窄煤柱大采高綜采工作面防滅火技術研究

鄧寧寧

（山西焦煤汾西礦業(yè)正旺煤業(yè)，山西 孝義 032300）

0 引言

窄煤柱掘巷及留巷技術應用推廣，在一定程度提高了煤炭資源采收率以及礦井生產(chǎn)效益[1]。由于窄煤柱服務巷道掘進以及回采整個過程，在掘進以及回采擾動、礦壓顯現(xiàn)等影響下容易出現(xiàn)大變形，導致鄰近采空區(qū)內(nèi)有害氣體通過窄煤柱裂隙進入到回采空間，不僅增加采面有害氣體外溢量而且容易導致采空區(qū)遺煤自燃，增加采面防滅火壓力[2-4]。依據(jù)窄煤柱大采高綜采工作面回采特點以及防滅火需要，針對性制定防滅火技術措施，可為煤炭安全高效回采創(chuàng)造良好條件。

1 工程概況

山西某31303 綜采工作面是3 盤區(qū)第二個采面，采面設計推進長度達到2 890 m、斜長為290 m，回采的13 煤層賦存穩(wěn)定，厚度5.35m、傾角0～8°，埋深350～420 m，13#煤層瓦斯含量在5.6～7.9 m3/t、煤層自燃發(fā)火傾向性為I 類，煤塵具有爆炸危險性。根據(jù)采面回采巷道掘進揭露以及已有的其他地質(zhì)資料顯示，31303 綜采工作面回采范圍內(nèi)發(fā)育有多個斷層，斷層影響范圍內(nèi)煤巖體破碎，對采面回采帶來一定制約。31303 綜采工作面回風順槽與鄰近的31101 綜采工作面采空區(qū)間留設6 m 保護煤柱，巷道采用恒阻錨索、鋼架棚等方式支護。具體采面位置，如圖1 所示。

圖1 31103 綜采工作面位置示意圖

31303 綜采工作面留設窄煤柱可明顯提高采面煤炭資源采收率，但是窄煤柱在采動擾動下容易出現(xiàn)漏風問題，同時由于采面推進距離遠、面長較長，采空區(qū)面積大，采空區(qū)內(nèi)遺煤容易出現(xiàn)自燃。

2 防滅火技術

2.1 采面正?；夭蓵r防滅火技術

2.1.1 保持推進速度

采面快速推進，可使得采空區(qū)遺煤來不及氧化自燃即進入到窒息帶，因此實現(xiàn)采面快速推進是防滅火工作開展的重要措施之一[5-6]。31303 綜采工作面回采時最小推進速度可按照下述公式（1）確定：

式中：v 為采面推進速度，m/d；K 為安全系數(shù)，取1.6；L自為采空區(qū)氧化帶范圍，取51 m；tmin為遺煤自燃發(fā)火期，取最小值49 d。將上述參數(shù)帶入到公式（1）求得v=1.67 m/d。因此，31303 綜采工作面在現(xiàn)有生產(chǎn)條件下，應確保推進速度在1.67 m/d 以上，避免采空區(qū)遺煤自燃。

2.1.2 注氮

利用井下已有的DM-1200 型膜分離移動式制氮機向采面采空區(qū)注氮，采用的移動制氮機功率為370 kW、產(chǎn)氮量為1 200 m3/h、氮氣純度≥97%、輸?shù)獕毫?.6 MPa 以上。在31303 綜采工作面采空區(qū)注氮是采用的注氮管為Φ108PE 管，注氮后氮氣有效擴展半徑為15～20 m。

2.1.3 采空區(qū)注漿

通過2 套型號MDZ-60 灌漿系統(tǒng)向采面采空區(qū)持續(xù)灌漿，灌漿水灰質(zhì)量比在1∶1.5～1∶3，灌漿系統(tǒng)漿液制備能力為120 m3/h，灌漿漿液通過井下已鋪設的D159×14 鋼管灌注。采面經(jīng)過運輸順槽鋪設的管路向采空區(qū)灌漿，采面超過注漿口30～40 m 時開始灌注，確保萬噸原煤注漿量在100 m3以上。

