復(fù)雜地質(zhì)條件下自燃煤層切頂留巷防滅火技術(shù)研究

李國軍

（中煤新集能源股份有限公司新集一礦，安徽 淮南 232180）

切頂開采全稱工作面切頂卸壓沿空留巷無煤柱開采技術(shù)，通過在工作面煤層回采前采用爆破技術(shù)，形成完整的采空區(qū)側(cè)定向預(yù)裂頂板，在礦山壓力作用下，頂板沿預(yù)裂切縫自動切落形成巷幫，能將傳統(tǒng)一面雙巷改變成一面單巷的采掘模式。目前，切頂開采技術(shù)憑借自身巷道掘進(jìn)量低和資源回采率高等優(yōu)勢，被廣泛應(yīng)用在國內(nèi)各大礦區(qū)。但從目前其實際應(yīng)用情況來看，切頂開采后采用自動切落形成巷幫的形式漏風(fēng)嚴(yán)重，不利于采空區(qū)防滅火管理，尤其在復(fù)雜地質(zhì)條件下自燃煤層切頂留巷過程中表現(xiàn)的尤為突出。因此，有必要開展復(fù)雜地質(zhì)條件下自燃煤層切頂留巷防滅火技術(shù)[1-6]研究工作。

1 工作面概況

360804 工作面是3608（6）采區(qū)首采工作面，其開采的8 煤層自燃傾向性等級為Ⅱ類，煤層自然發(fā)火期一般3～6 個月，最短自然發(fā)火期為34 d。工作面設(shè)計切眼至設(shè)計停采線范圍，風(fēng)巷可采走向長1 501.8 m，機巷可采走向長1 558.2 m，工作面平均可采走向長1530 m，工作面平均傾斜長180 m，工作面可采面積276 910.1 m2。根據(jù)360804 工作面煤層賦存情況、地質(zhì)條件，并結(jié)合自身開采經(jīng)驗，確定在本工作面軌道順槽外段停采線內(nèi)進(jìn)行切頂卸壓沿空留巷開采。

2 地質(zhì)構(gòu)造

2.1 褶曲

結(jié)合實際揭露地質(zhì)資料，該區(qū)域發(fā)育有平行正斷層F10 的近乎東西延展向斜構(gòu)造，受其影響煤巖層產(chǎn)狀、厚度變化較大。360804 工作面與360802 工作面受向斜構(gòu)造影響，其中360802 工作面受影響較大。360804 工作面實揭地質(zhì)資料分析，3608 采區(qū)8 煤層總體為一向斜構(gòu)造，煤巖層走向70°～95°，傾向340°～0°，傾角3°～26°，平均11°。

2.2 斷層

360804 工作面北部為F10 斷層，360804 工作面里段軌道順槽位于謝橋向斜軸內(nèi)，根據(jù)實際揭露的地質(zhì)資料綜合分析，結(jié)合以往實際經(jīng)驗驗證，該區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造極其發(fā)育。該區(qū)域8 煤斷層主要以北東向斷層為主。工作面北側(cè)區(qū)域受F10 斷層影響，其次生斷層較為發(fā)育，落差相對較大的斷層附近，斷層組合現(xiàn)象較為明顯，斷層落差由南向北逐漸變大。從360804 軌道順槽揭露f241107-28、F418-1、F360804-19、F041、F064 斷層可以看出，該區(qū)域斷層附近煤巖層產(chǎn)狀和厚度變化較大，斷層落差向南逐步減小至尖滅，向北逐步增大至F10 大斷層相接，受F10 斷層影響，斷層延展較長，落差變化快。工作面圍面期間共揭露42 條斷層，影響本工作面回采影響較大的斷層有13 條。

3 工作面切頂開采不同階段防滅火措施

3.1 正常回采期間防滅火措施

3.1.1 回采管理

綜采隊及時調(diào)整回采，控制采空區(qū)丟煤，提高回采率，確保中厚煤層綜采工作面回采率不低于95%，工作面月推進(jìn)度不得少于60 m，有效消除煤層自然發(fā)火隱患（如圖1 所示）。

圖1 工作面束管監(jiān)測系統(tǒng)示意圖

3.1.2 防火監(jiān)測

1）在工作面回風(fēng)順槽距回風(fēng)巷口10～15 m 處設(shè)置安裝1 臺CO 傳感器（報警值≤2.4×10-5）和1 臺溫度傳感器（報警值30 ℃），對回風(fēng)流CO 和溫度實時連續(xù)監(jiān)測。每周測定1 次防火觀測站處風(fēng)流中CO、CO2、CH4等氣體參數(shù)，如發(fā)現(xiàn)異常情況，要查找原因，采取措施處理。

2）利用JSG6N 束管監(jiān)測系統(tǒng)，在360804 軌道順槽將束管埋入工作面回風(fēng)隅角擋墻內(nèi)深度分別約為20～40 m、40～60 m、60～80 m，連續(xù)監(jiān)測采空區(qū)自然發(fā)火情況。

