基于無煤柱開采技術(shù)的“災(zāi)害”治理技術(shù)的實(shí)踐

趙文曙 梁旺亮 劉曉春 王亞敏

（山西西山煤電股份有限公司西銘礦 山西太原030052）

1 序言

無煤柱開采技術(shù)即“110工法”因具有掘進(jìn)量少、緩解銜接、少丟資源、降本增效等突出優(yōu)勢，作為綠色開采技術(shù)在煤礦井下得到了推廣應(yīng)用[1-3]。西銘礦在開采西山煤田2#煤層42208工作面試驗(yàn)無煤柱“110工法”開采技術(shù)，但存在留巷局部變形，影響銜接工作面后期利用，需要二次維修巷道；靠近采空區(qū)的巷旁瓦斯涌出造成回風(fēng)流及上隅角瓦斯時(shí)常超限；采空區(qū)長期微速通風(fēng)，造成采空區(qū)自然發(fā)火等隱患等問題。針對(duì)上述問題，在相鄰42206工作面采用了泵送高水分子材料巷旁充填沿空留巷與頂板深孔定向爆破切頂卸壓技術(shù)相結(jié)合、充填墻插管抽采與預(yù)注氮相結(jié)合以及將充填工藝納入采煤正規(guī)循環(huán)作業(yè)工序等綜合技術(shù)，有效地解決了巷道變形、瓦斯超限及自然發(fā)火等重大威脅，礦井次生災(zāi)害得到了有效治理與控制，為西山煤田2#煤層采用無煤柱“110工法”開采技術(shù)探索出一系列配套的安全保障措施。

2 “110工法”技術(shù)缺陷分析與技術(shù)革新

2.1 42208工作面概述

42208工作面為西十二盤區(qū)左翼首采面，開采2#煤層，為綜合機(jī)械化采煤面。工作面東為42022、42020采空區(qū)，南面為相鄰礦井邊界，西鄰盤區(qū)集中軌道巷，北為下接42206備用面；該面煤層厚度1.80 m～2.10 m，平均厚度1.95 m，煤層傾角2°～10°，為近水平煤層；偽頂為厚度0.20 m頁巖，直接頂為厚度1.70 m砂質(zhì)頁巖，老頂為厚度8 m中粒砂巖，直接底為厚度1.85 m細(xì)砂巖；工作面傾斜長197 m，走向長700 m，總體為單斜構(gòu)造；回采期間絕對(duì)瓦斯涌出量為5 m3/min，工作面采用“Y”型“兩進(jìn)一回”通風(fēng)系統(tǒng)，2#煤層為Ⅱ類自燃煤層，煤塵具有爆炸性。

2.2 42208工作面無煤柱開采技術(shù)災(zāi)害分析

為適應(yīng)煤炭綠色、高效開采的煤炭能源革命的要求，在42208工作面首次試驗(yàn)無煤柱“110工法”開采技術(shù)即采用沿42208皮帶順槽靠回采幫施工頂板深孔定向爆破切頂卸壓與錨桿+錨索補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)+臨時(shí)“π”梁聯(lián)合補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)技術(shù)相結(jié)合的沿空留巷工藝，即在皮帶順槽沿回采幫頂板按間距0.5 m，孔深6 m，朝工作面方向施工聚能爆破鉆孔，角度10°～15°，采用專用設(shè)備進(jìn)行預(yù)裂爆破，形成切縫線，同時(shí)進(jìn)行高強(qiáng)度補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)。

“110工法”開采技術(shù)在42208工作面開采實(shí)踐中，存在以下缺陷和問題（42208切頂卸壓+補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)相結(jié)合的沿空留巷采掘平面圖，見圖1）：

（1）是補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)作業(yè)周期長，嚴(yán)重影響回采作業(yè)，造成班循環(huán)刀數(shù)顯著下降，開采效率低，尤其是受采動(dòng)影響，補(bǔ)強(qiáng)后的巷道幫、底變形量較大，留巷效果不甚理想，需進(jìn)行二次維修護(hù)巷。

（2）是沿空留巷采用錨桿+錨索補(bǔ)強(qiáng)及滯后及超前段采用“π”型梁（“一梁三柱”）補(bǔ)強(qiáng)的聯(lián)合支護(hù)；且靠近采空區(qū)一側(cè)在切頂成壁后，壁墻裂隙發(fā)育、充填不實(shí)，需復(fù)噴高分子材料或水泥沙漿形成再生墻體，配套采用風(fēng)筒布封閉采空區(qū)，存在封閉不嚴(yán)，沿空留巷段

