近距離煤層開(kāi)采瓦斯與內(nèi)因火災(zāi)隱患兼治技術(shù)研究與應(yīng)用

吳殿文

(晉能控股集團(tuán)白洞礦業(yè)公司,晉城 山西 030024)

瓦斯和火災(zāi)是困擾當(dāng)前煤礦安全生產(chǎn)的主要安全隱患,其最直接地關(guān)系到煤礦工人的生命安全。近年來(lái),由于很多高瓦斯、有自燃傾向的礦井投入生產(chǎn),導(dǎo)致產(chǎn)生了很多瓦斯超限以及井下內(nèi)因火災(zāi)現(xiàn)象,造成了很多安全生產(chǎn)事故。不僅造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失,也嚴(yán)重威脅到了煤礦工人的生命安全[2]。因此,必須對(duì)高瓦斯礦井煤層瓦斯賦存狀況進(jìn)行精確的分析并提出合理的治理方案。對(duì)于高瓦斯采掘工作面進(jìn)行瓦斯的提前抽放以及合理的注氮工作,以保障煤礦井下生產(chǎn)有序進(jìn)行,在提高煤礦生產(chǎn)效率和經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)，有效保障煤礦井下員工的生命安全。

本文的主要研究對(duì)象是山西大同某煤礦高瓦斯礦井,且煤層均具有自燃傾向性,為容易自燃煤層,自燃等級(jí)為Ⅰ類,自然發(fā)火期為1～6個(gè)月。其中410盤(pán)區(qū)為近距離煤層開(kāi)采,兩層層間距為1.5 m～14.8 m。上層11#、12#合并層410盤(pán)區(qū)為厚煤層開(kāi)采,現(xiàn)全部開(kāi)采結(jié)束已封閉;下層14#層盤(pán)區(qū)為中厚煤層開(kāi)采,現(xiàn)正在回采。在巷道布置方面,下層工作面巷道內(nèi)錯(cuò)于上層工作面巷道。在開(kāi)采期間同時(shí)受到瓦斯和內(nèi)因火災(zāi)雙重影響,因此對(duì)瓦斯與火災(zāi)進(jìn)行兼治是非常必要的。

1 隱患分析及治理方案

1.1 安全隱患分析

1.1.1瓦斯隱患

由于該礦均為近距離煤層開(kāi)采,開(kāi)采過(guò)程中的瓦斯主要來(lái)源于上覆采空區(qū)。通過(guò)層間鉆孔對(duì)14#層410盤(pán)區(qū)上覆的11#—12#合并層采空區(qū)氣體進(jìn)行取樣化驗(yàn)分析,瓦斯體積分?jǐn)?shù)達(dá)5.64%～49.58%。14#層盤(pán)區(qū)81002首采工作面回采期間,頂板初次來(lái)壓與上覆采空區(qū)垮落后,上隅角瓦斯體積分?jǐn)?shù)最高達(dá)3.88%,瞬間最大瓦斯絕對(duì)涌出量高達(dá)3.11 m3/min;14#層410盤(pán)區(qū)51004巷掘進(jìn)期間,瓦斯絕對(duì)涌出量為0.39 m3/min,由于層間距較薄,巷道掘進(jìn)期間發(fā)生上覆采空區(qū)垮落,高濃度瓦斯從上覆采空區(qū)下泄,工作面瓦斯體積分?jǐn)?shù)最高達(dá)1.56%,瓦斯絕對(duì)涌出量達(dá)到2.6 m3/min。因此,必須通過(guò)瓦斯抽放這一治理瓦斯最根本的措施進(jìn)行治理。

1.1.2內(nèi)因火災(zāi)隱患

該煤礦是內(nèi)因火災(zāi)隱患極為嚴(yán)重的礦井。該礦11#、12#合并層307盤(pán)區(qū)曾因內(nèi)因火災(zāi)事故將盤(pán)區(qū)整體封閉;11#、12#合并層410、408盤(pán)區(qū)也曾發(fā)生多次內(nèi)因火災(zāi)事故;14#層410盤(pán)區(qū)81002首采工作面回采期間,采空區(qū)CO體積分?jǐn)?shù)一度高達(dá)0.1%。

14#層410盤(pán)區(qū)開(kāi)采過(guò)程中治理瓦斯隱患時(shí),瓦斯抽放工作會(huì)導(dǎo)致采空區(qū)漏風(fēng),容易引起煤層自燃,煤自燃后可能造成瓦斯爆炸事故;反之,在治理內(nèi)因火災(zāi)隱患的同時(shí),又會(huì)影響瓦斯抽放效果。因此,必須協(xié)調(diào)好二者之間的關(guān)系,解決兩種措施所產(chǎn)生的矛盾,最終保證瓦斯與火災(zāi)隱患得到兼治。

c.I saw their arrival at the summit on the fifth day.