3）留巷段回采期間，利用柔模墻頂部每隔15 m 設(shè)置一個觀測孔，每天對360804 軌道順槽密閉墻、柔模墻觀測孔與360802 外段風(fēng)巷煤柱觀測孔采集氣樣進(jìn)行色譜分析，及時掌握采空區(qū)自然發(fā)火情況。

4）瓦檢員每班3 次對工作面上隅角、最后一臺支架后部、工作面回順出口10～15 m 處的CO、O2、CO2、CH4和T（溫度）進(jìn)行檢查。

3.1.3 漏風(fēng)控制

1）切頂留巷回采期間，每10 m 在上隅角設(shè)置擋墻，實現(xiàn)對采空區(qū)分段封堵，減少采空區(qū)漏風(fēng)。擋墻采用阻燃抗靜電編織袋裝煤（矸）壘設(shè)成墻，墻與頂、底和幫部要封實（如圖2 所示）。

2）根據(jù)工作面瓦斯涌出量大小，合理調(diào)控回風(fēng)隅角和鉆孔抽采負(fù)壓。調(diào)整期間，通風(fēng)區(qū)做好工作面局部地點的瓦斯管理工作，防止瓦斯積聚。

3）柔模要進(jìn)行及時澆注，滯后支架距離不得超過10 m。在柔模澆注前，為防止漏風(fēng)，采用掛風(fēng)筒布的方法進(jìn)行臨時封閉。

4）柔模端部采用月牙型結(jié)構(gòu)，兩柔模間有側(cè)向綁扎條，能夠保證在接茬處形成月牙型包裹，正常情況下滿足采空區(qū)封閉的要求。特殊情況下，采用噴注充填材料進(jìn)行封閉。

3.1.4 防滅火技術(shù)

與切頂留巷前相比，為保證工作面切頂留巷期間防火安全，采取以下措施：

1）以連續(xù)注氮為主，輔以預(yù)防性灌漿、預(yù)防性注液態(tài)CO2的綜合防滅火措施。其中，注氮流量不少于10 m3/min；預(yù)防性灌漿每三天不少于1 次，每次不少于30 m3。

2）在360804 軌道順槽增設(shè)一路注氮管路，根據(jù)柔模墻觀測孔內(nèi)氣體與溫度情況，對360804 采空區(qū)進(jìn)行注氮。

3）在360804 膠帶順槽鋪設(shè)一路注液態(tài)CO2管路，根據(jù)采空區(qū)氣體與溫度情況，對360804 采空區(qū)進(jìn)行注液態(tài)CO2，切頂留巷期間每周灌注一次液態(tài)CO2，每次10 t（如圖3 所示）。

圖3 工作面注液態(tài)CO2 防滅火系統(tǒng)示意圖

3.2 工作面過構(gòu)造期間防火措施

1）工作面過斷層期間，做好工作面采高調(diào)整的技術(shù)指導(dǎo)和遺煤量的預(yù)測預(yù)報工作，生產(chǎn)單位要提高煤炭回采率，嚴(yán)禁留頂煤開采。主要采取措施：① 準(zhǔn)確描述斷層的產(chǎn)狀要素，研究方案，提出可行的措施，在保證安全通過的情況下，最大限度地回收煤炭資源；② 由職能科室負(fù)責(zé)檢查生產(chǎn)單位的浮煤清理情況，浮煤平均厚度均不超過0.03 m，確保工作面回收率達(dá)標(biāo)；③ 嚴(yán)格執(zhí)行回采率獎罰制度，杜絕工作面丟頂、底煤現(xiàn)象。

2）工作面過構(gòu)造期間，抽排綜合隊?wèi)?yīng)加密對工作面回風(fēng)隅角、回風(fēng)流和抽采管內(nèi)自然發(fā)火指標(biāo)普查力度，對出現(xiàn)CO 的地點進(jìn)行取樣分析。

3）工作面過構(gòu)造期間，當(dāng)采空區(qū)出現(xiàn)自然發(fā)火隱患時（2.4×10-5≤CO 濃度＜5×10-5），對架后遺煤地點采取灑漿措施，消除采空區(qū)自然發(fā)火隱患（如圖4 所示）。

圖4 工作面注氮防滅火系統(tǒng)示意圖

3.3 工作面回撤期間防滅火措施

1）停止工作面瓦斯抽采，以減少采空區(qū)漏風(fēng)。停抽期間通風(fēng)區(qū)要安排專人加強現(xiàn)場瓦斯觀測及管理。若現(xiàn)場因瓦斯管理確需打開抽采系統(tǒng)，應(yīng)控制抽采流量≯20 m3/min，同時防火隊要密切關(guān)注抽采管內(nèi)情況，當(dāng)抽采管路內(nèi)CO 氣體濃度達(dá)到2.4×10-5且逐步升高時，應(yīng)控制抽采流量直至停抽，并對采空區(qū)采取灌漿、注氮等有效措施處理，確定CO 降到2.4×10-5以下時方可逐漸恢復(fù)抽采。

