余吾礦S5203 綜放工作面初采期間瓦斯和火防治技術(shù)

王 偉

（余吾煤業(yè)公司，山西 長治 046100）

0 引 言

綜放開采時采空區(qū)遺煤量大，造成采空區(qū)瓦斯涌出量大、遺煤自燃風險高，特別是采面初期開采時頂煤冒放性差，更加劇采空區(qū)瓦斯涌出量、遺煤自燃風險[1~2]。關(guān)于綜放工作面瓦斯治理以及火災防治方面，眾多的研究學者取得豐碩研究成果[3~7]。文中就以S5203 綜放工作面開采為工程背景，對初采期間采取的瓦斯、火災防治技術(shù)進行分析、探討，以期研究成果為其他礦井瓦斯、火災防治提供一定參考。

1 工程概況

山西潞安余吾煤業(yè)公司S5203 綜放工作面走向開采長度2 230 m、斜長235 m，開采3 號煤層，煤層平均8.53 m，為II 類自燃煤層，最短自然發(fā)火期為45d，采面開采時絕對瓦斯涌出量12.34 m3/min。S5203 綜放工作面布置有3 條巷道，分別為高抽巷、運輸巷及回風巷。高抽巷沿著沿煤層頂板砂質(zhì)泥巖布置，與3 號煤層頂板相距3 m，內(nèi)錯采面回風巷15 m，當高抽巷與采空區(qū)坍塌覆巖聯(lián)通后，在高抽巷正巷口位置布置兩道密封墻并鋪設(shè)1 趟管徑530 mm鋼管，通過瓦斯抽采泵（型號2BEC-72）抽采采空區(qū)瓦斯。3-5 號煤層上覆為礦井2 號煤層采空區(qū)，層間距在130~50m。具體S5204 綜放工作面位置關(guān)系見圖1。

2 開采初期瓦斯涌出及采空區(qū)遺煤自燃情況分析

根據(jù)鄰近的S5202 綜放工作面開采初期監(jiān)測數(shù)據(jù)，并對采面開采初期瓦斯涌出、采空區(qū)遺煤自燃風險進行分析，具體為：

1）S5203 綜放工作面開采時采用高抽巷治理采面上隅角瓦斯涌出，是由于3 號煤層老頂為厚度9.5m 的堅硬粗砂巖，結(jié)合鄰近采面開采情況，可基本判定S5204 綜放工作面開采時初次來壓步距約為60~80 m，采面在開采初期30 m 范圍內(nèi)由于覆巖壓力小，采空區(qū)內(nèi)無冒落矸石且頂煤難以回收。在采面開采初期高抽巷與采空區(qū)間無聯(lián)通，高抽巷無法起到降低上隅角瓦斯?jié)舛茸饔谩?/p>

2）采面開采初期采空區(qū)處于懸空狀態(tài)，采空區(qū)內(nèi)積聚有大量高濃度瓦斯，采空區(qū)覆巖頂板垮落前部分瓦斯隨采面漏風從上隅角流出，極其容易導致上隅角瓦斯超限。

3）在采面開采初期，由于不放煤，從而導致采空區(qū)內(nèi)有大量的遺煤，加之采空區(qū)大面積懸頂會增加采面漏風量，采空區(qū)內(nèi)遺煤自燃氧化帶范圍增加，從而增加遺煤自然發(fā)火危險。

圖1 S5204 綜放工作面位置關(guān)系圖

3 開采初期瓦斯治理技術(shù)

針對采面開采實際情況，采取預抽煤層瓦斯、上隅角埋管抽采、水力壓裂頂板等措施治理瓦斯。

3.1 采前預抽煤層瓦斯

根據(jù)S5203 綜放工作面煤層賦存情況，采面預先布置的瓦斯抽采孔按上下2 排布置。在回風巷向進風巷施工順層長鉆孔，每隔5 m 布置1 組鉆孔，每組鉆孔分上下2 排布置。上排鉆孔開孔高度為1.8 m、終孔位于3 號煤層頂板下方2 m 位置，下排鉆孔開孔高度1.2 m、終孔與煤層底板相距2 m。鉆孔布置見圖2。

