特厚煤層綜放工作面初采期間瓦斯和火綜合防治技術(shù)

賈麗雯

1 工作面概況

同忻煤礦西8101綜放工作面開采石炭系3-5#煤層,煤層平均厚度16.44 m,屬自燃煤層,最短自然發(fā)火期為42d,工作面平均絕對(duì)瓦斯涌出量達(dá)11.97 m3/min。8101工作面位于3-5#層北一盤區(qū)西翼，工作面平均走向長(zhǎng)度2 141 m，傾向長(zhǎng)度235 m，采用綜采放頂煤開采。西8101工作面巷道采用三巷布置，分別為西2101巷進(jìn)風(fēng)，西5101巷回風(fēng)，西8101巷為頂抽放。西8101頂板抽放巷沿3-5#煤層頂板布置，與西5101巷內(nèi)錯(cuò)15 m。在西8101頂抽巷與采空區(qū)塌通后，在頂抽巷正巷口構(gòu)筑一道密閉并嵌入5趟φ530 mm的鋼管，利用2BEC-72型瓦斯抽放泵抽采工作面瓦斯。西8101工作面上覆為永定莊礦侏羅系11#、12#、14#煤層采空區(qū)，14#煤層距石炭紀(jì)3-5#煤層間距140 m～170 m。工作面布置情況見圖1。

圖1 8101采掘工程平面圖

2 工作面瓦斯和采空區(qū)自燃情況分析

根據(jù)東8101工作面回采期間監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及初采期間可能存在瓦斯及發(fā)火隱患進(jìn)行分析，具體情況如下：

（1）8101工作面正常回采期間采用頂板高抽巷治理上隅角瓦斯，8101工作面老頂為質(zhì)地較硬、厚度為9.46 m的粗砂巖，結(jié)合鄰近工作面回采情況，工作面初次來(lái)壓步距為80 m～100 m，工作面從開切眼推進(jìn)后，初采30 m范圍，由于壓力小，頂煤難于冒放，初采期間后面沒有矸石，頂煤冒落后也難于回收。因此在此期間，頂巷無(wú)法和采空區(qū)溝通，頂抽巷不能發(fā)揮截流放煤涌出瓦斯作用。

（2）采空區(qū)懸空區(qū)內(nèi)容易集聚大量高濃度瓦斯，頂板垮落前部分瓦斯被工作面漏風(fēng)風(fēng)流帶向工作面上隅角，極易造成上隅角瓦斯超限。

（3）由于初采期間，不放頂煤，導(dǎo)致采空區(qū)存在大量遺煤，同時(shí)大面積懸空區(qū)會(huì)增大漏風(fēng)量，增加氧化帶面積，采空區(qū)遺煤存在發(fā)火隱患。

3 工作面瓦斯治理技術(shù)研究

針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，采取預(yù)抽煤層瓦斯、強(qiáng)化工作面抽采、地面鉆孔抽放、上隅角埋管抽放、水力壓裂弱化頂煤的綜合瓦斯治理措施[1]。

3.1 采前預(yù)抽

圖2 順層長(zhǎng)鉆孔布置示意圖

根據(jù)西8101工作面煤層賦存條件，設(shè)計(jì)采用上下兩排順層長(zhǎng)鉆孔預(yù)抽3-5#煤層瓦斯。在西5101巷中向西2101巷方向施工順層長(zhǎng)鉆孔，每隔5 m布置1組鉆孔，共布置40組鉆孔；每組鉆孔分為上下2個(gè)鉆孔（上孔與下孔水平距離為0.3 m），上排鉆孔開孔高度為1.8 m、終孔位于煤層3-5#煤層頂板，下排鉆孔開孔高度為1.2 m、終孔位于煤層中部。鉆孔布置圖見圖2。

3.2 回風(fēng)巷高位抽放

由于高抽巷未能充分發(fā)揮作用，采用如下措施強(qiáng)化抽采：

（1）利用CMS1-6000/90煤礦用深孔鉆車，在工作面切眼斜向頂抽巷施工φ150 mm鉆孔，孔間距3 m，切眼布置10個(gè)鉆孔，使頂抽巷與預(yù)放煤體提前溝通，工作面生產(chǎn)時(shí)減緩放煤速度，利用鉆孔抽采預(yù)放煤體因卸壓解析的瓦斯，減少流向采空區(qū)瓦斯量。