1.2 治理方案

1.2.1鄰近層采空區(qū)瓦斯抽放配合“疊加”采空區(qū)注氮

由于11#、12#合并層采空區(qū)早已封閉,無(wú)法在11#、12#合并層采空區(qū)開(kāi)展瓦斯抽放,因此通過(guò)在14#層巷道向?qū)?yīng)的上覆11#、12#合并層采空區(qū)布置層間孔進(jìn)行瓦斯抽放。

依據(jù)采動(dòng)裂隙“O”型圈理論:采空區(qū)中部的采動(dòng)裂隙趨于壓實(shí),在上覆老空區(qū)四周存在一個(gè)互相連通的采動(dòng)裂隙發(fā)育區(qū),即采動(dòng)裂隙“O”型圈,它相當(dāng)于形成了一個(gè)“瓦斯庫(kù)”,周?chē)簬r體中的瓦斯解析后通過(guò)滲流不斷匯集到這個(gè)“瓦斯庫(kù)”中[3]。通過(guò)本煤層頂板向上覆采空區(qū)施工鉆孔,打到采場(chǎng)的采動(dòng)裂隙“O”型圈內(nèi),就可以保證較高的瓦斯抽放率,達(dá)到治理工作面瓦斯的目的。

在瓦斯抽放過(guò)程中,采空區(qū)內(nèi)的瓦斯氣體被抽出后,導(dǎo)致采空區(qū)內(nèi)形成“負(fù)壓區(qū)”,而采空區(qū)由于礦山壓力的作用,必然會(huì)造成大量的漏風(fēng)通道,采動(dòng)裂隙“O”型圈進(jìn)入大量的空氣。采空區(qū)上、下層連通后形成的疊加采空區(qū)內(nèi),一是上覆采空區(qū)遺煤發(fā)生二次氧化,二是本層采空區(qū)初次氧化,造成內(nèi)因火災(zāi)的隱患更加嚴(yán)重。因此,必須配合注氮措施。

由于瓦斯抽放與工作面通風(fēng)所帶來(lái)的采空區(qū)漏風(fēng)現(xiàn)象,造成疊加采空區(qū)內(nèi)因火災(zāi)隱患。通過(guò)采取本層以及上覆層的注氮,有效解決了內(nèi)因火災(zāi)隱患。利用注氮方法解決上覆采空區(qū)采動(dòng)裂隙“O”型圈內(nèi)因火災(zāi)隱患后,在采動(dòng)裂隙“O”型圈內(nèi)布置抽放孔,提高了瓦斯抽放率,有效治理了上覆層瓦斯隱患。

1.2.2巷道超前預(yù)抽法配合采空區(qū)“旁路式”注氮

在14#層410盤(pán)區(qū)51004巷掘進(jìn)期間,由于層間距近,巷道掘進(jìn)過(guò)程中與上覆層形成大量裂隙,在礦井負(fù)壓作用下,裂隙內(nèi)涌出一定量的瓦斯。采用羅克休對(duì)裂縫進(jìn)行封堵,羅克休具有反應(yīng)迅速、高膨脹率、抗壓能力強(qiáng)、可直接滅火等優(yōu)勢(shì)；但是由于工作面內(nèi)依然存在很多未知的裂隙,所以依然存在瓦斯下泄的風(fēng)險(xiǎn)[4]。通過(guò)技術(shù)人員分析,由于泄壓后的煤層具有很強(qiáng)的透氣性,上覆采空區(qū)由于頂板垮落,沒(méi)有壓實(shí),留有大量的空隙,游離的瓦斯在裂隙間下泄[5-6]。利用這一條件開(kāi)發(fā)出了“巷道預(yù)抽法”，即在14#層巷道掘進(jìn)到位后將其封閉,在密閉內(nèi)鋪設(shè)Φ315 mm抽放管路共200 m,通過(guò)回風(fēng)系統(tǒng)巷與14#層410盤(pán)區(qū)回風(fēng)巷的抽放主管相連,利用14#層410盤(pán)區(qū)瓦斯抽放泵站對(duì)上覆層瓦斯抽放,有效地解決了相鄰巷道掘進(jìn)期間的瓦斯隱患。同時(shí)在相鄰巷道布置注氮管路,用來(lái)置換被抽出的瓦斯氣體,降低采空區(qū)氧氣濃度,防治上覆采空區(qū)內(nèi)因火災(zāi)事故。