壁墻源源不斷地有瓦斯涌滲現(xiàn)象，局部滲漏區(qū)域瓦斯?jié)舛戎悼蛇_(dá)2%～3%，沿空留巷段回風(fēng)流中瓦斯?jié)舛葧r(shí)常處于大面積超限或局部積聚狀態(tài)，極易造成瓦斯、煤塵燃燒或爆炸事故。

（3）是進(jìn)、回風(fēng)巷道由于壓差作用，風(fēng)流流場并非完全按照“U”、“Y”型流動(dòng)，部分新鮮風(fēng)流摻“近道”從采空區(qū)內(nèi)通過而就近進(jìn)入回風(fēng)巷道，故采空區(qū)內(nèi)長期處于微通風(fēng)狀態(tài)，將采空區(qū)的“窒息帶”遠(yuǎn)遠(yuǎn)地推進(jìn)至采空區(qū)深部區(qū)域，擴(kuò)增了采空區(qū)的氧化帶幅度和范圍，使自然發(fā)火的頻率增強(qiáng)，在42208工作面開采過程中曾在回風(fēng)側(cè)壁墻處多次檢測到CO等自然發(fā)火指標(biāo)性氣體，且檢測到壁墻溫度比常溫升高3℃～5℃。

圖1 42208切頂卸壓+補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)相結(jié)合的沿空留巷采掘平面圖

2.3 42206工作面無煤柱開采技術(shù)創(chuàng)新與改進(jìn)

針對(duì)42208工作面無煤柱“110工法”開采過程中存在問題，經(jīng)過分析研討，在42206工作面采取了頂板深孔定向爆破、高水分子材料巷旁充填墻沿空留巷、掘進(jìn)期間補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)一次到位及充填墻插管抽采與預(yù)注氮等技術(shù)相結(jié)合的綜合治理技術(shù)，有效解決了影響頂板壓力顯現(xiàn)、瓦斯超限及自然發(fā)火等安全風(fēng)險(xiǎn)與隱患。

2.3.1 42206工作面及無煤柱開采概述

42206工 作面東鄰42018、42020采空區(qū)，南 接42208采空區(qū)，西為盤區(qū)集中軌道巷，北面下接42204備用面；工作面傾斜長197 m，走向長700 m，總體為單斜構(gòu)造，回采期間絕對(duì)瓦斯涌出量為5 m3/min，工作面采用“Y”型“兩進(jìn)一回”的通風(fēng)系統(tǒng)，煤層為Ⅱ類自燃，煤塵具有爆炸性。

回采時(shí)在42206皮帶順槽靠采煤幫，使用高頻風(fēng)鉆濕式打眼（鉆頭?42 mm，眼深6.0 m），垂直于頂板，距煤幫0.2 m，施工超前施工切頂卸壓孔，眼距0.4 m，排距2.4 m，進(jìn)行超前定向爆破，并且隨采隨充填高水分子材料留墻，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)留巷。

2.3.2 災(zāi)害治理技術(shù)探討與實(shí)踐

（1）頂板治理技術(shù)探討與實(shí)踐

為了減少補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)作業(yè)對(duì)回采作業(yè)正規(guī)循環(huán)的影響，加強(qiáng)留巷質(zhì)量，一方面在42206工作面巷道掘進(jìn)時(shí)，將準(zhǔn)備留巷的42206皮帶順槽綜合補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)設(shè)計(jì)及原巷道設(shè)計(jì)要求，采取一次性掘進(jìn)支護(hù)到位，從而在回采時(shí)不再進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)，節(jié)省了回采作業(yè)期間補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)環(huán)節(jié)，提高了開機(jī)率和采煤效率，平均每班可節(jié)約支護(hù)時(shí)間2 h（沿空留巷巷道支護(hù)設(shè)計(jì)變化見圖2）；另一方面利用高水分子材料充填墻巷旁支護(hù)沿空留巷技術(shù)，進(jìn)一步加強(qiáng)留巷支護(hù)強(qiáng)度，保證留巷質(zhì)量（42206工作面高水分子材料巷旁充填沿空留巷見圖3）。

圖2沿空留巷巷道支護(hù)設(shè)計(jì)變化圖

圖3 42206工作面高水分子材料巷旁充填沿空留巷圖

（2）瓦斯治理技術(shù)探討與實(shí)踐

為了解決原留巷靠采空區(qū)一側(cè)，由于封閉不嚴(yán)，留巷沿線壁墻有瓦斯涌滲問題，采用泵送高水材料巷旁充填沿空留巷技術(shù)，使采空區(qū)與留巷之間有了一道高水分子材料柔模墻，一方面隔絕了采空區(qū)與巷道直接相通與接確，解決了瓦斯異常涌出問題，保證了回風(fēng)流瓦斯下降至安全濃度以下；另一方面將充填工藝納入采煤工藝之中，即割一刀煤，充填一次墻，確?！癥”型通風(fēng)回風(fēng)上隅角不存在，杜絕了回風(fēng)上隅角瓦斯超限。

