CN102434186A - 两硬近距离多煤层采空区的灌浆灭火方法 - Google Patents

Abstract

本发明为一种两硬近距离多煤层采空区的灌浆灭火方法，解决了现在煤矿灌浆灭火技术因没有对灌浆孔的布置、参数确定等进行深入研究，而导致灌浆时间长、效果差和浆液材料浪费惊人等问题，同时也改善了两硬近距离多煤层矿区灭火难的问题。本发明方法首先确定发生自燃火区的具体位置和范围；然后通过计算浆液扩散半径得到灌浆钻孔的最大间距，再利用火区范围和钻孔间距确定火区的钻孔数；然后通过火区范围确定灌浆需土量、需水量和总的浆液量，最后进行灌浆灭火，灌浆的顺序是由火区边界到火区中心依次进行。本发明操作简单方便，风险小、安全可靠、见效快、效果好、成本低，具有较高的实际推广应用价值。

Description

两硬近距离多煤层采空区的灌浆灭火方法

技术领域

本发明涉及一种矿区的灭火方法，具体为一种在“两硬”(顶板硬、煤层硬)、近距离、多煤层条件下的采空区灌浆灭火方法。

背景技术

煤炭工业是国民经济和社会发展的基础产业，煤炭工业的可持续发展直接关系着建设全面小康社会目标的实现和国家能源安全。我国煤矿安全生产危险源多、灾害严重的形势非常严峻，煤矿百万吨死亡率与国外相比，差距很大。统计资料显示，全国657处重点煤矿中，有煤层自然发火倾向的矿井占54.9％，经验证发火期在3个月以内的矿井占50％以上，每年自燃形成的火灾近400起，煤自燃氧化形成火灾隐患近4000起，仅我国北方煤田累计已烧毁煤炭达42亿t以上。

煤的自燃严重污染了大气环境。中国北方煤田每年向大气排放一氧化碳49.02万t，二氧化硫15.47万t，二氧化氮30万t，粉尘11.2万t，放出热量7385×1010大卡。另外还排放二氧化碳和硫化氢等有害气体，造成低空空气有害物质严重超标，形成大范围的酸雨，助长地球的温室效应。火区附近有的树木、庄稼被熏死，杨树叶片苯丙比含量比清洁区高130倍，火区附近的人、畜患多种疾病。煤层自燃带来的其他后遗症也非常严重。它可引起周围围岩变质，裂隙纵横，成为地下水畅行的通道，因而经常造成煤矿突水、淹井以至报废，烧变岩裂隙水也是煤矿最危险的充水水源；煤层自燃还烧毁了通过矿区的铁路、公路，阻断交通；煤田火灾使碧绿的森林牧场变成千古不毛之地，破坏土壤结构，导致水资源严重流失，引起泥石流，诱发新的地质灾害，恶化人类生存空间。

随着我国采煤新技术的试验和推广，煤炭的产量和效益大幅度提高，在开采强度增大的同时，由于采出率还不是很高，采空区遗煤量也在增加，使得煤层自然发火几率增高，矿井自燃火灾事故增多。目前，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。

