切頂卸壓沿空留巷瓦斯和煤自燃防治技術(shù)探討

羅偉榮

（西山煤電(集團(tuán))有限責(zé)任公司安監(jiān)局，山西 太原 030053)

近期興起的切頂卸壓無(wú)煤柱開(kāi)采技術(shù)，由于不留煤柱，工作面推進(jìn)速度快，提高了采區(qū)資源回收率，使礦井真正實(shí)現(xiàn)了高產(chǎn)、高效和集約化生產(chǎn)，經(jīng)濟(jì)效益明顯提高［1］。采用并推廣沿空留巷無(wú)煤柱開(kāi)采技術(shù)將是煤炭資源可持續(xù)發(fā)展的重要方向，在提高煤炭回收率的同時(shí)，也是解決煤礦重大災(zāi)害事故的有效手段。但在采用沿空留巷技術(shù)時(shí)，留巷內(nèi)的瓦斯涌出會(huì)造成回風(fēng)巷內(nèi)的瓦斯?jié)舛仍龃?，給工作面的瓦斯治理工作增加難度，給礦井生產(chǎn)帶來(lái)巨大安全隱患［2-3］。探討切頂卸壓沿空留巷工作面通風(fēng)方式、瓦斯抽采、封堵采空區(qū)降低漏風(fēng)，協(xié)調(diào)采空區(qū)瓦斯治理與防滅火關(guān)系等，對(duì)保證無(wú)煤柱回采工藝的成功應(yīng)用具有借鑒意義。

1 工程概述

官地煤礦屬高瓦斯礦井。12605工作面位于+1051水平南六采區(qū)皮帶巷東南側(cè)，開(kāi)采2#煤層。2#煤層厚度0.4～2.6 m，平均2.27 m，煤層傾角為1°～9°，平均5°。2#煤層為Ⅲ類(lèi)不易自燃煤層，煤塵具有爆炸性。工作面東北側(cè)為12603已采面，與本工作面相距23 m，西南側(cè)210 m處為12607副巷（已與12605構(gòu)成系統(tǒng)），見(jiàn)圖1。切眼東南側(cè)存在2#煤層小窯破壞區(qū)。正巷長(zhǎng)度為931 m，切眼長(zhǎng)度為220 m，均采用矩形斷面。巷道掘進(jìn)坡度為4°～9°。

12605工作面采用綜合機(jī)械化采煤工藝，全部垮落法管理頂板，回采時(shí)保留12605正巷作為接續(xù)面12607工作面的正巷。12605正巷留巷時(shí)以“切頂卸壓+恒阻大變形錨索支護(hù)”為主體的設(shè)計(jì)方案，通過(guò)預(yù)裂切縫爆破，在局部范圍切斷工作面頂板應(yīng)力傳遞，減弱巷道頂板壓力，且預(yù)裂爆破能夠很好地保護(hù)巷道頂板完整性。

2 工作面通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化

12605工作面原通風(fēng)系統(tǒng)為：12605副巷進(jìn)風(fēng)，12605正巷、12607副巷回風(fēng)的“U+L”型的通風(fēng)系統(tǒng)，沿空留巷內(nèi)為回風(fēng)側(cè)，致使采空區(qū)漏風(fēng)量較大。考慮多種實(shí)際因素，合理計(jì)算配備工作面供風(fēng)量，改為12605工作面采用均壓（“W” 型）通風(fēng)方式，即12605副巷、12607副巷進(jìn)風(fēng)，12605正巷回風(fēng)（見(jiàn)圖1），有利于減少采空區(qū)氧化帶漏風(fēng)量，減小壓差?；夭善陂g必須加強(qiáng)12605工作面及周邊的通風(fēng)設(shè)施的管理，合理布置通風(fēng)系統(tǒng)，保證該面通風(fēng)系統(tǒng)穩(wěn)定可靠。

由于工作面供風(fēng)量與采空區(qū)氧化帶的寬度呈二次函數(shù)關(guān)系，氧化帶的寬度和漏風(fēng)強(qiáng)度隨供風(fēng)量的加大而增大。所以，合理計(jì)算、配備工作面供風(fēng)量成為防止采空區(qū)遺留浮煤產(chǎn)生自燃隱患的主要措施。12605工作面瓦斯涌出量為6.8 m3/min（其中瓦斯抽采量3 m3/min，風(fēng)排瓦斯量3.8 m3/min），工作面配風(fēng)必須滿足稀釋瓦斯的要求。經(jīng)計(jì)算該工作面配風(fēng)量為808 m3/min，12607副巷進(jìn)風(fēng)配風(fēng)量為353 m3/min。為充分稀釋瓦斯同時(shí)綜合考慮防滅火因素，該工作面實(shí)際配風(fēng)量為990 m3/min，12607副巷進(jìn)風(fēng)實(shí)際配風(fēng)量為370 m3/min。

