自燃煤層沿空留巷回采工作面防滅火技術(shù)研究

田澤偉

【摘 要】 自燃煤層工作面回采時選用沿空留巷技術(shù)雖然可降低巷道掘進工程量、提升煤炭開采效率，但也存在采空區(qū)漏風量過大、遺煤自燃發(fā)火問題。文章以3506綜采工作面為工程研究對象，提出采用砌筑高水充填墻體對采空區(qū)進行密閉，布置氣體成分監(jiān)測系統(tǒng)對遺煤自燃發(fā)火進行預(yù)測，并結(jié)合噴灑阻化劑、采空區(qū)注氮、注凝膠等措施降低遺煤與氧氣接觸并惰化采空區(qū)氣體。現(xiàn)場應(yīng)用表明，采面漏風率降低至5%以下，采面及采空區(qū)內(nèi)未監(jiān)測到自燃發(fā)火氣體成分且采空區(qū)內(nèi)溫度保持正常，確保了采面生產(chǎn)安全。

【關(guān)鍵詞】 自燃煤層;遺煤;采空區(qū)漏風;阻化劑;防滅火;沿空留巷

近些年來切頂卸壓留巷技術(shù)通過恒阻錨索、深孔預(yù)裂爆破卸壓降低留巷難度，為無煤柱沿空留巷工作開展提供了切實可行的技術(shù)方法。但是采用切頂卸壓沿空留巷技術(shù)時也存在漏風量較大問題，在自燃煤層中應(yīng)用存在一定的安全隱患。文中就對自燃煤層沿空留巷工作面防滅火技術(shù)展開研究，以期能在一定程度上促進沿空留巷技術(shù)推廣應(yīng)用。

1工程概況

山西某礦3#煤厚3.6m，賦存穩(wěn)定，傾角1～5°，埋深280m，煤層瓦斯原始含量為3.5m3/t，自燃發(fā)火危險性為II類（自燃發(fā)火區(qū)80d）。3#煤頂?shù)装鍘r性以泥巖為主，直接頂隨采隨垮。

3506綜采工作面開采3#煤，采用Y型通風方式（即為兩進一回通風方式）。運輸巷為主進風巷（風量1320m3/min）、材料巷為輔助進風巷（風量480m3/min），乏風通過留巷段、鄰近采面回風巷流向采區(qū)回風上山，具體通風線路見圖1。3506材料巷采用沿空留巷方式保留下來為鄰近3508采面生產(chǎn)服務(wù)，巷道斷面為矩形（寬×高=5.0m×3.6m）。

采用Y型通風時由于材料巷留巷段為采面通風負壓最低點，采面切眼內(nèi)部分風流會經(jīng)過采空區(qū)流向留巷段，漏風量較大。

2防滅火技術(shù)

采用沿空留巷技術(shù)時防滅火工作可從降低采空區(qū)漏風、噴灑阻燃劑以及預(yù)防性注膠等方面開展。

2.1采空區(qū)密封技術(shù)

沿空留巷工作面采空區(qū)漏風量較大主要原因是留巷內(nèi)漏風嚴重，可通過在布置密集支柱以及砌筑充填墻方式降低漏風量。

2.1.1密集支柱施工

在3506綜采工作面推進后，在切頂線內(nèi)側(cè)600mm位置布置密集支柱支護頂板，支柱間間距為500mm。通過布置密集支護一方面可降低頂板下沉量、控制圍巖變形;另一方面可用固定充填袋，后與充填墻體共同配合起到擋矸作用。

在采面靠近材料巷一側(cè)的過渡支架后方設(shè)置用以支撐頂板及阻擋采空區(qū)矸石的擋矸支架，在擋矸支架保護下可為充填袋布置以及梯子梁搭設(shè)提供作業(yè)空間。與密集支柱平行鋪設(shè)金屬網(wǎng)、充填袋及梯子梁。在支柱布置前應(yīng)提前在巷道底板上開挖柱窩，柱窩深度在100mm以上。具體密集支柱、梯子梁、金屬網(wǎng)以及充填袋布置情況見圖2。

2.1.2高水充填墻體施工

在采空區(qū)旁澆筑厚度800mm高水充填墻體可有效降低采空區(qū)內(nèi)漏風量，具體充填墻體施工方式為：在擋矸支架提供的作業(yè)空間內(nèi)，與密集單體相距800mm位置安裝鋼筋梯子梁，并將梯子梁通過鋼筋、托盤與單體支柱連接。在梯子梁與單體支柱間懸掛充填袋（長×寬×高=3000mm×800mm×3600mm），隨后在充填袋內(nèi)充填高水材料，確保充填袋與巷道頂板緊密接觸。充填后形成的高水充填墻體抗壓強度應(yīng)在3～5MPa，高水充填材料中的A料、B料按照1∶1配合比混合，水灰比為3∶1，并根據(jù)充填效果對水灰比進行調(diào)整。具體充填墻體結(jié)構(gòu)見圖3。

2.2監(jiān)測技術(shù)

在3506綜采工作面采用KJ83X綜合監(jiān)測系統(tǒng)對采面內(nèi)溫度、瓦斯以及CO等實時監(jiān)測，采用地面束管監(jiān)測系統(tǒng)（SG-2003）對自燃發(fā)火標志性氣體濃度進行定時測定，當發(fā)現(xiàn)有自燃發(fā)火征兆時即發(fā)出預(yù)警信息，提醒相關(guān)人員及時采取措施進行防滅火。

