郑友志 丁 帅 陈 舸

（徐州意创化工科技有限公司，江苏 徐州 221005）

采空区自然发火的形成有三大重要因素，即采空区内的漏风供氧条件、煤氧反应蓄热条件和采空区遗煤。虽然采空区遗煤不是人为可以轻易控制的因素，但是如果采取有效的技术措施控制前两个因素，采空区遗煤发生自燃的危险性就会大幅度降低。

根据钱鸣高院士矿山压力“O 形圈”理论以及谭允祯教授关于综采放顶煤工作面采空区自燃区划分的文献[1]可以看出，控制采空区自燃三带分布的区域范围是防治采空区自然发火的主要措施。掌握了采空区的三带分布范围，就可以有效地提高工作面采空区防灭火措施的准确性，为安全生产提供可靠的理论依据[2-4]。

1 工程概况

天安集团星村煤矿3310 工作面标高-1130～-1185 m，煤层厚度8.4 m，位于三采区中部。由于矿井采深大、地压大、井下温度高，自然发火期大幅缩短，极易自燃。

矿井在工作面进回风隅角采用Π 型钢梁加单体支护的超前支护方式，两隅角的单体支护拆装频繁，两顺槽来压不稳定，经常形成空顶、垮塌不及时的情况，漏风严重。因此，快速有效地封堵进回风端头的漏风就是最为关键的防灭火措施。

目前能够选择的处理措施一共有以下三种：

（1）工作面进回风隅角挂设挡风帘。挂设挡风帘，会给工作面两端头附近的机械设备运转、挪动及工作人员进出、运料都造成一定程度的影响，并且在这种工作状态下挡风帘的挡风环境很容易被破坏继而影响挡风效果，漏风量大；挂设风帘随意性较强，无法持续可靠接顶、接底和靠帮，易造成遮挡不严、人为开合甚至掉落，造成工作面漏风量忽高忽低，极不稳定。因此这项措施实施起来可靠性较差，效果不理想。

（2）木板墙或挂网喷涂高分子材料。聚氨酯类高分子反应型材料反应热造成的次生危害很多，施工人员容易吸入有毒有害气体，刺激眼睛、皮肤和呼吸道；另外，聚氨酯类高分子反应型材料燃烧产生的有毒有害气体会对施工人员的安全造成极大的威胁，且国家已制定了有关反应型高分子材料使用限制的规定，严格限制。

（3）煤袋墙配合挡风帘构筑挡风屏障。挡风帘的挂设是个动态的非实体挡风屏障，为了实现实体性进回风隅角挡风屏障，很多矿井选择在进回风隅角位置就地取材，用防静电编织袋直接装碎煤（或煤矸）进行垒墙，挡风墙的两侧顶部和底部必须和相邻的支架尾梁、巷帮、顶板以及经过处理的底板紧密结合，主要的优势就是就地取材，没有运输压力。

进回风隅角在使用煤袋墙构建挡风墙方便快捷的同时，也存在着很多的弊端。碎煤本身成本也很高，而且易燃特性没有改变，频繁使用碎煤构建挡风墙，留下大量的遗煤，后期存在自然发火隐患；同时，工人劳动强度很高而且施工过程中存在较大的安全隐患。

经过广泛调研和科研攻关，确定了向预制充填袋内充填无机泡沫形成泡沫固体的方法来实现隅角快速挡风墙的新工艺。

根据隅角空间尺寸预制的充填袋按要求吊挂在隅角空洞位置，然后将无机泡沫充填材料按照一定的比例配置成浆液，通过气动泵输送至充填袋，在一定时间内完全凝固承压，形成了安全有效的挡风墙，减少往采空区漏风，如图1。

图1 工作面进回风端头封堵措施及三带分布图

由于工作面推进速度快、来压速度快，现场要求快速完成挂装、充填以及拆卸单体的全过程，这就要求无机泡沫充填材料迅速凝固并能完全承压。因此，为达到技术要求，矿方与徐州意创化工科技有限公司开展联合研究，在原充填LFM 轻型充填材料2 h 承压的基础上，结合现场情况，大幅度缩短材料凝固和承压时间，研发了新型快速凝固泡沫充填材料。

2 进回风端头快速凝固型充填材料技术特点

充填袋挡风墙是采用向预制充填袋内充填无机泡沫浆液形成泡沫固体的方法来实现隅角快速挡风墙的新工艺。有些煤矿的联络巷道有采用柔膜袋充填材料的先例，因为需要严密封堵漏风，巷帮和顶板挂设工艺非常复杂，充填材料普遍采用自制的高水材料或者水泥采取上下分层不同强度的处理方式[5-6]；有的煤矿采取A、B 料再添加聚丙烯纤维和发泡剂的工艺措施[7]，施工工艺复杂，同时存在着顶板来压后侧帮和顶板漏风的可能，因此推广受限，只能应急情况下使用。