圖1 12605工作面切頂卸壓沿空留巷

3 工作面瓦斯抽采措施

工作面在切頂卸壓沿空留巷前已經(jīng)施工了本煤層預(yù)抽鉆孔、頂板鉆孔、裂隙鉆孔治理工作面及采空區(qū)的瓦斯涌出，同時(shí)還結(jié)合回風(fēng)隅角埋管措施治理工作面回風(fēng)隅角的瓦斯涌出。

1）在采用切頂卸壓沿空留巷技術(shù)后，取消了回風(fēng)隅角埋管抽采，采用沿空留巷預(yù)插管抽采空區(qū)瓦斯措施，見(jiàn)圖2。

前期在留巷施工過(guò)程中，在留巷墻體上每間隔10 m預(yù)留一2寸插管；插管要求距頂板0.3 m。在每一預(yù)插管上設(shè)置一個(gè)三通閘閥和瓦斯抽采參數(shù)觀測(cè)孔，沿空留巷預(yù)插管通過(guò)三通閘閥和瓦斯抽采參數(shù)觀測(cè)孔連接到留巷瓦斯抽采支管道上。為提高采空區(qū)插管抽采瓦斯效果和確保工作面的安全生產(chǎn)，要求在工作面回采過(guò)程中保持3～5個(gè)預(yù)插管進(jìn)行同時(shí)抽放，且距工作面最近的預(yù)插管與工作面切眼的間隔不得超過(guò)10 m。其它采空區(qū)預(yù)插管的閘閥關(guān)閉，只有工作面瓦斯涌出量增大或瓦斯涌出異常時(shí)，通過(guò)控制沿空留巷內(nèi)采空區(qū)預(yù)插管的抽采數(shù)量和閘閥開(kāi)啟程度，控制采空區(qū)瓦斯抽采量和抽采瓦斯?jié)舛?。采空區(qū)抽放流量一般在為20～30 m3/min，瓦斯抽放濃度一般為3%，瓦斯抽采量在0.6～0.9 m3/min。

圖2 沿空留巷預(yù)插管抽采空區(qū)瓦斯

2）在工作面推進(jìn)至600 m時(shí)，使用沿空留巷預(yù)插管抽采空區(qū)瓦斯措施已經(jīng)不能有效地治理沿空留巷內(nèi)的瓦斯涌出，造成12605正巷內(nèi)的瓦斯?jié)舛容^大。因此，后期采取施工瓦斯抽采鉆孔的措施治理瓦斯，見(jiàn)圖3。

在12605正巷沿空留巷施工頂板瓦斯抽采鉆孔，開(kāi)孔位置在巷道頂板，距采煤幫2 m，停采線以里10 m處布置第一個(gè)鉆孔，鉆孔間距為10 m，依次向工作面切眼布置施工。根據(jù)巖層情況結(jié)合鄰近工作面頂板孔瓦斯抽采鉆孔參數(shù)和抽采情況，鉆孔水平距定為10 m；每個(gè)鉆孔的終孔垂高取18 m（煤層厚度的10倍），方位角為35°（偏采煤幫），鉆孔傾角為55.9°，施工鉆孔孔深為22 m，鉆孔開(kāi)孔直徑為113 mm，終孔直徑為94 mm。抽放流量一般在為30～50 m3/min，瓦斯抽放濃度一般為20%～30%，瓦斯抽采量在6～10 m3/min。

將新施工的瓦斯抽采鉆孔連入瓦斯抽采系統(tǒng)后，12605正巷內(nèi)的瓦斯?jié)舛鹊玫搅擞行У目刂?，確保了工作面的安全生產(chǎn)。

圖3 沿空留巷頂板瓦斯抽采鉆孔布置

4 防治采空區(qū)自然發(fā)火

12605工作面開(kāi)采的2#煤層雖然為不易自燃煤層，但由于該工作面回風(fēng)巷，即12605正巷進(jìn)行沿空留巷，作為12607工作面的正巷，12605沿空留巷與采空區(qū)相鄰，存在采空區(qū)漏風(fēng)，導(dǎo)致采空區(qū)遺煤氧化，易引發(fā)采空區(qū)自然發(fā)火，并且在拆架期間工作面停滯不前，氧化帶長(zhǎng)時(shí)間停留在同一區(qū)段內(nèi)，使架后采空區(qū)浮煤有較充分的氧化時(shí)間，存在著復(fù)雜的漏風(fēng)通道和充分的供氧條件，加快了氧化進(jìn)程，浮煤氧化發(fā)熱蓄溫，散熱條件差，易引發(fā)采空區(qū)自然發(fā)火。因此，必須采取防滅火專項(xiàng)措施來(lái)解決上述問(wèn)題，包括建立消防供水系統(tǒng)、自然發(fā)火預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)系統(tǒng)、采空區(qū)防火灌漿系統(tǒng)、采空區(qū)注氮防滅火系統(tǒng)等。

