厚煤層小煤柱工作面開采綜合防滅火技術(shù)研究

徐 龍

(山西焦煤西山煤電礦山救護(hù)大隊(duì),山西 太原 030000)

火災(zāi)是制約煤礦井下安全生產(chǎn)的主要災(zāi)害之一,煤礦井下出現(xiàn)的火災(zāi)事故會嚴(yán)重影響井下作業(yè)人員身體健康并帶來較為顯著的經(jīng)濟(jì)損失[1-2]。厚煤層普遍采用的綜放開采方式備有生產(chǎn)效益好、煤炭產(chǎn)量高等優(yōu)點(diǎn),厚煤層采煤工作面采用小煤柱護(hù)巷時(shí)會明顯減低煤炭資源損失,提高煤炭生產(chǎn)效率[3-5]。采面留設(shè)的小煤柱在采動壓力作用下容易出現(xiàn)裂隙,導(dǎo)致采面漏風(fēng)量增加,加之綜放開采時(shí)采空區(qū)內(nèi)遺煤量較大,因此容易導(dǎo)致鄰近采面采空區(qū)以及本采面采空區(qū)出現(xiàn)遺煤自燃問題,給煤炭安全開采帶來一定影響[6-10]。文中就以山西某礦8204綜放工作面回采為工程背景,針對采面小煤柱留設(shè)面臨的防滅火難題,分別從鄰近采面采空區(qū)及本采面采空區(qū)防滅火面兩個(gè)方面給出防滅火技術(shù)方案,現(xiàn)場應(yīng)用后有效抑制了鄰近采面采空區(qū)及本采面采空區(qū)遺煤自燃,為采面煤炭回采創(chuàng)造良好條件。

1 工程概況

8204綜放工作面設(shè)計(jì)回采8號煤層,煤厚在7.95～23.6 m,平均厚度12.6 m,煤層傾角3～5°,賦存較為穩(wěn)定,全區(qū)可采。8號煤層頂?shù)装鍘r性以炭質(zhì)泥巖、砂質(zhì)泥巖、石灰?guī)r以及粉砂巖等為主,頂板較為穩(wěn)定。8號煤層為自燃煤層,自然發(fā)火周期在68～95 d.

以往8號煤層回采時(shí)均通過留設(shè)30 m煤柱方式護(hù)巷,雖然可確保巷道圍巖穩(wěn)定,但是也面臨留設(shè)煤柱資源損失量大、下部煤層回采過煤柱時(shí)應(yīng)力集中等問題。為此,提出采用小煤柱+切頂卸壓方式護(hù)巷,8204綜放工作面為8號煤層第一個(gè)留小煤柱護(hù)巷工作面,采面設(shè)計(jì)推進(jìn)1 820 m、傾向332 m.8204綜放工作面北側(cè)為已回采完畢的8202采空區(qū)、南側(cè)為圈定的8206采面,東側(cè)為采區(qū)集中巷道、西側(cè)為采區(qū)邊界保護(hù)煤柱,采面2204回風(fēng)巷與采空區(qū)間留設(shè)有6 m保護(hù)煤柱,具體位置關(guān)系如圖1所示。8202采空區(qū)已封閉超過1.5 a,由于2204回風(fēng)巷與8202采空區(qū)間留設(shè)的保護(hù)煤柱寬度較小,煤柱內(nèi)部發(fā)育有漏風(fēng)裂隙,導(dǎo)致8202采空區(qū)遺煤存在自燃風(fēng)險(xiǎn)。

圖1 8204綜放工作面位置示意

8204綜放工作面回采期間面臨的本采面采空區(qū)遺煤自燃以及鄰近采空區(qū)內(nèi)遺煤自燃問題,依據(jù)現(xiàn)場情況提出強(qiáng)化監(jiān)測監(jiān)控、注氮、注三相泡沫方式防滅火;針對鄰近采空區(qū)內(nèi)遺煤自燃問題,采用注氮、注漿封堵等方式進(jìn)行防滅火,確保了8204綜放工作面安全回采。

2 綜放防滅火技術(shù)應(yīng)用

2.1 8204綜放工作面防滅火技術(shù)

2.1.1 束管及人工監(jiān)測

在8204綜放工作面正?；夭善陂g,定時(shí)對2204回風(fēng)巷內(nèi)CO含量進(jìn)行測定,在回風(fēng)隅角側(cè)深入到采空區(qū)2～5 m范圍布置CO探頭實(shí)現(xiàn)CO體積分?jǐn)?shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測,探頭隨采面推進(jìn)而移動。在2204回風(fēng)巷及5204進(jìn)風(fēng)巷深入到采空區(qū)30～90 m范圍內(nèi)布置不是束管,實(shí)現(xiàn)采空區(qū)內(nèi)氣體成分實(shí)時(shí)監(jiān)測。

