.Current safety of the existing problems and countermeasures to be taken[J]. Occupational Safety and Health ,2010,(04):30～32.(钱国柱.浅谈当前我国安全生产存在的诸多问题和应采取的对策[J].劳动安全与健康,2010,(04):30～32).
[3] Analysis of national coal mine accident from 1991 to 2006[R].State Administration of Coal Mine Safety,1992～2007.(1991～2006年全国煤矿事故分析报告[R].国家煤矿安全监察局，1992～2007).
[4] Hu G P,Wu R S,Zhao G Y.The hazards of air leakage to production safety [J].Technology of Yang Mei,1993,(3):38～40.(胡贵平，吴润书，赵光远.浅谈采空区漏风对安全生产的危害性[J].阳煤科技，1993, (3): 38～40).
[5] Wu S K,Lv X Q,Zhang G C. Management of closed wall leakage[J]. Shangdong Coal Science and Technology, 2008, (4) 117～118.(吴士坤，吕学强，张光超等. 密闭墙漏风治理研究[J].山东煤炭科技，2008, (4):117～118).
[6] Liu Y B,Wang L Q. To prevent spontaneous combustion by rapidly sealing[R]. Yangquan Coal Group compilation of information and technological achievements, 2001 (刘彦斌，王群力.利用快速密闭防止自然发火[R].阳泉煤电集团科技成果资料汇编，2000).
[7] Jiang F X. Rapid construction technology of air stopping wall with new chemical material in mine [J]. Coal Science and Technology, 2006,34(6):7～9 (姜福兴.煤矿新型化學材料密闭墙快速构筑技术[J].煤炭科学技术,2006, 34(6): 7～9).
[8] Technical specifications of closing mine fire(MT/T698-1997) Industry Standard of Republic of China Ministry of Coal Industry ,1997.12.30(矿井密闭防火技术规范(MT/T698-1997). 中华人民共和国煤炭工业部行业标准，1997.12.30).
[关键词]泡沫水泥内错尾巷注浆堵漏风
中图分类号:[TD73] 文献标识码:A 文章编号:1009-914X(2013)28-0253-03
矿井火灾是煤矿主要灾害之一，我国56%的煤矿存在自燃发火问题，其中，采空区自燃发火占主体地位[1]。而采空区漏风供氧是促使采空区遗煤氧化，导致煤炭自燃发火的主要原因。由于煤层赋存条件、回采工艺和采掘巷道布置等不同，采空区除有来自工作面漏风之外与周围其它巷道也相联系。在通风压差的作用下，造成采空区漏风，在风速适宜的情况下造成采空区遗煤自燃。由于采空区漏风的复杂性，造成采空区漏风的不稳定性，给防火工作带来很大困难，严重威胁矿井安全生产，给国家资源和企业经济带来重大财产损失和人员伤亡[2-4]。
煤矿密闭墙是防治采空区漏风的主要设施之一，目前在国内煤矿大多采用砖块结构密闭，这种密闭墙技术成熟、实践经验丰富，被广大设计人员熟识。但该技术工程建设工期较长、费用较大，并且不能满足快速密闭的要求。近些年，国内许多矿山开始尝试应用新型材料建造密闭墙，并取得了不错的效果 [5-7]。