4.1 降低采空區(qū)漏風(fēng)

采空區(qū)漏風(fēng)會(huì)使采空區(qū)內(nèi)的瓦斯涌出到沿空留巷內(nèi)，增大12605正巷內(nèi)的瓦斯?jié)舛?，所以必須降低采空區(qū)漏風(fēng)。采取以下針對(duì)性管理措施：

（1）工作面進(jìn)風(fēng)隅角頂板的錨索、錨桿，在進(jìn)入采空區(qū)前必須及時(shí)退錨，保證采空區(qū)充分垮落，減小采空區(qū)空頂面積，并在進(jìn)風(fēng)隅角支架與煤幫之間必須每隔3 m采用垛袋方式進(jìn)行封堵，減少采空區(qū)漏風(fēng)。

（2）工作面沿空留巷內(nèi)的穩(wěn)定成巷區(qū)后，對(duì)留巷墻體進(jìn)行噴漿，噴漿均勻致密，噴漿厚度不小于80 mm，尤其對(duì)墻體頂板連接處加強(qiáng)封堵，減少采空區(qū)漏風(fēng)。

（3）噴漿凝固后，在原有墻體基礎(chǔ)上二次噴涂新型的“高強(qiáng)表固劑”進(jìn)一步封堵墻體裂隙，防止采動(dòng)影響下出現(xiàn)新的墻體裂隙增加采空區(qū)漏風(fēng)。

4.2 防治采空區(qū)遺煤自然發(fā)火

為防止在抽采過(guò)程中發(fā)生采空區(qū)遺煤自燃，采取以下針對(duì)性管理措施：

（1）該面配備專職瓦斯檢查員，每天由瓦檢員按要求對(duì)該面的各防火點(diǎn)的各項(xiàng)防火指標(biāo)進(jìn)行檢查，主要檢查地點(diǎn)有：工作面進(jìn)風(fēng)流、工作面、12607切眼內(nèi)、沿空留巷內(nèi)距工作面10 m處、工作面回風(fēng)流內(nèi)；主要檢查內(nèi)容有：CH4、CO、CO2、O2、氣溫、水溫等情況，要求每班必須檢查一次，并由通風(fēng)部門(mén)做好相關(guān)記錄，每月進(jìn)行一次總結(jié)分析。

（2）在12605工作面內(nèi)沿空留巷內(nèi)每隔50 m設(shè)置防火檢查點(diǎn)，每天由瓦斯檢查員負(fù)責(zé)檢查CH4、CO、CO2、O2、氣溫、水溫等情況，并將檢查結(jié)果記入手冊(cè)，并由專人負(fù)責(zé)做好相關(guān)記錄并每月進(jìn)行一次總結(jié)分析。

（3）每7天對(duì)12605工作面進(jìn)行一次取樣檢測(cè)，建立觀測(cè)臺(tái)賬，在沿空留巷內(nèi)每隔50 m設(shè)置一個(gè)取樣觀測(cè)點(diǎn)，取樣地點(diǎn)為沿空留巷墻體上預(yù)埋至采空區(qū)的觀測(cè)孔（抽采管）內(nèi)，監(jiān)測(cè)自然發(fā)火標(biāo)志性氣體情況，主要有CH4、CO2、CO、N2、O2、C2H2、C2H4、C2H6等。每月進(jìn)行一次總結(jié)分析。

（4）12605工作面回采期間，每7天對(duì)工作面高、低濃抽采管路中的氣體取樣化驗(yàn)，并每月對(duì)化驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。當(dāng)CO濃度增加到20 PPm且持續(xù)增長(zhǎng)趨勢(shì)，加大煤層自然發(fā)火標(biāo)志性氣體監(jiān)測(cè)頻率，采取對(duì)破碎煤體進(jìn)行注水、注漿等防滅火措施，并開(kāi)啟注氮泵，降低采空區(qū)氧氣濃度；當(dāng)CO濃度大于300 PPm且快速升高，或出現(xiàn)C2H2氣體，應(yīng)立即封閉工作面。

5 結(jié)語(yǔ)

切頂卸壓沿空留巷受巷道布置特點(diǎn)決定，不可避免的增加了采空區(qū)的漏風(fēng)，再考慮到瓦斯抽采地點(diǎn)多、流量大，采空區(qū)的漏風(fēng)情況更加復(fù)雜，易因漏風(fēng)致使回風(fēng)流瓦斯?jié)舛仍龃?、遺煤自燃，給通風(fēng)管理工作帶來(lái)了巨大壓力。通過(guò)大量技術(shù)論證，采取多項(xiàng)有效的瓦斯治理和防滅火措施，取得了良好的效果，保證了無(wú)煤柱回采工藝在官地煤礦應(yīng)用的成功。