在采面正?；夭善陂g,每天對采面回風(fēng)流、回風(fēng)隅角位置CH4、O2及CO等體積分?jǐn)?shù)、測點(diǎn)溫度等進(jìn)行檢測;在采面中上部間隔10個(gè)液壓支架布置1個(gè)檢測點(diǎn),即在100號、110號…190號支架位置分別布置檢測點(diǎn),對檢測點(diǎn)位置CH4、O2及CO等體積分?jǐn)?shù)及溫度進(jìn)行檢測。具體束管及人工檢測點(diǎn)布置如圖2所示。

圖2 束管及人工檢測點(diǎn)布置示意(單位:m)

2.1.2 采面端頭封堵及注氮

8204綜放工作面每推進(jìn)30 m,用抗靜電編織袋內(nèi)裝煤對上、下端頭封堵,通過構(gòu)筑擋風(fēng)墻減少采空區(qū)漏風(fēng)量。在進(jìn)風(fēng)巷及回風(fēng)巷擋風(fēng)墻頂部均預(yù)留有防滅火管路。在進(jìn)風(fēng)巷及回風(fēng)巷內(nèi)均布置注氮管路,注氮管路出口進(jìn)入到采空區(qū)30～120 m時(shí)開始持續(xù)注氮,采空區(qū)內(nèi)間隔30 m布置3個(gè)出氮口;在回風(fēng)巷布置一趟灌漿管路,采空區(qū)內(nèi)布置3個(gè)灌漿管路,出口間距均為30 m,當(dāng)灌漿口埋入到采空區(qū)內(nèi)10 m后即開始注漿,埋入到采空區(qū)100 m后即停止注漿。

灌漿漿液水土比控制在(4∶1)～(6∶1),三相泡沫添加量為黃土用量的0.2%～0.5%.每班灌注3 h,確保每天黃泥漿灌注量在180 m3以上。

2.1.3 回風(fēng)巷高位灌漿孔

在回風(fēng)巷超前采面70 m開始通過高位鉆孔,通過高位鉆孔分別向采面130號、150號及170號支架上覆進(jìn)行超前灌漿,布置方案如圖3所示,具體鉆孔布置參數(shù)如表1所示。灌漿鉆孔終孔布置在煤層頂板5 m以上位置。當(dāng)鉆孔終孔進(jìn)入到采空區(qū)10 m后開始灌注三相泡沫進(jìn)行防滅火,以便消除采面中上部遺煤自燃風(fēng)險(xiǎn),并控制上隅角位置CO氣體。

圖3 注氮及灌漿系統(tǒng)布置示意

表1 高位灌漿鉆孔布置參數(shù)

高位灌漿孔施工采用“鉆套一體化”工藝,鉆進(jìn)時(shí)采用內(nèi)徑、外徑分別為50 mm、75 mm的鉆桿配93 mm金剛石鉆頭鉆進(jìn),鉆孔鉆進(jìn)到位后對孔口段8 m范圍進(jìn)行封孔。

高位灌漿孔每天注漿量Q可通過公式(1)計(jì)算:

Q=ηKmLH

(1)

式中:η為灌注三相泡沫時(shí)漿液需求量,取0.33;K為孔隙率系數(shù),無量綱,取0.1;m為鉆孔終孔覆蓋采空區(qū)內(nèi)浮煤厚度,取4.16 m;L為鉆孔覆蓋采空區(qū)內(nèi)走向?qū)挾?3.5 m;H為鉆孔覆蓋采空區(qū)傾向?qū)挾?145 m.

依據(jù)8204綜放工作面高位灌漿鉆孔布置參數(shù),將上述參數(shù)帶入到公式(1)即可求得Q=70.4 m3.經(jīng)上述計(jì)算得到高位鉆孔每天注漿量應(yīng)在70.4 m3以上,高位灌漿孔布置示意如圖4所示。

圖4 高位灌漿孔布置示意

2.2 8202采空區(qū)遺煤防滅火技術(shù)

2.2.1 8202采空區(qū)注氮

通過向8202采空區(qū)持續(xù)注氮,不僅可起到降低采空區(qū)內(nèi)氧氣體積分?jǐn)?shù)、惰化采空區(qū)目的,而且可通過注氮平衡2204回風(fēng)巷與8202采空區(qū)間壓力差,減少8202采空區(qū)向2204回風(fēng)巷漏風(fēng)量。綜合考慮8202采空區(qū)與2204回風(fēng)巷壓差變化情況、8202采空區(qū)原有注氮系統(tǒng),設(shè)計(jì)使用2204回風(fēng)巷、5202進(jìn)風(fēng)巷內(nèi)2套注氮系統(tǒng)相結(jié)合方法進(jìn)行注氮。

通過5202進(jìn)風(fēng)巷內(nèi)注氮系統(tǒng)調(diào)節(jié)8202采空區(qū)與2204回風(fēng)巷壓差,避免壓差波動范圍過大。當(dāng)8202采空區(qū)氣體成分出現(xiàn)異常時(shí),利用2204回風(fēng)巷原有注氮管路、小煤柱上注氮鉆孔向8202采空區(qū)持續(xù)進(jìn)行注氮。