將巷道掘進(jìn)期間頂板裂隙這一有害因素變成煤層泄壓后具有很強(qiáng)透氣性的良好抽放條件,有效地解決了上覆層的瓦斯隱患。巷道預(yù)抽法配合采空區(qū)“旁路式”注氮法,在抽放本煤層的瓦斯氣體的同時(shí),有效地將上覆采空區(qū)的高濃度瓦斯抽出,更好地解決了相鄰巷道掘進(jìn)期間的瓦斯隱患。

2 應(yīng)用情況

2.1 鄰近層采空區(qū)抽放法配合“疊加”采空區(qū)注氮

該方法在14#層410盤(pán)區(qū)回采工作面(81004、81006、81008工作面)應(yīng)用。

2.1.1鄰近層采空區(qū)抽放法

根據(jù)《81008工作面作業(yè)規(guī)程》可知,81008工作面距斜巷口的距離為930 m,結(jié)合81008工作面的回采進(jìn)度,在14#層51008巷布置兩組鉆場(chǎng):

第一組:距81008切割巷550 m;

第二組:距81008切割巷850 m。

由14#層51008巷打兩組仰角鉆孔,終孔點(diǎn)位位于11#、12#合并層81008工作面冒落帶上部、裂隙帶下部的瓦斯富集區(qū)內(nèi),并留設(shè)Φ108 mm套管,套管內(nèi)插入瓦斯抽放管,瓦斯抽放管距11#、12#合并層采空區(qū)頂板0.5 m。每組鉆場(chǎng)施工15個(gè)鉆孔,孔間距為1 m,孔徑75 mm。同時(shí)配合埋管式注氮,如圖1所示。

圖1 鄰近層采空區(qū)瓦斯抽放配合“埋管式”注氮法示意圖Fig.1 Gas drainage of adjacent layers with "buried pipe" nitrogen injection in goaf

2.1.2“疊加”采空區(qū)“旁路式”注氮

在81006工作面相鄰的51008巷布置兩趟Φ108 mm注氮管路,一趟注氮管路為11#、12#合并層410盤(pán)區(qū)81006采空區(qū)注氮,布置位置距離運(yùn)行抽放鉆場(chǎng)550 m;另一趟注氮管路為14#層410盤(pán)區(qū)81006工作面“疊加”采空區(qū)進(jìn)行注氮,第1個(gè)鉆孔距離切巷550 m,以后每隔100 m設(shè)置1個(gè),隨著工作面的推進(jìn)進(jìn)行倒換,保證該鉆孔距離工作面不超過(guò)150 m，如圖2所示。

圖2 鄰近層采空區(qū)瓦斯抽放配合“旁路式”注氮法示意圖Fig.2 Gas drainage of adjacent layers combined mining with “bypass” nitrogen injection in goaf

2.2 巷道超前預(yù)抽法配合采空區(qū)“旁路式”注氮

該方法在14#層410盤(pán)區(qū)掘進(jìn)工作面(21004巷、21006巷、21008巷)應(yīng)用,以21006巷為例。

在14#層410盤(pán)區(qū)21006巷掘進(jìn)到位后將其封閉,在密閉內(nèi)鋪設(shè)200 m的Φ315 mm瓦斯抽放管路,延21006巷回風(fēng)系統(tǒng)巷與14#層410盤(pán)區(qū)回風(fēng)巷的抽放主管相連；同時(shí)在51008巷距離21006巷瓦斯抽放管路末端200 m向11#、12#合并層81006工作面布置一個(gè)注氮孔,通過(guò)51008巷注氮管路對(duì)上覆采空區(qū)進(jìn)行注氮,如圖3所示。