在采空区发生煤炭自燃火灾，大多无法采用挖掘等方法直接灭火的方法，一般采用窒息的灭火办法。窒息灭火主要有阻化剂灭火、泡沫灭火、均压堵漏灭火、惰气灭火和灌浆灭火等方法。但对于“两硬”(顶板硬、煤层硬)、近距离、多煤层大面积采空区，由于顶板垮落和人为密封等原因，人员和设备往往难以接近采空区。尤其是大面积被小窑破坏的采空区，亦或是近距离、多煤层上覆多层采空区，地下情况复杂，更是对采空区煤炭自燃火灾的灭火工作造成极大困难。若采用惰气进行灭火，用气量大、成本过高；若采用均压防灭火方法，对于近距离煤层采空区漏风大，人员无法到达的区域有一定的局限性；随着采掘影响、岩层的移动，漏风也会很大，均压防灭火缺乏长久性、此时效果也不再理想。而采用泡沫和凝胶灭火等方法固然可以，但成本过高，只在局部小范围地点采用。因此，当采空区特别是近距离煤层采空区发生大面积自燃着火时，上述的灭火方法效果往往都不理想。实践证明灌浆灭火方法对采空区防灭火效果十分明显，特别是地面灌浆作为传统的防灭火方法，以其成本低、方法简单、效果好，被煤矿广泛采用，并积累了较为丰富的实践经验。由于方法简单，长期以来人们对灌浆技术的研究较少，在使用中主要突出一个“灌”，灌满为止。没有对灌浆孔的布置、参数确定等进行深入研究，因此，在灌浆过程中经常出现因灌浆孔的布置、浆液的配比及有关参数确定不合理等，导致灌浆时间长、效果差和浆液材料浪费惊人等情况，严重影响煤矿的安全生产。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述现有技术中存在的问题，而提供了一种适用于“两硬”(顶板硬、煤层硬)、近距离、多煤层等特殊条件下采空区的灌浆灭火方法。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种两硬近距离多煤层采空区的灌浆灭火方法，包括如下步骤：1)、当检测确定发生自燃时，应立即确定发生自燃的具体位置和范围；2)、确定好采空区自燃的位置和范围后，从火区地面进行钻孔灌浆，钻孔灌浆的顺序是由火区边界到火区中心依次进行；

钻孔灌浆采用如下步骤：1)、确定钻孔的间距：首先确定浆液在采空区的扩散半径：

式中：R-浆液扩散半径，m；ξ-调整系数，取0.5；T-注浆时间，取36000s；p_c-注浆孔内压力，Pa，可用仪器实测或由p_c＝ρgh计算得出，其中ρ为浆液密度、g为重力加速度、h为钻孔深度；b-裂缝宽度，取0.05～0.10m；μ-浆液粘度，取1.2～2.56Pa·S；r_c-注浆孔半径，取0.05m；然后确定钻孔间距：

式中：L-钻孔间距，m；R-浆液扩散半径，m；D-采空区高度，m；2)、根据火区范围和钻孔间距确定出需要钻孔的个数n；3)、确定钻孔灌浆的灌浆总量：首先确定灌浆需土量：Q_t＝V_mαβηK，式中：V_m-采空区体积，m³；α-浆液扩散因数，取1.05～1.25；β-采空区冒落空实比例，取0.7～0.9；η-浆液损耗因数，取1.05～1.4；K-灌浆系数，取15％～20％；然后确定灌浆需水量：Q_S＝K_SQ_tδ，式中：K_S-用水备用系数，取1.05～1.2；δ-水土比，取2.5∶1～4∶1；则钻孔灌浆的灌浆总量为：Q_J＝(Q_t+Q_s)÷M，式中：M-泥浆制成率，取0.88～0.95；4)、确定钻孔的单孔最小灌浆量：Q_d＝Q_J/n；6)、最后结合火区的防灭火灌浆计划，完成对自燃火区的灌浆灭火工作。

当检测到煤矿发生自燃后，应立即确定火区的具体位置和范围，现有的检测方法有很多种，如温度(辐射能量)法、磁探法、电阻率法、气体测量法、无线电波法、地质雷达探测法、遥感法、计算机数值模拟法、同位素测氛法、CYT(大地电场岩性探测仪)探测法和束管监测系统等，其中CYT(大地电场岩性探测仪)探测法和束管监测系统为常用检测方法，确定完火区的位置和范围后就开始从火区地面对火区进行钻孔灌浆，钻孔灌浆的顺序是由火区边界到火区中心依次进行。

1)、钻孔灌浆时，具体钻孔的相关情况

水利水电科学研究院刘嘉材等学者建立了平板注浆模拟试验台，并应用牛顿流体内摩擦阻力定律，研究了浆液在裂缝中的流动规律，推导出在裂隙中注浆浆液扩散半经计算公式，该公式也可应用于灌浆灭火时浆液扩散半径的计算。