2.2 采面回采過斷層期間防滅火技術

31303 綜采工作面內(nèi)發(fā)育有斷層，其中DF12 斷層對采面回采影響較為明顯，斷層影響范圍內(nèi)煤巖體破碎，采面推進速度緩慢且采空區(qū)內(nèi)遺煤量較多。根據(jù)地質(zhì)資料顯示，31303 綜采工作面在過DF12 斷層時處于俯采狀態(tài)，采用灌漿方式防滅火效果不佳，為此在過斷層期間采用以注氮、噴灑阻化劑以及構建臨時擋風墻方式進行防滅火。采用的注氮措施與采面正?；夭蓵r一直，此處不再贅述。在31303 綜采工作面過DF12 斷層時，通過采面運輸順槽內(nèi)的汽霧阻化泵向采面內(nèi)噴灑阻化劑（MgCl2），阻化劑噴灑量應超過100 kg/d。

為確保過斷層期間采面漏風量，在進入斷層影響區(qū)后，在31303 綜采工作面進回風巷與采空區(qū)相通位置按照30～40 m 間隔搭設臨時隔離墻，并在隔離墻四周噴涂防火密閉材料。采面進風巷構建的臨時隔離墻應接頂，實現(xiàn)全密閉；回風側(cè)構建的臨時隔離墻與頂板留600 mm 間隔，并安裝CO、CH4傳感器，實現(xiàn)外溢有害氣體成分實時檢測。具體臨時隔離墻布置情況，如圖2 所示。

圖2 回采巷道臨時隔離墻布置圖

2.3 鄰近采空區(qū)防滅火

由于31303 綜采工作面回風順槽與31101 綜采工作面間僅留設6 m 窄煤柱，煤柱在采動影響下裂隙發(fā)育且存在有漏風裂隙，容易引起鄰近的31101 綜采工作面采空區(qū)內(nèi)遺煤自燃。為此，通過布置鉆孔構建束管監(jiān)測系統(tǒng)對31101 采空區(qū)內(nèi)其他成分實時監(jiān)測；并通過向鄰近采空區(qū)注氮、鄰近采空區(qū)灌漿、煤柱表面噴灑密閉材料以及煤柱內(nèi)注漿等方式實現(xiàn)防滅火[7-8]。

打入式開口鋼管樁因其抗彎能力高、貫入穿透性強等優(yōu)勢，在水平力較大、持力層埋深較深、沉樁貫入難度較大、自由端較長時廣泛采用。因土塞效應尚未建立完善的理論計算，開口鋼管樁承載力量化分析更為復雜和困難。基于既有理論研究分析，推演提出針對以密實砂層為持力層的開口鋼管樁土塞效應的理論分析計算，并通過規(guī)范推演計算、高應變動力檢測結果對比分析，對于以密實砂層為持力層的開口鋼管樁豎向極限承載力計算具有一定的參考意義。

2.3.1 束管監(jiān)測

在31303 回風順槽內(nèi)距巷道頂板1 000 mm 位置施工鉆孔，鉆孔貫通整個煤柱，鉆孔兩端分別用快凝水泥封堵。通過鉆孔向鄰近采空區(qū)內(nèi)放置取氣束管、穩(wěn)定傳感器，對鄰近采空區(qū)內(nèi)氣體成分以及溫度實時監(jiān)測。具體布置，如圖3 所示。

圖3 監(jiān)測鉆孔結構圖

2.3.2 窄煤柱封堵

2.3.2.1 窄煤柱表面噴涂密閉材料

窄煤柱存在漏風裂隙是導致鄰近采空區(qū)遺煤自燃的主要原因，因此在31303 綜采工作面回采時應注重煤柱漏風裂隙封堵工作。超前采面前方50 m 范圍內(nèi)的煤柱在采動壓力影響下變形較為明顯，漏風較為嚴重，因此此范圍應重點噴。同時窄煤柱上有明顯裂隙或者明顯變形位置也應噴涂，以便切斷采空區(qū)漏風通道。窄煤柱表面噴涂選用的密閉材料型號為SPA-3快速密閉材料。