LFM 轻型充填材料是徐州意创化工科技有限公司研制的无机泡沫充填材料，单料配水即可使用，反应温度不超过60°，材料本身不燃烧也不助燃，流动性好，与顶板和侧帮煤壁的粘附性强，具有柔性承压的特性。充填袋和内部的充填材料在进回风端头来压正常的情况下能可靠地根据巷道和顶板的变形严丝合缝地接帮接顶，完全终凝时间不超过1 h，在施工完成后即可进行单体的回撤，快速便捷。

LFM 轻型充填材料是无机泡沫型充填材料，符合《煤矿井下用聚合物制品阻燃抗静电性通用试验方法和判定规则》（MT113-1995）标准中规定的技术要求；LFM 轻型充填材料通过了国家认可的第三方检测机构的国家环保检测认定和产烟毒性试验[8]。

3 现场应用

3.1 预制充填袋结构和制作材料的选择

充填袋应选用阻燃抗静电的材料制成，严格执行煤矿安全国家标准，表面电阻≤3×108，有焰燃烧时间≤3 s。充填袋受力结构由布面、加强筋、拉筋构成，充填袋内部必须要有横向加强带和纵向加强筋来支撑吊挂时不变形并维持一定的强度。

3.2 充填袋隅角施工安全技术措施

进回风隅角吊挂充填袋时，必须注意观察顶、帮完好情况，作业人员不准进入无支护的空顶区作业；进回风隅角吊挂充填袋时，必须确保CH4＜1%、CO2＜1.5%、CO＜0.002 4%。

3.3 吊挂前准备工作

充填袋吊挂前相应位置要刷帮、清底，巷道中四周掏槽深度应在10 cm 以上，底板深度不应小于20 cm，要求见实帮实底。当周围巷帮较软时，四周掏槽应不小于20 cm。根据巷道宽度内侧点柱间距为1000 mm，设置100 mm×100 mm 的点柱4 根。底部要生根埋进巷道底板5～10 cm，上端用铁丝楔子固定牢固。外侧点柱可用单体支柱，间距800 mm。

3.4 充填袋吊挂

先将充填袋展开后由上往下固定，顶部要留出200～300 mm 防止注浆时往下脱落，更好地让材料接顶。内侧顶部先用扎丝每200 mm 一个固定点固定到顶板锚索上并固定牢固，侧边要插到掏槽内进行固定，底部也插到掏槽内，如图2。

图2 进回风端头充填袋结构及挂设示意图

3.5 现场充填工艺

充填式挡风墙是采用向充填袋内充填无机泡沫浆液凝固的方法来实现的，将无机泡沫充填材料按照一定的比例配置成浆液，然后通过气动泵输送到充填袋，一小时后无机泡沫浆液凝固形成实体并可完全承压，起到堵漏风的作用。

LFM 轻型充填材料为单一与水混合无机泡沫材料，水灰配比1:0.8～1（图3）[8]。使用最新研制的快速凝固性充填材料，从准备工作到充填袋成墙结束只需要两个小时即可完成，充填材料终凝时间不超过1 h，2 h 后外侧单体可撤除，有效提高了密闭墙的施工速度，提高了施工安全性。

图3 LFM 轻型充填材料的充填工艺

4 应用成本核算

以天安集团星村煤矿3310 工作面使用的充填袋在进回风隅角充填LFM 轻型充填材料为例，充填袋尺寸可根据现场单体支护和垮落的实际情况定制尺寸；充填体积为8～10 m³，仅需4 个工人一个班次即可注浆完成，1 h 充填体实现完全承压，2 h后外侧单体可撤除，有效提高了实体挡风墙的施工安全性和效率。

5 结论

对于实施大采深、易自燃矿井采煤工作面进回风端头封堵漏风的措施，充填袋与快速凝固型LFM 轻型无机泡沫充填材料相结合的新工艺，可代替部分隅角施工煤袋墙进行堵漏漏风，可有效地提高隅角实体墙的施工效率，大幅度提高现场施工的安全性。成型后的挡风墙同时具备封堵漏风和柔性承压能力，顶板来压时能大大减少隅角的漏风量，有效控制和缩小采空区的自燃区域。同时，各种规格形状的充填袋与无机泡沫充填材料相结合的模式在各种复杂异形区域封堵漏风等方面也有良好的应用前景。