$R={\left(\frac{0.093(P_C-P_0){\mathrm{Tbr}}_c^{0.21}}{\mathrm{\μ}}\right)}^{\frac{1}{2.21}}+r_c...1$

式中：R-浆液扩散半径，m；

T-注浆时间，s；

p_c-注浆孔内压力，Pa；

p₀-受注裂缝内地下水压力，Pa；

b-裂缝宽度，m；

μ-浆液粘度，Pa·S；

r_c-注浆孔半径，m。

式1中的注浆时间T和注孔半径r_c，可由火区的具体灭火方案来定，一般注浆时间T为10h，即36000s，注孔半径r_c为0.05m；裂缝宽度b，应根据顶板冒落后的实际情况，可实测采空区内岩石间隙宽度，再根据所有间隙宽度得出其平均值，裂缝宽度b的取值范围一般在5～10cm；浆液黏度μ，由浆液的水土比决定，也可由相关设备检测得到，其一般取1.2～2.56Pa·S；注浆孔内压力p_c一般由现场使用相关仪器检测得出，也可以根据公式p_c＝ρgh计算得出，其中ρ为浆液密度(可用仪器检测得出)、g为重力加速度、h为钻孔深度(容易得到)；式1经过理论推导得出，其缺点是没有考虑固--液两相流动中塑性流体本身的剪应力以及在流体胶凝过程中粘度的变化，故其计算得出的渗流半径大于实际的渗流半径，在工程应用中应适当减小该理论值，可取系数ξ来调整该值，ξ一般取0.5。在灌浆灭火的工程应用中，一般由于没有地下水影响，故p₀取0。因此，可以由下式对灌浆灭火时浆液的渗流半径进行计算：

$R=\mathrm{\ξ}[{\left(\frac{0.093P_C{\mathrm{Tbr}}_c^{0.21}}{\mathrm{\μ}}\right)}^{\frac{1}{2.21}}+r_c]...2$

式2可应用于灌浆时对浆液扩散半径的计算，从而得出合适的灌浆钻孔间距。

一般情况，灌浆钻孔应位于火区上方，垂直地表布置。按照火区范围或预灌浆范围和浆液扩散半径来确定灌浆钻孔的位置。这样可以减少钻孔的数目、钻孔长度，节约布置钻孔成本，降低灌浆加压成本。在布置钻孔时，需考虑人员设备能够方便到达，并且地形较高处，不能受山洪影响的区域；另外，要充分考虑灌浆所需土源、水源以及动力供应等情况。在布置灌浆钻孔时，还应充分考虑煤层底板的起伏和煤层倾角对灌浆扩散半径的影响。在煤层底板有起伏时，需根据煤层地板等高线图以及实际采掘情况，尽可能将灌浆钻孔布置在有效扩散范围较高处，以利于浆液的流动，在不增加灌浆压力的情况下，增大其扩散半径；在煤层有一定倾角的情况下，应充分利用浆液有效扩散半径增大的特点，尽可能采用向下山方向灌注，以加大灌浆钻孔间距，减少灌浆钻孔数目。

钻孔深度的确定主要由地表至采空区的深度来决定。从地面钻孔时，根据灌浆时浆液的压力分布情况和灌浆的需要，一般来说钻透采空区顶板后即可。钻孔时钻进煤柱应钻至底板，以确定所钻孔位置为煤柱而不是未开采完全的顶部煤层。可通过采空区资料，根据地面标高、井底标高和顶板标高来确定每一个钻孔深度。