2.2.1采空區(qū)束管監(jiān)測

在采面回采前即在回采巷道內(nèi)靠近護巷煤柱側(cè)（與頂板相距在200mm以內(nèi)）鋪設(shè)束管，并在運輸巷與開切眼交匯位置處布置第1個束管采樣點，隨著采面推進每隔30m布置一個束管采樣點，并確保采空區(qū)內(nèi)束管采樣點數(shù)量在3個以上。采樣點埋入采空區(qū)后即采樣分析氣體成分。

2.2.2留巷段束管監(jiān)測

在采面與材料巷交匯位置、留巷段尾部位置以及留巷段內(nèi)每隔30～50m布置一個采樣點，對上隅角以及留巷段內(nèi)氣體成分進行分析，從而判定采空區(qū)內(nèi)以及留巷段內(nèi)是否出現(xiàn)自燃發(fā)火征兆。具體束管監(jiān)測系統(tǒng)采樣點位置見圖4。

2.3噴灑阻化劑

阻化劑是采面回采過程中常用防滅火技術(shù)，采煤機每割一刀煤后即從液壓支架間向采空區(qū)內(nèi)噴灑阻化劑，從而預(yù)防采空區(qū)內(nèi)遺落自然。同時對于裸露的煤體也應(yīng)噴灑阻化劑起到隔絕氧氣作用。

在回采巷道內(nèi)靠近采面位置處布置阻化劑存儲箱，按照預(yù)先設(shè)定配比稀釋阻化劑后，通過液壓泵將阻化劑箱、無縫鋼管、高壓軟管與高壓噴槍連接，安排專人在采面內(nèi)全覆蓋噴灑阻化劑。

采面內(nèi)的護巷煤柱防滅火主要通過噴灑阻化劑實現(xiàn)，通過采面內(nèi)的移動式噴灑系統(tǒng)對煤柱進行全覆蓋噴灑。隨著采面推進阻化劑噴灑系統(tǒng)隨之前移，在煤柱內(nèi)噴灑的阻化劑直至煤壁外滲阻化劑時結(jié)束。

2.4注氮

在材料巷內(nèi)鋪設(shè)注氮管路向采空區(qū)內(nèi)注氮。注氮量依據(jù)采空區(qū)內(nèi)氧氣濃度判定，正常情況下注氮量為300m3/h;若檢測到采空區(qū)內(nèi)氧氣濃度在15%以上或者存在有自燃發(fā)火標志性氣體時則應(yīng)增加注氮量，將注氮量增加至600m3/h以上。具體注氮管路布置見圖5。

2.5采空區(qū)注凝膠

當采面、采空區(qū)內(nèi)任意位置檢測到有自燃發(fā)火標志性氣體或者溫度異常時，應(yīng)立即在采空區(qū)內(nèi)注凝膠。采用的凝膠中水∶促凝劑∶基料=8.6∶0.4∶1，采用凝膠泵（型號NJB-100/10-G）灌注。具體在留巷段內(nèi)通過施工φ93mm灌注鉆孔來進行注凝膠，鉆孔深度為50m、間距為6m，具體井下布置見圖6。

3應(yīng)用效果

通過在3506綜采工作面布置高水充填墻體降低采空區(qū)漏風量;采用常規(guī)安全監(jiān)測系統(tǒng)以及束管監(jiān)測系統(tǒng)對采面、留巷段以及采空區(qū)內(nèi)氣體成分進行實時檢測，可以及時發(fā)現(xiàn)采面煤層自燃發(fā)火傾向;向采空區(qū)噴灑阻化劑、采空區(qū)注氮以及注凝膠等措施預(yù)防遺煤自燃。在采面內(nèi)采用的防滅火技術(shù)可惰化采空區(qū)內(nèi)氣體，并減少遺煤與氧氣接觸、降低采空區(qū)內(nèi)溫度，具有顯著的防滅火效果。

3506綜采工作面從2020年1月開始回采，至今已經(jīng)推進超過650m，留巷段內(nèi)CO濃度最高為3ppm（僅在2020年4月20日檢測到，后續(xù)未能再檢測到），CH4濃度在0.02～0.05%間;采空區(qū)內(nèi)溫度始終保持正常。采面采空區(qū)漏風率控制在5%以內(nèi)?，F(xiàn)場應(yīng)用表明，文中所提防滅火技術(shù)可滿足現(xiàn)場應(yīng)用需要，可有效防止采面內(nèi)煤層以及采空區(qū)內(nèi)遺煤自燃。

4總結(jié)

沿空留巷技術(shù)在自燃煤層中應(yīng)用面臨的主要問題之一是采空區(qū)漏風量較大，如何解決采空區(qū)內(nèi)遺煤自燃問題是需要解決的現(xiàn)實問題。通過綜合分析發(fā)現(xiàn)通過布置高水充填墻可有效減少采空區(qū)內(nèi)漏風量且應(yīng)用成本相對較低;在采面內(nèi)采用氣體成分監(jiān)測系統(tǒng)、噴灑阻化劑，采空區(qū)內(nèi)采用注氮、注凝膠等措施可有效降低采空區(qū)內(nèi)遺煤自燃發(fā)火危險性。

現(xiàn)場應(yīng)用表明，采空區(qū)漏風率降低至5%以下，采空區(qū)遺煤未出現(xiàn)自燃發(fā)火征兆。文中所提防滅火技術(shù)在自燃煤層沿空留巷回采工作面取得了顯著的防滅火效果。

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