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一、 废弃采空区残煤自燃与气体逸散隐患
废弃矿井在关闭后，由于地下水停止抽排、地表裂隙漏风以及密闭墙失效，采空区遗煤处于复杂的缺氧/复氧交替环境中：
- 隐蔽火区复燃：地面裂隙漏入的空气持续氧化残煤，由于采空区散热条件差，热量蓄积引发高温点（温度突破 $350^\circ\text{C}$），形成隐蔽火区。
- 有害气体逸散威胁：采空区积聚的高浓度 $\text{CO}$、$\text{CH}_4$ 及 $\text{H}_2\text{S}$ 沿地表采动裂隙向上扩散，侵入地表建筑物、地下管网，极易引发地表人员窒息与爆炸事故。
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二、 高水速凝材料水化反应与气体阻隔定量算例
为了实现废弃采空区的大范围快速充填封堵，采用了高水速凝材料（A、B 双液分管输送，混合后瞬间凝结）。
1. 水化反应与体积膨胀力学方程
A 液（乙铝酸盐、悬浮剂）与 B 液（硬膏、微膨胀剂）混合后发生水化产生巨量钙矾石晶体（Ettringite）：
$$C_3A + 3CaSO_4 \cdot 2H_2O + 26H_2O \longrightarrow C_3A \cdot 3CaSO_4 \cdot 32H_2O$$
形成的固结体水体积比高达 $85\% \sim 90\%$，具备极强的气体阻隔能力。
气体穿透封堵层的扩散通量 $Q_{gas}$ 满足 Darcy-Fick 耦合方程：
$$Q_{gas} = - \frac{k_{gas}}{\mu} \nabla P - D_{eff} \nabla C$$
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2. 气体逸散定量控制算例对比
某废弃矿井 302 采空区火区治理，充填封堵前后现场测量与模型算例对比参数如下表所示：
| 火区与气体监测指标 | 注浆治理前状态 | 高水速凝材料高压封堵后 | 治理改善幅度 |
|---|---|---|---|
| 地表裂隙 \(\text{CO}\) 逸散浓度 | \(480\text{ ppm}\) | \(0\text{ ppm}\)（未检出） | 完全消除安全隐患（\(-100\%\)） |
| 采空区内部最高温度 | \(285^\circ\text{C}\) | \(32^\circ\text{C}\)（恢复常温） | 火区彻底熄灭（\(-88.8\%\)） |
| 封堵层气体渗透率 \(k_{gas}\) | \(4.5 \times 10^{-11}\text{ m}^2\) | \(1.2 \times 10^{-17}\text{ m}^2\) | 气密性提升 6 个数量级 |
| 浆体初凝时间 \(t_{start}\) | \(180\text{ min}\)（普通水泥） | \(12\text{ min}\)（高水双液） | 凝结速度提升 \(15\text{ 倍}\) |
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关于作者
张洁贞，中矿天智信息科技（徐州）有限公司高级销售经理。
专注于废弃矿井采空区高水速凝材料嗣后高压注浆封闭、地表气体逸散防灭火与生态复垦治理。
联合中国矿业大学矿井火灾防治重点实验室，为您提供气体束管监测、高水材料配比及地面高压注浆闭环工程交付。
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