（2）在工作面回風(fēng)巷施工高位鉆孔，利用8101工作面預(yù)抽瓦斯管路抽采上隅角及預(yù)放煤體瓦斯，每隔5 m布置一組，每組4個(gè)φ150 mm鉆孔，鉆孔開孔點(diǎn)在回風(fēng)巷頂板，開孔間距0.5 m，封孔長(zhǎng)度3 m。

（3）施工地面鉆孔

采用地面鉆孔加強(qiáng)對(duì)工作面卸壓預(yù)放煤體抽采，并截流采空區(qū)漏風(fēng)風(fēng)流，能夠有效減小采空區(qū)涌向工作面上隅角瓦斯。具體布置參數(shù)為：距工作面回風(fēng)巷內(nèi)側(cè)50 m，距工作面切眼30 m處施工一個(gè)DN300地面鉆孔，距第一個(gè)地面鉆孔30 m處施工第二個(gè)DN300地面鉆孔。

（4）上隅角埋管抽放瓦斯[2]

將西5101巷布置的DN350抽放鋼管，在工作面50 m范圍變徑成2趟φ108鋼絲纏繞管，引到上隅角位置，利用瓦斯抽放泵對(duì)上隅角進(jìn)行抽放，通過抽放負(fù)壓，截流采空區(qū)漏風(fēng)風(fēng)流，能夠有效減小采空區(qū)涌向工作面上隅角瓦斯。

3.3 水力壓裂弱化頂煤

考察8101二切眼處的煤體破碎情況，由于煤體不易破碎，采取水力壓裂弱化頂煤措施。設(shè)計(jì)分別在切眼、5101巷布置鉆孔進(jìn)行水力壓裂，壓裂弱化頂煤，增強(qiáng)頂煤透氣性，使頂板及時(shí)垮落，避免瓦斯集中釋放和采空區(qū)瓦斯一次性大量涌出，使頂巷即使于切眼溝通，達(dá)到治理初采瓦斯超限的目的。

設(shè)計(jì)沿8101工作面切眼每隔20 m施工一組鉆孔每組4個(gè)，共10組40個(gè)鉆孔，5101巷距切眼60 m范圍內(nèi)每隔20 m施工3組每組4個(gè)共12個(gè)鉆孔。

4 工作面內(nèi)因發(fā)火防治技術(shù)

根據(jù)8101工作面實(shí)際生產(chǎn)情況，確定采取以注氮為主，結(jié)合阻化劑防火、堵漏等綜合防滅火措施。

4.1 加強(qiáng)束管火災(zāi)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

在8101工作面共布置4個(gè)束管監(jiān)測(cè)點(diǎn)，第1個(gè)測(cè)點(diǎn)沿工作面回風(fēng)順槽布置在切眼處，回采后隨工作面推進(jìn)埋入采空區(qū)，直至工作面回采結(jié)束或進(jìn)入窒息帶后氣體濃度不再發(fā)生變化；在回風(fēng)順槽與第1個(gè)測(cè)點(diǎn)分別間隔30 m和60 m布置第2個(gè)測(cè)點(diǎn)和第3個(gè)測(cè)點(diǎn)，隨工作面推進(jìn)埋入采空區(qū)，第2個(gè)測(cè)點(diǎn)和第3個(gè)測(cè)點(diǎn)逐步經(jīng)歷冷卻帶、氧化帶和窒息帶，監(jiān)測(cè)采空區(qū)氣體組分和濃度，同時(shí)可以推算出8101工作面“三帶”寬度，當(dāng)?shù)?個(gè)測(cè)點(diǎn)和第3個(gè)測(cè)點(diǎn)進(jìn)入窒息帶后重新布置第2個(gè)測(cè)點(diǎn)和第3個(gè)測(cè)點(diǎn)；在回風(fēng)隅角設(shè)置第4個(gè)移動(dòng)測(cè)點(diǎn)，隨工作面推進(jìn)而移動(dòng)，監(jiān)測(cè)上隅角氣體組分和濃度[3]。