钻孔间距必须保证在满足灭火工程需要的同时，取得较好的经济效益。在已知浆液扩散半径的情况下，可以确定合适的钻孔间距，浆液在采空区中的扩散情况如图1所示。

由图1可见，钻孔间距可由下式计算：

$L=2\sqrt{R^2-D^2}...3$

式中：L-钻孔间距，m；

R-浆液扩散半径，m；

D-采空区高度，m。

根据钻孔的间距和先前确定的火区范围，就可以得出需要钻孔的数量n。

2)、钻孔灌浆时，具体浆液的相关情况

根据自燃火区的位置和范围确定需要的总的灌浆量，首先确定灌浆所需的土量：

Q_t＝V_m·α·β·η·K  ...........................4

式中：V_m-采空区体积，m³；

α-浆液扩散因数，取1.05～1.25；

β-采空区冒落空实比例，取0.7～0.9；

η-浆液损耗因数，取1.05～1.4；

K-灌浆系数，取15％～20％。

再确定灌浆所需的水量：

Q_s＝K_S·Q_t·δ...........................5

式中：K_S-用水备用系数，取1.05～1.2；

Q_t-灌浆需土量，m³；

δ-水土比，本发明方法中的水土比取2.5∶1～4∶1。

由上式4、5可得总的灌浆量为：

Q_J＝(Q_t+Q_s)/M    ...........................6

式中：Q_t-灌浆需土量，m³；

Q_s-灌浆需水量，m³；

M-泥浆制成率，取0.88～0.95。

根据灌浆总量和先前确定的钻孔数量，可以确定出单孔最小灌浆量：

Q_d＝Q_J/n    ...........................7

式中：Q_J-灌浆需土量，m³；

n-钻孔数目。

在实际灌浆过程中，应保证每个钻孔的灌浆量不能小于上述计算值，以达到浆液对浮煤的覆盖，保证灌浆效果；灌浆时，先灌注火区周围钻孔，然后再灌注中心区域钻孔，绝对不能先灌注中心钻孔。

本发明的采空区灌浆灭火方法操作简单方便，风险小、安全可靠、见效快、效果好、成本低，具有较高的实际推广应用价值。对“两硬”(顶板硬、煤层硬)、近距离、多煤层条件下的采空区火灾防治及其继发性灾害的防控十分必要，不仅能减少火灾造成的巨大损失，减少灭火投入的巨额费用，还能有效地解放煤炭资源，创造显著的经济效益，对进一步提高煤炭行业的社会经济效益具有重要意义和重要的推广应用价值。

附图说明

图1为浆液在采空区扩散示意图。

图2为灌浆钻孔布置示意图。

图3为1号监测钻孔内有害气体浓度和温度变化趋势图。

图4为2号监测钻孔内有害气体浓度和温度变化趋势图。

图中：1-钻孔、2-顶板、3-底板、4-1号观测钻孔、5-2号观测钻孔、a-1号钻孔、b-2号钻孔、c-3号钻孔、d-4号钻孔、e-5号钻孔、f-6号钻孔、j-7号钻孔、h-8号钻孔、i-9号钻孔、j-10号钻孔、k-11号钻孔、l-12号钻孔、m-13号钻孔、n-14号钻孔、A-火区中心、B-火区边界。

具体实施方式

一种两硬近距离多煤层采空区的灌浆灭火方法，包括如下步骤：1)、当检测确定发生自燃时，应立即确定发生自燃的具体位置和范围；2)、确定好采空区自燃的位置和范围后，从火区地面进行钻孔灌浆，钻孔灌浆的顺序是由火区边界到火区中心依次进行；

钻孔灌浆采用如下步骤：1)、确定钻孔的间距：首先确定浆液在采空区的扩散半径：

式中：R-浆液扩散半径，m；ξ-调整系数，取0.5；T-注浆时间，取36000s；P_c-注浆孔内压力，Pa，可用仪器实测或由p_c＝ρgh计算得出，其中ρ为浆液密度、g为重力加速度、h为钻孔深度；b-裂缝宽度，取0.05～0.10m；μ-浆液粘度，取1.2～2.56Pa·S；r_c-注浆孔半径，取0.05m；然后确定钻孔间距：