3.2 高抽巷強化抽采

由于采面開采初期采空區(qū)覆巖頂板無法及時垮落，高抽巷無法充分發(fā)揮作用，為此采取下述強化抽采措施：

1）采用礦用深孔鉆車（型號CMS1-6000/90）從采面切眼斜向高抽巷施工10 個孔徑150 mm 鉆孔，鉆孔間距3 m，從而使得高抽巷與采面煤體提前聯(lián)通。在采面生產(chǎn)時適當減緩回采、放煤速度，通過鉆孔抽采放煤過程中的卸壓瓦斯，從而減少采空區(qū)內(nèi)瓦斯集聚量。

2）在回風巷內(nèi)提前施工高位抽采鉆孔，采用預先鋪設(shè)的瓦斯抽采管路對頂煤卸壓瓦斯以及上隅角瓦斯進行抽采。高位瓦斯抽采鉆孔每隔5m 布置1組，每組由4 個孔徑150mm 鉆孔構(gòu)成，開孔位于回風巷頂板、間距500 mm、鉆進長度25 m、封孔長度3m。

3）在采面對應地表施工地面鉆孔，強化對采面頂煤卸壓瓦斯抽采，并截留部分采空區(qū)瓦斯，從而降低采空區(qū)向上隅角瓦斯涌出量。施工參數(shù)為：在采面回風巷內(nèi)側(cè)50 m 距采面切眼約30 m 位置施工第1個孔徑300 mm 地面鉆孔，在回風巷方向上距第1 個地面鉆孔30 m 位置施工第2 個地面鉆孔，見圖2。

圖2 采前預抽鉆孔布置示意圖

4）上隅角埋管。利用回風巷內(nèi)的DN350 瓦斯抽采管路進行上隅角瓦斯抽采，在距采面切眼50 m 范圍內(nèi)變成2 趟孔徑108 mm 鋼絲繩繞管并引入到上隅角位置，通過瓦斯抽采泵對上隅角瓦斯進行抽采。通過抽采管路負壓從而減少采空區(qū)向上隅角瓦斯涌出量。

3.3 水力壓裂

由于開采的3 號煤層堅硬，采面開采過程中頂煤不容易破碎，因此采用水力壓裂方式弱化頂煤。在切眼、回風巷分別布置水力壓裂鉆孔，提升煤層透氣性并降低其強度，從而使得頂板可以及時垮落，避免頂板突然冒落時造成采空區(qū)瓦斯然發(fā)、大量涌出。頂煤及頂板巖層及時冒落后可實現(xiàn)高抽巷與采空區(qū)及時聯(lián)通，起到截流采空區(qū)瓦斯目的。

在采面切眼內(nèi)每隔20 m 布置1 組水力壓裂鉆孔、每組鉆孔由4 個壓裂孔組成，采面內(nèi)共計布置10組水力壓裂孔；在回風巷內(nèi)距采面60 m 范圍內(nèi)每隔20 m 布置1 組水力壓裂孔，每組鉆孔由由4 個壓裂孔組成，共計布置12 個水力壓裂孔。

4 開采初期火災治理技術(shù)

根據(jù)S5203 綜放工作面生產(chǎn)情況，確定采用束管監(jiān)測技術(shù)對采空區(qū)內(nèi)遺煤自然發(fā)火情況進行監(jiān)測，并采用注氮為主，堵漏、噴灑阻燃劑等為輔的綜合火災防治技術(shù)。

4.1 束管監(jiān)測

在S5203 綜放工作面內(nèi)共計布置4 個束管監(jiān)測測點，第1 個測點布置在采面回風巷與切眼交匯位置，隨采面推進測點逐漸被埋入采空區(qū)內(nèi)，直至采面回采完畢或者測點進入到窒息帶后測點監(jiān)測數(shù)據(jù)將不再發(fā)生變化；在與第1 個測點相距30、60 m 位置分別布置第2、第3 測點，2、3 測點隨著采面開采逐漸經(jīng)歷冷卻帶、氧化帶及窒息帶等，根據(jù)束管監(jiān)測結(jié)果確定采空區(qū)“三帶”分布范圍；在回風上隅角位置布置移動測點并隨采面開采而移動，從而實時監(jiān)測上隅角位置氣體濃度及組分。