束管監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)采空區(qū)和上隅角的O2、N2、CO、CH4、C2H4等氣體含量實(shí)現(xiàn)24小時(shí)連續(xù)循環(huán)監(jiān)測(cè)，經(jīng)過對(duì)自然火災(zāi)標(biāo)志氣體的確定和分析，及時(shí)預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)發(fā)火點(diǎn)的自燃進(jìn)程變化。

4.2 強(qiáng)化采空區(qū)注氮

（1）切眼橫向注氮

在工作面設(shè)備安裝期間，沿工作面切眼橫向布置一趟注氮支管路，沿工作面切眼布置至回風(fēng)巷，實(shí)現(xiàn)采空區(qū)均勻注氮，預(yù)防因注氮不均引起遺煤自燃。

（2）采空區(qū)強(qiáng)化注氮

停止切眼橫向注氮后，采用邁步式注氮對(duì)采空區(qū)進(jìn)行強(qiáng)化注氮，初期移動(dòng)步距暫定30 m。在方案具體實(shí)施過程中，將根據(jù)對(duì)采空區(qū)“三帶”的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律及采空區(qū)氣體分布規(guī)律的實(shí)時(shí)調(diào)整注氮步距，最大注氮步距不應(yīng)大于50 m。

4.3 切眼噴灑阻化劑

回采工作面安裝前對(duì)開切眼周邊煤壁及擴(kuò)切眼側(cè)頂煤破碎離層等自燃危險(xiǎn)區(qū)域采用直接噴灑阻化劑的措施。

4.4 端頭封堵

在工作面進(jìn)回風(fēng)端頭空頂?shù)那闆r下，采取堵漏風(fēng)措施，構(gòu)筑密閉墻堵，暫定每推進(jìn)20 m構(gòu)筑一道堵漏風(fēng)墻，控制向采空區(qū)的漏風(fēng)。進(jìn)回風(fēng)端著跨落較好時(shí)，間距10 m對(duì)上下端著實(shí)施噴漿，封堵裂隙漏風(fēng)，降低“兩道”煤體氧化速率。

4.5 利用地面抽放鉆孔注漿

地面抽放鉆孔抽放瓦斯的同時(shí)，進(jìn)行O2、CO、C2H4、C2H2等氣體和溫度的監(jiān)測(cè)。檢測(cè)到瓦斯抽采過程中發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生CO并持續(xù)上升時(shí)，停止地面鉆孔瓦斯抽采，利用地面鉆孔進(jìn)行8101采空區(qū)預(yù)防性注漿。

5 效果分析

8101工作面在初采期間，采取瓦斯和火協(xié)同治理技術(shù)，上隅角CH4穩(wěn)定在0.2%～0.3%之間，未檢查出CO氣體，瓦斯和火綜合防治技術(shù)有效的保障了工作面初采期間安全開采。

6 結(jié)論

（1）特厚煤層綜放工作面通過煤層預(yù)抽、強(qiáng)化瓦斯抽采、上隅角抽放、地面瓦斯抽放瓦斯綜合防治有效治理了特厚煤層綜放開采期間工作面上隅角瓦斯超限隱患。

（2）通過水力壓裂弱化頂煤、工作面切巷斜向頂抽巷施工鉆孔讓頂抽巷提前溝通，發(fā)揮頂抽巷截流采空區(qū)漏風(fēng)風(fēng)流，能夠有效減小采空區(qū)涌向工作面上隅角 瓦斯。

（3）通過強(qiáng)化采空區(qū)注氮、切眼噴灑阻化劑、端頭封堵有效防止了采空區(qū)遺煤自然發(fā)火。

（4）施工地面鉆孔即可進(jìn)行瓦斯抽放，在停止抽放后又可進(jìn)行實(shí)施采空區(qū)灌漿，高效的利用了地面鉆孔。