式中：L-钻孔间距，m；R-浆液扩散半径，m；D-采空区高度，m；2)、根据火区范围和钻孔间距确定出需要钻孔的个数n；3)、确定钻孔灌浆的灌浆总量：首先确定灌浆需土量：Q_t＝V_mαβηK，式中：V_m-采空区体积，m³；α-浆液扩散因数，取1.05～1.25；β-采空区冒落空实比例，取0.7～0.9；η-浆液损耗因数，取1.05～1.4；K-灌浆系数，取15％～20％；然后确定灌浆需水量：Q_S＝Q_SQ_tδ，式中：K_S-用水备用系数，取1.05～1.2；δ-水土比，取2.5∶1～4∶1；则钻孔灌浆的灌浆总量为：Q_J＝(Q_t+Q_s)÷M，式中：M-泥浆制成率，取0.88～0.95；4)、确定钻孔的单孔最小灌浆量：Q_d＝Q_J/n；6)、最后结合火区的防灭火灌浆计划，完成对自燃火区的灌浆灭火工作。

以下是使用本发明方法对山西省同煤集团大斗沟矿3^#煤层410盘区下山侧采空区进行灌浆灭火的实施例，该实施例只是说明性的，并不对本发明做任何限定：

1、火区概况

山西省同煤集团大斗沟矿3^#煤层410盘区上覆2^#煤层，距2^#煤层12.80～16.42m，煤层结构简单，煤层厚度1.8～2.65m，平均厚度2.20m，煤层倾角为4°～7°，属稳定煤层。直接顶厚度3～5m，以粉砂岩或粉细砂岩互层为主，局部地段为粗砂岩，泥岩；基本顶厚度7～12.5m，以粗砂岩为主，局部为细砂岩；底板为粉砂岩，细砂岩与粉细砂岩互层，平均埋藏深度180m。

3^#煤层410盘区下山侧共布置14个工作面，面积约600000m²。多年来，一直使用束管监测系统进行采空区自然发火的预测预报，并定期取样分析，截至2010年7月28日，均显示正常，无煤炭自燃预兆。从7月29日，束管监测发现该盘区的81613、81631两个采空区内有CO气体，最大达37ppm，因该矿为正压通风，若检查出有CO气体，证明采空区内的CO气体很有可能已相当大，已出现自然发火的趋势，为此需实施灌浆防火，经进一步探测，火区范围长约700m、宽约350m，火区面积约S＝700×350＝245000m²。

2、使用本发明方法灌浆灭火的方案制定

3^#煤层410盘区采空区煤炭自燃火灾若不及时扑灭，则会严重影响矿井的安全，并且给以后的开采带来严重困难。所以马上采用本发明方法进行灌浆灭火。

1)、浆液在采空区的扩散半径：

$R=\mathrm{\ξ}[{\left(\frac{0.093P_C{\mathrm{Tbr}}_c^{0.21}}{\mathrm{\μ}}\right)}^{\frac{1}{2.21}}+r_c]$

式中：ξ-调整系数，取0.5；

T-注浆时间，36000s；

p_c-注浆孔内压力，经现场测得为1.764Mpa，即1764pa；

b-裂缝宽度，取0.05m；

μ-浆液粘度，水土比取3∶1时，对应黏度为2.18Pa·S；

r_c-注浆孔半径，取0.05m。

由上式计算得浆液扩散半径R＝79m，即浆液在采空区的扩散半径为79m。

3)、钻孔最大间距计算：

$L=2\sqrt{R^2-D^2}$

式中：L-钻孔间距，m；

R-浆液扩散半径，计算得79m；

D-采空区高度，实测为10m。

由上式计算得钻孔最大间距为L＝156.7m，即钻孔灌浆时，钻孔间距为156.7m。

由上所述可知：火区长度约为700m，按最大钻孔间距需布置5个钻孔；火区宽度约为350m，按最大钻孔间距需布置3个钻孔。根据地面地形情况以及最大浆液扩散半径，共计可布置14个灌浆钻孔，2个观测钻孔，钻孔布置如图2所示。

