特厚煤層松軟頂板綜采工作面自燃煤層火害防治研究

梁建國 余小柳

（1、晉能控股煤業(yè)集團(tuán)潞新公司，新疆 哈密 839003 2、中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶 400037）

隨著煤炭開采深度不斷增加，開采條件越來越復(fù)雜，自燃災(zāi)害愈發(fā)嚴(yán)重且相互疊加，治理難度不斷加大[1]，絕大多數(shù)厚煤層都有自燃傾向性，且許多礦井為高瓦斯礦井[2]。在開采高瓦斯易自燃特厚煤層過程中面臨著煤炭自燃以及自燃引起瓦斯災(zāi)害的嚴(yán)重威脅[3-4]，特別是工作面在特厚煤層松軟頂板復(fù)雜賦存環(huán)境下，火害防治難度更大，因此本文針對(duì)綜采工作面在特厚煤層松軟頂板復(fù)雜賦存環(huán)境下火害防治展開研究。

1 工程背景

砂墩子煤礦位于新疆哈密市三道嶺礦區(qū)后窯井田西部，井田內(nèi)煤層賦存于侏羅系中統(tǒng)西山窯組（J2x），侏羅系中統(tǒng)西山窯組平均厚度331.22 m，含煤層13層，煤層總厚0～32.48 m，平均總厚20.19 m。

礦井目前開采煤層為4號(hào)煤層，4號(hào)煤層最大厚度在18.25 m，最小厚度在0.39 m，平均厚度在5.61 m，最大可采厚度18.25 m，最小可采厚度1.26 m，平均可采厚度6.89 m，屬特厚煤層。

4號(hào)煤層頂板多為粉、細(xì)、中、粗砂巖，局部地段為砂礫巖，飽和狀態(tài)下單向抗壓強(qiáng)度僅個(gè)別為44.84 ～45.8 MPa，其余多為2.9 ～27.9 MPa＜29.42 Mpa，屬不穩(wěn)定型頂板；天然狀態(tài)下單向抗拉強(qiáng)度僅個(gè)別為7.4 MPa、，其余多為1.2 ～4.9 Pa；軟化系數(shù)僅個(gè)別為0.77 -0.91 ，其余多為0.06 ～0.68 ＜0.75 ，巖石質(zhì)量等級(jí)為易軟化的較軟巖-極軟巖，圍巖穩(wěn)固性差，其圍巖多為細(xì)粒相粉、細(xì)砂巖，結(jié)構(gòu)面為層理面，次為局部地段的節(jié)理及裂隙。

4號(hào)煤層具有自然發(fā)火傾向性，屬Ⅱ類自燃煤層，自然發(fā)火期最短時(shí)間為36天。

2 采空區(qū)頂板冒落特征及自燃“三帶”研究

2.1 采空區(qū)頂板冒落特征

砂墩子煤礦4號(hào)煤層屬特厚煤層，頂板松軟，工作面回采采用放頂煤綜采開采工藝，放煤厚度大，煤體不易完全放出，頂板冒落不充分，形成“O形圈”，漏風(fēng)通暢，供氧充分，且采空區(qū)“兩道兩線”遺煤較多，；在巷道布置時(shí)，在巷道頂部留有大量遺煤，由于頂板松軟，造成頂板受壓力影響易破碎，易造成巷道頂煤氧化自燃。

2.2 采空區(qū)自燃“三帶”

根據(jù)砂墩子煤礦綜放工作面回采期間冒落特征，考察采空區(qū)自燃“三帶”分布范圍，通過自燃“三帶”測(cè)定及已回采綜采工作面采空區(qū)束管監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，采空區(qū)三帶分布情況基本如下：

從圖1和表1可以看出，根據(jù)采空區(qū)自燃“三帶”分布結(jié)果中自燃帶分布范圍，N4105工作面采空區(qū)在注氮條件下自燃帶深度的分布較廣，沿進(jìn)風(fēng)側(cè)采空區(qū)達(dá)到27m，回風(fēng)側(cè)采空區(qū)自燃帶寬度達(dá)到15.1 m。

表1 工作面采空區(qū)“三帶”劃分表

圖1 工作面采空區(qū)“三帶”劃分圖

3 工作面綜合防滅火防治研究

根據(jù)以上特厚煤層松軟頂板綜采工作面自燃煤層采空區(qū)冒落特征及自燃“三帶”研究結(jié)果，為了實(shí)現(xiàn)工作面火害有效防治，采用4種方式開展。

3.1 氮?dú)夥罍缁?/h3>

氮?dú)夥罍缁馂榈V井主要防滅火工藝。

礦井氮?dú)庠从傻孛姘颂?500m3/h同等能力的地面制氮機(jī)經(jīng)風(fēng)井已鋪設(shè)好的∮273mm主管路至綜放工作面膠帶順槽與回風(fēng)順槽開口處，其中膠帶順槽注氮支管路采用∮159mm的無縫鋼管鋪設(shè)至開切眼以外200米處，回風(fēng)順槽的注氮支管采用∮159mm的無縫鋼管鋪設(shè)至開切眼以外200米處，注氮支管至綜放工作面采用∮75mm的焊管連接，采用上、下端頭同時(shí)鋪設(shè)“雙L”型注氮管路，各沿傾向延伸30m，注氮管路間距為25m，共計(jì)鋪設(shè)3趟，實(shí)現(xiàn)24小時(shí)不間斷注氮的方式將氮?dú)庾⑷氲讲煽諈^(qū)以達(dá)到防滅火的目的，其中氮?dú)饧兌炔恍∮?7%。