圖3 巷道預(yù)抽法配合采空區(qū)“旁路式”注氮法示意圖Fig.3 Pre-drainage combined mining with “bypass” nitrogen injection in goaf

近距離煤層開(kāi)采瓦斯與內(nèi)因火災(zāi)隱患兼治技術(shù)14#層410盤(pán)區(qū)應(yīng)用后,14#層410盤(pán)區(qū)累計(jì)抽放瓦斯量為740 190 m3,采煤量為382 856 t,注氮量7 855 050 m3,從根源上解決了410盤(pán)區(qū)近距離開(kāi)采期間的瓦斯及內(nèi)因火災(zāi)隱患。該盤(pán)區(qū)未進(jìn)行綜合治理的回采工作面上隅角瓦斯體積分?jǐn)?shù)最大為3.88%,掘進(jìn)工作面瓦斯體積分?jǐn)?shù)最大為1.56%,通過(guò)瓦斯及內(nèi)因火災(zāi)隱患兼治技術(shù)的應(yīng)用,回采工作面上隅角的瓦斯體積分?jǐn)?shù)最大為0.42%、回風(fēng)流中瓦斯體積分?jǐn)?shù)最大為0.13%,掘進(jìn)工作面瓦斯體積分?jǐn)?shù)最大0.06%;且410采空區(qū)內(nèi)均無(wú)CO。由結(jié)果對(duì)比分析,經(jīng)過(guò)綜合治理后,回采工作面和掘進(jìn)工作面的瓦斯得到了有效控制,杜絕了瓦斯及內(nèi)因火災(zāi)事故。文中所提出的鄰近層采空區(qū)抽放法配合“疊加”采空區(qū)注氮以及巷道超前預(yù)抽法配合采空區(qū)“旁路式”注氮兩種瓦斯和火災(zāi)治理方法在高瓦斯煤礦的生產(chǎn)中能夠起到良好的治理效果,能夠滿足煤礦生產(chǎn)的治理需求。

3 結(jié)論

本文以山西大同某高瓦斯煤礦為研究對(duì)象,針對(duì)該煤礦高瓦斯且具有自燃傾向性的問(wèn)題展開(kāi)了研究。通過(guò)對(duì)近距離煤層開(kāi)采瓦斯與內(nèi)因火災(zāi)隱患兼治技術(shù)的研究與應(yīng)用,即鄰近層采空區(qū)瓦斯抽放法配合“疊加”采空區(qū)注氮、巷道超前預(yù)抽法配合采空區(qū)“旁路式”注氮,有效地杜絕了瓦斯及內(nèi)因火災(zāi)事故,保障了井下工作人員的安全,保護(hù)了工作面的設(shè)備,為礦井安全生產(chǎn)起到了重大作用。近距離煤層開(kāi)采瓦斯與內(nèi)因火災(zāi)隱患兼治技術(shù)在14#層410盤(pán)區(qū)開(kāi)采應(yīng)用后,實(shí)現(xiàn)了抽采達(dá)標(biāo),杜絕了采空區(qū)內(nèi)因火災(zāi)隱患事故,保證14#層410盤(pán)區(qū)安全生產(chǎn)煤量382 856 t,按照噸煤價(jià)格約500元計(jì)算,近距離煤層開(kāi)采瓦斯與火災(zāi)隱患兼治技術(shù)創(chuàng)造的經(jīng)濟(jì)效益為1.914億元。

現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)研究主要集中在瓦斯或內(nèi)因火災(zāi)隱患的單一災(zāi)害方面,兩種災(zāi)害兼治技術(shù)剛剛興起,多種治理措施的有效結(jié)合和治理后的成果與國(guó)內(nèi)外相關(guān)企業(yè)技術(shù)相比較為先進(jìn)。對(duì)于具有相似開(kāi)采條件的礦井,可利用鄰近層采空區(qū)抽放法配合“疊加”采空區(qū)注氮或巷道超前預(yù)抽法配合采空區(qū)注氮,同時(shí)治理近距離煤層開(kāi)采中的瓦斯及內(nèi)因火災(zāi)隱患。本研究具有較強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值和推廣意義。