采用束管監(jiān)測系統(tǒng)實時監(jiān)測上隅角、采空區(qū)內(nèi)CO、CH4、O2、C2H4以及 N2等氣體成分，并對遺煤自然發(fā)火標志性氣體進行分析，可及時對遺煤自然發(fā)火情況進行預測。

4.2 注 氮

1）切眼注氮。在切眼內(nèi)綜放設(shè)備安裝期間就沿著切眼布置一趟注氮管路，沿采面切眼一直布置止回風巷，實現(xiàn)切眼內(nèi)均衡注氮，避免由于注氮不均衡而出現(xiàn)遺煤自燃問題。

2）采空區(qū)注氮。在采面切眼內(nèi)停止注氮后，采空區(qū)采用邁步式方式注氮。采面開采初期移動步距暫定30 m。在后續(xù)采面回采過程中根據(jù)監(jiān)測到的采空區(qū)內(nèi)“三帶”范圍變化情況以及采空區(qū)內(nèi)遺煤自然發(fā)火標志性氣體分析結(jié)果，對注氮步距進行調(diào)整，注氮步距最大為50 m。

4.3 噴灑阻化劑

在安裝綜放設(shè)備之前就采面切眼周邊煤壁上、切眼擴刷側(cè)破碎煤壁等遺煤容易自燃位置，均勻噴灑阻化劑。

4.4 端頭封堵

在S5203 綜放工作面切眼上下端頭空頂時，采用構(gòu)筑密閉墻措施降低采空區(qū)內(nèi)漏風量。在開采初期暫定每隔20 m 布置1 道封堵墻，隨著采面回采若采面上下端頭頂板巖層時垮落時可不布置密閉墻而改成每隔10 m 對端頭位置進行噴漿，從而封堵漏風裂隙，降低采空區(qū)漏風量。

4.5 地面瓦斯抽采鉆孔注漿

在地面瓦斯抽采鉆孔抽采采空區(qū)及采面上覆頂煤卸壓瓦斯時，對抽采的氣體成分、溫度等進行實時監(jiān)測、分析。當監(jiān)測到抽采氣體中含有CO 且含量持續(xù)增加時或者氣體溫度呈上升趨勢，則立即停止地面瓦斯抽采，通過地面鉆孔向采面采空區(qū)進行預防性灌漿，避免采空區(qū)內(nèi)遺煤自燃。

5 防治效果

在S5203 綜放工作面開采初期，采用瓦斯、火災協(xié)同防治技術(shù)后，采面回風上隅角位置瓦斯?jié)舛仍?.4%以內(nèi)，束管監(jiān)測系統(tǒng)未監(jiān)測到采空區(qū)、上隅角位置其他存在異常情況。采面開采初期采用的瓦斯、火災協(xié)同防治技術(shù)有效確保了采面生產(chǎn)安全。

6 總 結(jié)

1）在厚煤層綜放工作面初期開采時，采用煤層瓦斯預抽、高抽巷強化抽采、上隅角埋管抽采以及地面鉆孔瓦斯抽采等綜合瓦斯防治措施可降低采面回采初期瓦斯涌出量，避免上隅角位置瓦斯超限。

2）采用水力壓裂技術(shù)提升采面上覆煤體透氣性并對煤體進行弱化可提高頂煤冒落性及瓦斯抽采效果；在采面內(nèi)布置傾向鉆孔并與高抽巷聯(lián)通，在采面上覆煤體冒落性差、采空區(qū)上覆巖層不能及時垮落情況下也可充分發(fā)揮高抽巷截留采空區(qū)瓦斯效果。

3）在采面采空區(qū)及上隅角采用束管進行24 h 實時監(jiān)測，在切眼周邊破碎圍巖中均勻噴灑阻化及注氮，在采空區(qū)內(nèi)注氮、端頭封堵等防滅火技術(shù)措施可避免采空區(qū)內(nèi)遺煤自燃。

4）采面地面布置的瓦斯抽采鉆孔正常情況下可降低采空區(qū)瓦斯涌出量，當監(jiān)測到采空遺煤有自然發(fā)火危險性又可進行預防性灌漿工作。