圖2 綜放工作面注氮管路布置圖

3.2 灌漿防滅火

灌漿防滅火為礦井的一種輔助性防滅火工藝，是對(duì)綜放工作面一般采用回采過程中的高位灌漿和最終回收后進(jìn)行封閉性注漿措施。具體實(shí)施方案為：①在綜放工作面采空區(qū)上隅角的高位灌漿孔進(jìn)行埋管灌漿；②高位灌漿孔每隔8米施工一個(gè)，孔深見矸為準(zhǔn)、遠(yuǎn)、中、近三趟灌漿管輪流灌漿；③工作面最終回收完封閉后通過進(jìn)、回風(fēng)收作密閉向采空區(qū)實(shí)施注漿。

灌漿材料用黃土，礦井防滅火灌漿的土水比例為1:4。制漿方法：黃泥漿的制漿方法是采用定量給料機(jī)將土料配給膠體制備機(jī)（ZJ-60），膠體制備機(jī)根據(jù)給土量自動(dòng)控制水土比，制好的泥漿再經(jīng)濾漿機(jī)（LJ-60）過濾，再經(jīng)緩沖池輸入灌漿管路。

圖3 綜放工作面灌漿管路布置圖

3.3 凝膠防滅火

順槽隱患點(diǎn)和工作面前方高溫點(diǎn)對(duì)放頂煤工作面威脅很大，使用凝膠防滅火技術(shù)堵漏和滅火效果很好。

3.3.1 凝膠防滅火機(jī)理

基料和促凝劑按一定比例混合配成水溶液后，發(fā)生了絮凝作用，形成凝膠。膠體內(nèi)部充滿水分子和一部分Na2CO3、NaCI，硅膠起框架作用，把易流動(dòng)的水分子都固定在硅膠內(nèi)部。成膠過程是吸熱過程。NaHCO3相比于NH4HCO3反應(yīng)不生成氨氣，減少對(duì)空氣污染，避免氨氣對(duì)人員傷害，產(chǎn)生凝膠效果與NH4HCO3相同，故選用NaHCO3做凝膠劑。

3.3.2 凝膠材料的選擇及配比

基料（A）硅酸鈉（泡成堿）。分子式：Na2SiO2（液態(tài)）

膠體水溶液中的SiO2濃度越高，凝膠越好，強(qiáng)度也越大，膠體強(qiáng)度與促凝劑用量無關(guān)，基料濃度（總比重）應(yīng)小于9%。

促凝劑（B）選用NaHCO3。

3.3.3 具體實(shí)施方案：

3.3.3.1 對(duì)工作面上隅角采取預(yù)防性注膠，可在工作面上隅角前頂板向煤體打φ25mm鉆孔，注膠孔排距1.5 米、每排3個(gè)眼，孔深見矸為準(zhǔn)。

3.3.3.2 在工作面進(jìn)回風(fēng)巷里發(fā)現(xiàn)煤體氧化自燃，掛汗，高溫等異常情況時(shí)，布置探火鉆孔，取樣分析化驗(yàn)，如發(fā)現(xiàn)有自燃發(fā)火傾向，必須向巷道頂板煤柱進(jìn)行注膠，做好煤體漏風(fēng)氧化通道的堵漏工作，杜絕煤炭氧化，徹底消除巷道煤柱發(fā)火隱患。

3.3.3.3 開采過程中，認(rèn)真開展防滅火預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)工作，對(duì)綜放工作面進(jìn)、回風(fēng)、綜放工作面上隅角、周邊采區(qū)收作密閉情況進(jìn)行檢查，一旦發(fā)現(xiàn)隱患立即進(jìn)行處理。

3.4 氣體監(jiān)測(cè)

3.4.1 綜放工作面上隅角每10米預(yù)埋束管一趟，每30米甩掉一趟，并保證三趟束管能夠正常交替檢測(cè)氣體，任何一路束管出現(xiàn)堵管、出水等問題不能正常檢測(cè)時(shí)，應(yīng)立即重新布置一趟束管；如圖4所示。

圖4 綜放工作面采空區(qū)束管測(cè)點(diǎn)布置圖

3.4.2 工作面束管監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（GC-4085B）在工作面上隅角與提前預(yù)埋的10米、20米、30米束管連通，每天在地面通過氣體采集泵對(duì)工作面采空區(qū)氣體采集1次。

4 結(jié)論

通過研究特厚煤層松軟頂板綜采工作面自燃煤層在特殊賦存環(huán)境下采空區(qū)頂板冒落特征及自燃“三帶”分布特征，為了實(shí)現(xiàn)工作面火害有效防治，建立了特厚煤層松軟頂板綜采工作面自燃煤層“氮?dú)夥罍缁?灌漿防滅火+凝膠防滅火+氣體監(jiān)測(cè)”的綜合防滅火防治體系。