本实验以阳煤集团石港矿15108工作面为研究对象，在内错尾巷布置钻孔对上隅角处进行注浆堵漏风，堵漏风效果明显。
1 概况
阳煤集团石港矿15108工作面位于一采区，走向长390m，倾斜长157m，面积约61230m2。煤层赋存稳定，结构复杂，煤层总厚度最大7.40m，最小6.75m，平均煤厚6.41m，顶板向下2.1m处有一层0.23m厚度的夹石，底板向上0.66m处是一层0.32m厚的砂质泥岩，中下部有一层呈条带状结构的煤与夹石细线厚层，厚度0.40m，煤层节理以一组以N450WNE∠580节理为主。煤含硫量为2.62%，属Ⅱ级容易自燃性煤层。工作面采用综采放顶煤一次采全高全部垮落法管理顶板。
2 钻孔施工工艺
石港矿15108工作面内错尾巷布置在距15#煤层上部6.55m的岩层中，内错距离21m，净宽3.5米，净高2.2米，采用锚杆支护，主要用于排放采空区顶板冒落后涌出的瓦斯。由于内错尾巷与15#煤层间距很小，当处于采空区段的内错尾巷跨落以后，直接与采空区相连，且内错尾巷处于负压状态，从而使漏风风流变大，危险性增加。
工作面推进一定的距离后，根据现场顶板跨落距离，预确定每隔20m在内错尾巷向15108工作面采空区上隅角注浆构筑密闭墙实现堵漏风目的。如图2所示。
3 方案实施
内错尾巷预埋管注浆堵漏风技术即在内错尾巷成巷阶段，每隔一定的距离向煤层顶板开设钻孔预埋管路，待工作面推进超过预埋管位置时，在内错尾巷通过预埋的管路向采空区上隅角位置注浆堵漏风。
3.1 采空区注浆堵漏风原理
根据煤矿井下条件可知，构筑密闭墙可以增大采空区后部的风阻，当工作面两巷风压变化不大的情况下，根据通风阻力定律，可知，后部漏风可以减少。当漏风减少，就会改变采空区漏风流场的分布，氧化带的范围会缩小，氧气浓度会降低，能够抑制煤炭自燃，同时也可以抑制采空区瓦斯向工作面涌出[8]。根据此原理，在采空区预埋管注浆即相当于构筑密闭墙，可起到漏风作用。
3.2 注浆堵漏实施过程分析
根据石港矿现场观测分析，15108综放面顶板跨落步距为18m，所以预设计在内错尾巷每隔20m打钻孔预埋管，在15108工作面正常推进后向其回风顺槽一侧采空区上隅角注泡沫水泥堵漏风。
泡沫水泥材料具有耐高温阻燃性、环保性能，与目前石港矿使用的新化学材料相比性价比高很多。在采空区顶板跨落之后泡沫墙完全被压实，起到填充封堵作用。
此外在工艺上，后期注浆设备为YX-15型发泡机，其上料设备、搅拌机、高压泵设置为一体，操作简单、移动灵活，方便井下环境条件使用。
3.3 试验钻孔施工工艺
3.3.1试验钻孔参数
15108工作面当前推进至距始采线90m处，日进尺1.2m，预设计在内错尾巷超前工作面10m处打钻孔预埋管，待工作面推进距钻孔位置5m时开始注浆。预设计4个初孔间距为0.5m的钻孔，钻孔均布置在钻场设计线上，钻场设计线垂直于巷帮。其具体参数见表1、2。
3.3.2试验钻孔位置
使用TUX-500钻机在距停采线100m处向15108工作面上隅角方向打钻，每个钻孔要穿透岩层见煤，钻进煤深度为1.0m。其中巷帮距底0.5m处一个钻孔，巷道底部4个钻孔。每个钻孔下置90mm套管，成孔后用阀门封口。试验钻孔位置见图3，钻孔初孔、终孔布置见图4。
3.4 注浆施工设备材料
3.4.1钻机、钻头选用
钻进选用TUX-500全液压钻机，它能广泛用于地质勘探、瓦斯抽放、灭火、注水及其他工程用孔的施工作业。钻头采用单片钢板磨出切屑刃。
3.4.2发泡机
注浆使用YX-15型水泥发泡机，其采用双缸全液压推送机构泵送水泥浆，出口压力高；各种成分的配比采用全自动控制，发泡水泥的密度易于调节；可以使用国内外各种发泡剂，降低施工成本；带有行走轮和万向轮，移动和就位方便灵活。
3.4.3速凝剂添加装置
本实验采用风送型速凝剂添加装置，这种装置以压风作为动力输送速凝剂混合液。其最大优点是以压风作为动力源，整个系统比较简单。速凝剂添加装置设置在距预埋管口10m位置，通过混合器与泡沫水泥管路相连，速凝剂与泡沫水泥在混合器中充分混合后注入采空区上隅角处。