2.3.2.2 窄煤柱注漿加固

在超前31303 綜采工作面前方50 m 范圍內(nèi)，按照5 m 間隔向煤柱內(nèi)施工注漿鉆孔，鉆孔孔深3 m，對煤柱進行注漿加固。注漿選用可注性強、注漿效果好的化學漿液，具體鉆孔注漿量可根據(jù)現(xiàn)場情況調(diào)節(jié)。

當31301 采空區(qū)內(nèi)遺煤有自燃發(fā)火風險時，通過31303 回風巷向窄煤柱內(nèi)施工鉆孔，通過鉆孔向鄰近采空區(qū)內(nèi)進行注氮、灌漿。注漿管路為31303 回風巷內(nèi)鋪設的108PE 管，注氮鉆孔按照20～30 m 間隔，特殊情況下可將鉆孔間隔縮短至10 m；通過鉆孔向鄰近采空區(qū)內(nèi)插入注氮管，注氮管深度到采空區(qū)內(nèi)（與窄煤柱間距）在3～5 m。在注氮期間應通過布置的束管持續(xù)對鄰近采空區(qū)內(nèi)氣體成分、溫度等監(jiān)測。

若發(fā)現(xiàn)31301 采空區(qū)內(nèi)有高溫區(qū)時，可施工灌漿鉆孔向采空區(qū)內(nèi)此時灌漿，鉆孔間隔在20～30 m，特殊情況下可將鉆孔間距縮至10 m。

3 防滅火技術效果分析

31303 綜采工作面在正常條件下保持6 m/d 推進速度，由于推進速度較快，采空區(qū)內(nèi)遺煤可及時進入到窒息帶，因此在31303 回風巷內(nèi)、回風隅角等位置均未監(jiān)測到CO 涌出。

在31303 綜采工作面過斷層時，由于采面推進速度平均為1 m/d，采面推進速度緩慢加之煤柱裂隙漏風、采空區(qū)漏風等，導致31301 采空區(qū)以及31303 采空區(qū)均有CO 涌出，31301 采空區(qū)監(jiān)測到CO 濃度最高為33×10-6、31303 采空區(qū)最高體積分數(shù)為47×10-6，待及時采取防滅火技術措施后，采空區(qū)內(nèi)CO 濃度持續(xù)降低。具體過斷層期間防滅火措施實時后，31301采空區(qū)內(nèi)CO、氧氣濃度變監(jiān)測曲線，如圖4 所示。

圖4 回采期間相鄰采空區(qū)CO 及氧氣濃度變化曲線

4 結論

1）31303 綜采工作面回風巷與鄰近的31301 采空區(qū)間留設有6 m 窄煤柱，回采的3#煤層具有自燃發(fā)火傾向性，同時采面開采范圍內(nèi)發(fā)育有斷層等地質(zhì)構造。受采面漏風影響，采面正常推進以及過斷層構造期間面臨本采面及鄰近采面采空區(qū)以內(nèi)自燃問題。為此，文中31303 綜采工作面現(xiàn)場情況，從正常回采以及過斷層構造兩個方面出發(fā)，針對性提出防滅火技術措施。

2）在31303 綜采工作面正?；夭蓵r，通過適當增加采面推進速度確保采空區(qū)遺煤快速進入到窒息帶；并配合采空區(qū)注氮、灌漿等措施避免遺煤自燃。在過斷層時，由于采面推進速度緩慢、采空區(qū)內(nèi)遺煤量較大，提出在31303 綜采工作面回采巷道與采空區(qū)連接處增設臨時隔離墻減少漏風量，窄煤柱噴灑密封材料、注漿等措施封堵窄煤柱漏風裂隙，噴灑阻化劑機持續(xù)注氮降低遺煤自燃發(fā)火風險；由于留設窄煤柱，導致31301 采空區(qū)漏風嚴重，當采空區(qū)遺煤有自燃發(fā)火問題時則綜合采用注氮、注漿等方式進行防滅火。

2）現(xiàn)場應用后，31303 綜采工作面得以安全高效回采，有效解決了留設窄煤柱面臨的采空區(qū)漏風量大、遺煤自燃發(fā)火防治難度高等問題，實現(xiàn)了采面煤炭高效安全回采。