2.2.2 8202采空區(qū)注入黃泥固結(jié)劑

黃泥固結(jié)劑是一種強(qiáng)度高、固結(jié)范圍廣以及收縮性小的高分子材料,使用黃泥固結(jié)劑固結(jié)8202采空區(qū)靠近小煤柱冒落巖體并封堵小煤柱靠近采空區(qū)側(cè)漏風(fēng)裂隙。在2204回風(fēng)巷內(nèi)按10 m間隔布置1組注漿鉆孔,每組注漿鉆孔布置1個(gè)高位鉆孔、1個(gè)低位鉆孔,具體鉆孔布置如圖5所示。高位鉆孔開孔距巷道底板2 m、仰角30°、深入到8202采空區(qū)5 m以上,主要起到固結(jié)采空區(qū)冒落矸石目的、封堵冒落矸石內(nèi)漏風(fēng)裂隙;低位鉆孔開孔距巷道底板1.5 m、仰角10°、深度到8202采空區(qū)0.5 m,主要起到封堵小煤柱與8202采空區(qū)未被矸石充填空間并對小煤柱表面的漏風(fēng)裂隙進(jìn)行封堵。

圖5 注入黃泥固結(jié)劑鉆孔布置示意

黃泥固結(jié)劑灌注采用2ZBQ150/3注漿泵,并配套有QB500型攪拌機(jī),注漿壓力控制在1～3 MPa.注漿使用的材料包括有黃土、水、固結(jié)劑、激發(fā)劑等,其中黃土、固結(jié)劑設(shè)計(jì)配比為4∶1,黃土、固結(jié)劑充分混合后形成混料;混料與水按照1∶0.6～0.8配比形成液態(tài)混料;液態(tài)混料中按照2%質(zhì)量比添加激發(fā)劑。

3 綜合防滅火應(yīng)用效果分析

通過采區(qū)綜合防滅火技術(shù)措施后,有效減少了8202采空區(qū)、8204采空區(qū)內(nèi)遺煤自燃對8204采面回采影響。8204綜放工作面在回采期間通過人工檢測、束管監(jiān)測等對采空區(qū)遺煤自然發(fā)火情況進(jìn)行監(jiān)測,并通過采空區(qū)注氮、灌漿、上下端頭封堵以及高位灌漿等措施,實(shí)現(xiàn)采空區(qū)及時(shí)惰化、減少采空區(qū)漏風(fēng);8202采空區(qū)采用的注氮、灌注黃泥固結(jié)劑等措施實(shí)現(xiàn)了采空區(qū)與2204回風(fēng)巷間壓差平衡并實(shí)現(xiàn)采空區(qū)、小煤柱漏風(fēng)裂隙封堵,有效抑制8202采空區(qū)遺煤自燃。具體2204回風(fēng)巷回風(fēng)隅角CO體積分?jǐn)?shù)監(jiān)測結(jié)果如圖6所示。

圖6 2204回風(fēng)巷回風(fēng)隅角CO體積分?jǐn)?shù)監(jiān)測結(jié)果

現(xiàn)場應(yīng)用后,8204綜放工作面在后續(xù)回采期間回風(fēng)隅角位置CO體積分?jǐn)?shù)始終保持在24×10-6以內(nèi),8204采空區(qū)及鄰近的8202采空區(qū)內(nèi)遺煤未見有自然發(fā)火問題,表明采取的綜合防滅火技術(shù)取得較好效果,可為8204綜放工作面安全回采創(chuàng)造良好條件。

4 結(jié) 語

1) 8204綜放工作面采用6 m小煤柱護(hù)巷,受煤柱內(nèi)部裂隙發(fā)育、采空區(qū)內(nèi)遺煤量大等影響,采面回采受本采面采空區(qū)以及鄰近采面(8202采空區(qū))遺煤自燃影響。為實(shí)現(xiàn)煤炭安全回采,依據(jù)8204綜放工作面地質(zhì)條件以及開采現(xiàn)狀綜合注氮、灌漿等技術(shù)手段治理8202采空區(qū)、8204采空區(qū)遺煤自燃問題。

2) 在8204綜采工作面應(yīng)用監(jiān)測+注氮+灌漿+上、下端頭封堵+回風(fēng)巷高位鉆孔灌漿等方法防滅火,通過惰化、改變遺煤自燃條件以及減少漏風(fēng)等防治遺煤自燃。在8202采空區(qū)采用注氮+注入黃泥固結(jié)劑方式防滅火,通過注氮實(shí)現(xiàn)采空區(qū)惰化并減少8202采空區(qū)與2204回風(fēng)巷間氣壓差;通過注入黃泥固結(jié)劑充填采空區(qū)靠近小煤柱冒落巖體并封堵小煤柱表面漏風(fēng)通道,減少8202采空區(qū)漏風(fēng)。

3) 綜合防滅火技術(shù)措施后,8204綜放工作面推進(jìn)期間回風(fēng)隅角位置CO體積分?jǐn)?shù)始終保持在24×10-6以內(nèi),8204采空區(qū)及鄰近的8202采空區(qū)遺煤均未有自然發(fā)火征兆,表明現(xiàn)場采取的防滅火措施取得較好效果,可為8204綜放工作面回采創(chuàng)造良好條件。