4)、灌浆量的确定：

需土量：Q_t＝V_m·α·β·η·K＝339570m³

式中：V_m-采空区体积，为火区面积乘以采空区高度得2450000m³；

α-浆液扩散因数，取1.1；

β-采空区冒落空实比例，取0.8；

η-浆液损耗因数，取1.05；

K-灌浆系数，取15％。

需水量：Q_s＝K_S·Q_t·δ＝1120581m³

式中：K_S-用水备用系数，取1.1；

Q_t-灌浆需土量，339570m³；

δ-水土比，取3∶1。

因此可以得出总的灌浆量为：Q_J＝(Q_t+Q_s)/M＝1622390m³

式中：M-泥浆制成率，取0.9。

单孔最小灌浆量为：Q_d＝Q_J/n＝115885m³/个

式中：Q_J-灌浆需土量，1622390m³；

n-钻孔数目，为14个。

实际灌浆过程中，应保证每个钻孔的灌浆量不能小于上述计算值，以达到浆液对浮煤的覆盖，保证灌浆效果；灌浆时，先灌注火区周围钻孔，然后再灌注中心区域钻孔，绝对不能先灌注中心钻孔。

3、灌浆方案的实施

为了加紧工程进度，赶在冬季上冻前完成灌浆工程，从2010年8月开始布置钻孔、建立地面灌浆站及附属设施。8月20日开始灌浆，两个钻孔同时灌浆，拟定60天灌完，至10月底前完成灌浆，则每日灌浆量27039m³，每孔日灌浆量13519.5m³。

灌浆顺序和灌浆结束时间为：1号钻孔和13号钻孔，8月30日灌浆结束；2号钻孔和14号钻孔，9月9日灌浆结束；4号钻孔和12号钻孔，9月21日灌浆结束；3号钻孔和11号钻孔，9月30日灌浆结束；5号钻孔和10号钻孔，10月10日灌浆结束；7号钻孔和8号钻孔，10月19日灌浆结束；6号钻孔和9号钻孔，10月30日灌浆结束。

4、火区监测及治理效果

在灌浆施工过程中及灌浆结束后，通风区负责人员对3^#煤层410盘区采空区火区通过观测钻孔进行监测，每4天进行温度和有害气体浓度监测并记录在册，监测结果见表1，图3和图4。

表1有害气体浓度和温度监测表

通过1号、2号观测钻孔检测，结果表明灭火工程结束1个月后，孔内温度己接近常温，CO等气体浓度已低于国家相关规定的允许气体浓度，达到了国家相关规定的火区熄灭标准。

Claims (1)

1.一种两硬近距离多煤层采空区的灌浆灭火方法，其特征在于，包括如下步骤：1）、当检测确定发生自燃时，应立即确定发生自燃的具体位置和范围；2）、确定好采空区自燃的位置和范围后，从火区地面进行钻孔灌浆，钻孔灌浆的顺序是由火区边界到火区中心依次进行；

    钻孔灌浆采用如下步骤： 1）、确定钻孔的间距：首先确定浆液在采空区的扩散半径：                                                

，式中： R-浆液扩散半径，m；ξ-调整系数，取0.5；T-注浆时间，取36000s；p_c-注浆孔内压力，Pa，可用仪器实测或由p_c=ρgh计算得出，其中ρ为浆液密度、g为重力加速度、h为钻孔深度；b-裂缝宽度，取0.05~0.10m；μ-浆液粘度，取1.2~2.56Pa·S；r_c-注浆孔半径，取0.05m；然后确定钻孔间距：

，式中：L-钻孔间距，m；R-浆液扩散半径，m；D-采空区高度，m；2）、根据火区范围和钻孔间距确定出需要钻孔的个数n；3）、确定钻孔灌浆的灌浆总量：首先确定灌浆需土量：

，式中：V_m-采空区体积，m³；α-浆液扩散因数，取1.05～1.25；β-采空区冒落空实比例，取0.7～0.9；η-浆液损耗因数，取1.05～1.4；K-灌浆系数，取15%～20%；然后确定灌浆需水量：

，式中：K_S-用水备用系数，取1.05～1.2；δ-水土比，取2.5:1~4:1；则钻孔灌浆的灌浆总量为：

，式中：M-泥浆制成率，取0.88～0.95；4）、确定钻孔的单孔最小灌浆量：

；6）、最后结合火区的防灭火灌浆计划，完成对自燃火区的灌浆灭火工作。

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