制作專用柔模包，沿充填墻上每隔10 m，插入長2 m、直徑?500 mm的抽采管，同時(shí)為降低抽采阻力，抽采管與柔摸墻成120°夾角布置，進(jìn)行采空區(qū)和上鄰近層1#瓦斯抽采，隨著工作面推進(jìn)交替接入抽采系統(tǒng)進(jìn)行抽采，同時(shí)接入抽采系統(tǒng)的抽采點(diǎn)不多于2組，不抽的抽采管及時(shí)封堵，避免了采空區(qū)瓦斯向巷道及工作面的涌滲，瓦斯得到了徹底治理（42206工作面高水分子材料巷旁充填墻插管抽采及預(yù)注氮圖見圖4）。

（3）自然發(fā)火治理技術(shù)探討與實(shí)踐

2#煤層為Ⅱ類自然煤層，由于原切頂卸壓加補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)沿空留巷技術(shù)，采空區(qū)未完全冒落封閉密實(shí)，使得采空區(qū)在回采期間處于負(fù)壓微通風(fēng)狀態(tài)，而采用充填墻技術(shù)后，由于墻體密實(shí)度極高，杜絕了采空區(qū)漏風(fēng)通道，在充填墻上插管抽采區(qū)域進(jìn)入“滯息帶”后，將插管抽采管改為注氮管利用膜式制氮泵進(jìn)行預(yù)注氮作業(yè)，通過合理控制“氧化帶”范圍杜絕自然發(fā)火災(zāi)害發(fā)生。

沿空留巷充填柔模墻插管注氮時(shí)，與抽采點(diǎn)的間隔距離不小于20 m，注氮位置始終滯后于抽采點(diǎn)，見圖4。根據(jù)能量守恒與轉(zhuǎn)換定律，為防止在注氮過程中將熱能帶入采空區(qū)，需在注氮機(jī)出口段增設(shè)冷卻降溫裝置作為冷媒，通過降低注入采空區(qū)內(nèi)的氮?dú)鉁囟龋_(dá)到降低采空區(qū)遺留煤體的內(nèi)能值的目的。

圖4 42206工作面充填墻插管抽采及預(yù)注氮示意圖

3 災(zāi)害治理技術(shù)效果分析

通過對(duì)42208工作面切頂卸壓+補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)無煤柱開采技術(shù)存在隱蔽致災(zāi)因素的分析，針對(duì)頂板、瓦斯及自然發(fā)火的威脅，在42206工作面采用頂板深孔切頂卸壓+高水分子材料巷旁充填+充填墻體插管抽采與預(yù)注氮的沿空留巷無煤柱開采技術(shù)，徹底解決了頂板、瓦斯及自然發(fā)火的潛在威脅。經(jīng)過長期圍巖支護(hù)效果跟蹤觀測，證明留巷完整可靠，巷道圍巖穩(wěn)定，頂板巷幫支護(hù)良好，基本無明顯動(dòng)壓顯現(xiàn)。瓦斯涌出情況得到全面掌控，在采煤期間工作面瓦斯?jié)舛仍?.2%～0.3%之間，回風(fēng)流瓦斯?jié)舛仍?.2%～0.4%之間，消除了瓦斯異常涌出現(xiàn)象。人工充填壁墻密封效果優(yōu)良，無裂隙、無裂縫等，采空區(qū)密閉較為嚴(yán)實(shí)，通過檢測采空區(qū)后部區(qū)域內(nèi)氧氣含量在7%以下，未發(fā)現(xiàn)有自然發(fā)火征兆。并且，工作面產(chǎn)量有大幅提升，技術(shù)革新前原煤產(chǎn)量為800～1200 t/班，技術(shù)創(chuàng)新后提升至1200～1600 t/班?？傊踩Ｕ吓c生產(chǎn)效益都取得了較好的效果。

4 結(jié)語

隨著煤炭企業(yè)轉(zhuǎn)型發(fā)展、能源革命不斷深入，走綠色開采、高效開采的路子是煤礦企業(yè)必由之路，而無煤柱“110工法”開采技術(shù)是適當(dāng)煤炭供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革的新工法，在煤層厚度不超過2.5 m的自燃煤層，且絕對(duì)瓦斯涌出量不超過10 m3/min的煤層，采用“深孔定向爆破切頂卸壓+高水分子材料巷旁充填支護(hù)+充填墻插管抽采與預(yù)注氮技術(shù)”是高效可行的經(jīng)濟(jì)、綠色、環(huán)保的開采工藝，不但節(jié)約了煤炭資源，延長了礦井服務(wù)年限，具有借鑒和推廣應(yīng)用前景。