3.4.4钻孔封孔
为保证注浆工作开始时预埋套管不会下滑，每个钻孔下完套管之后要挤浆封孔，套管孔则用阀门，钻孔封孔材料用普通水泥即可。
封孔方法采用泵送法，通过25mm胶管伸到孔底部，利用泥浆泵将粘稠水泥浆送入钻孔，从底部逐渐提胶管直到水泥浆溢满孔口。
3.5 注浆工艺流程
3.5.1泡沫水泥压注工艺
压注泡沫水泥采用图7所示工艺流程：按比例将普通硅酸盐水泥和水添加到发泡机搅拌斗中搅拌均匀制成水泥浆，水灰比一般为0.4，水的添加量由水箱流量表来控制；将发泡剂和水按1:55的比例稀釋后通过高压泵与压缩空气混合在管道中形成高密度的细密泡沫；开启搅拌斗阀门，利用双缸全液压推送机将水泥浆泵送入管道经过发泡机自身混合器与泡沫均匀混合制成发泡水泥；最后泡沫水泥沿注浆管路到达采空区。
3.5.2发泡沫水泥的技术指标
1）水灰比为0.4；
2）压缩空气为5.0m3；
3）发泡剂稀释比例为1:55；
4）发泡倍数22倍，稳泡时间大于23h；
5）速凝剂添加比例（吨水泥添加量）为5.2%；
6）制浆量：15～20m3/h
4 实施效果
利用SF6示踪技术检测上隅角注浆堵漏效果。对上隅角注浆封堵后的漏风检测和封堵前的漏风检测结果进行对比。在工作面风量和SF6释放量一定的条件下，上隅角前后两个测点SF6浓度差的变化情况可作为判断堵漏风效果的依据。
从上图中可以看出，堵漏后工作面各测点及回风顺槽中测点5在同一时间段所测SF6浓度保持稳定，同时测点3中SF6含量平均为0.0013ppb，说明内错尾巷中SF6含量大幅下降，泡沫水泥墙有效发挥作用。
通过分析对比注浆堵漏风前后SF6检测数据可知，在采空区上隅角注浆堵漏风效果十分明显。
5 结论
1）在采空区上隅角构筑泡沫水泥墙增大采空区风阻，减小漏风量。漏风减少，采空区漏风流场分布就会改变，氧气浓度降低，避免采空区煤自燃三要素同时存在，抑制采空区遗煤自燃；同时上隅角处构筑泡沫水泥墙后采空区漏风通道减少，利于采空区瓦斯从内错尾巷排放，避免上隅角瓦斯积聚。
2）内错尾巷注浆堵漏风技术所采用发泡剂、速凝剂、普通水泥等材料经济成本低、泡沫水泥制备工艺简单、注浆设备易操作、便于移动，适合于煤矿井下环境使用。
3）内错尾巷预埋管注浆堵漏风技术与其它堵漏措施和工艺相比，具有其优点，如下：不影响工作面上隅角瓦斯排放；具有填充堵漏作用，堵漏风效果永久；经济成本低，间接提高了石港矿经济效益。
参考文献
[1] Xian X F,Wang H T,Jiang D Y,Liu B X. The Summarization of the Investigation on Coal Mine Fire Prevention & Fire Extinguishing Techniques in China [J]. Engineering Science , 2001,3(12):28～32.(鲜学福,王宏图,姜德义,刘保县.我国煤矿矿井防灭火技术研究综述 [J].中国工程科学,2001,3(12):28～32).
[2] Qian G Z.Current safety of the existing problems and countermeasures to be taken[J]. Occupational Safety and Health ,2010,(04):30～32.(钱国柱.浅谈当前我国安全生产存在的诸多问题和应采取的对策[J].劳动安全与健康,2010,(04):30～32).
[3] Analysis of national coal mine accident from 1991 to 2006[R].State Administration of Coal Mine Safety,1992～2007.(1991～2006年全国煤矿事故分析报告[R].国家煤矿安全监察局，1992～2007).
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