2）每天對該工作面所有巷道進(jìn)行不少于1 次的全面普查，對易出現(xiàn)自然發(fā)火隱患的托頂煤段、部分綜采支架架間煤體、架后采空區(qū)等列為防滅火普查的重點，加強檢查。每天對軌道順槽擋墻內(nèi)、柔模墻觀測孔、采空區(qū)束管及360802 外段風(fēng)巷小煤柱觀測孔內(nèi)氣體情況進(jìn)行1 次認(rèn)真檢查，并對氣樣進(jìn)行色譜分析。

3）工作面每10 架布置一個觀測孔，觀測孔內(nèi)CO 濃度高于2.4×10-5并有持續(xù)上升的趨勢，對高溫點應(yīng)及時采取插管注氮措施或?qū)υ摐y點附近煤體采取注水、注防滅火材料、碳酸氫銨與水玻璃混合凝膠等防滅火措施，消除煤層高溫點。

4）在軌道順槽外口、距回風(fēng)聯(lián)巷口10～15 m位置設(shè)立自然發(fā)火觀測站，懸掛CO 及溫度傳感器，對采面回風(fēng)流中的溫度及CO 濃度進(jìn)行24 h 連續(xù)檢測。當(dāng)風(fēng)流CO 濃度超過2.4×10-5時，必須立即停止工作，切斷電源，撤出人員，并向礦調(diào)度匯報，檢查原因，處理好后方可繼續(xù)作業(yè)（如圖5 所示）。

圖5 工作面灌漿防滅火系統(tǒng)示意圖

3.4 工作面封閉后防滅火措施

密閉墻構(gòu)筑必須選定在距巷道口不大于5 m 的地點，構(gòu)筑密閉墻時要選擇巷道頂板支護(hù)完好、壓力小且無淋水的地點。實施工序和施工要求如下：

3.4.1 準(zhǔn)備工器具

1）準(zhǔn)備便攜式氧氣、一氧化碳、甲烷檢測儀。

2）準(zhǔn)備鐵鍬、大鏟、水桶、軟管、斷線鉗、扳手等。

3.4.2 檢查作業(yè)環(huán)境

1）檢查作業(yè)地點通風(fēng)及有毒、有害氣體情況：保證通風(fēng)良好，有毒有害氣體不超限，符合規(guī)定要求。

2）檢查作業(yè)地點巷道支護(hù)情況：巷道支護(hù)良好，無漏頂，無片幫；作業(yè)地點無雜物、無淤泥、無積水。

3.4.3 斷開導(dǎo)電物體

斷開密閉施工巷道內(nèi)外相連的軌道、金屬網(wǎng)、管路、電纜等導(dǎo)電物體。

3.4.4 砌筑密閉墻

1）360804 膠帶順槽

防爆墻：在360804 膠帶順槽與360804 膠帶順槽回風(fēng)聯(lián)巷三岔口以東約9 m 處向東設(shè)置一道防爆墻。防爆墻由黃沙組成，總長度為8 m，必須覆蓋全斷面，需設(shè)置觀察孔1個、措施孔2個、放水孔1個。

永久密閉墻：在360804 膠帶順槽與360804 膠帶順槽回風(fēng)聯(lián)巷三岔口以東5 m 處設(shè)置1 道混凝土墻密閉（密閉厚度不小于4 m），需設(shè)置觀察孔1 個、措施孔2 個、放水孔1 個。

2）360804 軌道順槽

在360804 軌道順槽柔?；炷翂εc360804 收作巷三岔口沿采空區(qū)側(cè)向南施工1 道柔?；炷翂Γê穸炔恍∮? m，長3 m），接著拐彎施工1 道柔?；炷翂?60804 收作巷封閉，需設(shè)置觀察孔1 個、措施孔2 個、放水孔1 個，然后接著外口360804 軌道順槽柔模混凝土墻繼續(xù)往外施工，必須超過360804 收作巷5 m。同時將收作巷閉墻上各路預(yù)留管延接出來（兩墻之間設(shè)置木垛或注漿充填實，封閉結(jié)束后對柔模墻四周噴注漿處理）。

3.4.5 封閉墻的設(shè)置要求

1）應(yīng)建在無動壓、圍巖完整，避開破碎帶的地點；密閉距全風(fēng)壓巷道口距離不大于5 m；所有導(dǎo)電體在密閉處斷開，在用的管路采取絕緣措施處理除外。

2）密閉墻噴注漿標(biāo)準(zhǔn)：連通采空區(qū)、過老巷段等封閉區(qū)域存在自然發(fā)火隱患的永久密閉施工前需對施工地點前后10 m 范圍圍巖進(jìn)行噴、注漿，噴漿厚度不得小于100 mm，注漿壓力不得小于3 MPa。抹面的墻面要求1 m2內(nèi)凸凹深度不大于10 mm；無裂縫、重縫和空縫。

3.4.6 密閉墻設(shè)置要求

密閉墻按規(guī)定留觀測管、反水管、措施管，伸入采空區(qū)密閉墻內(nèi)500 mm，如圖6 所示。具體要求如下：

圖6 密閉墻管孔設(shè)計示意圖（mm）

1）反水管。封閉有流水的巷道時，在閉墻施工完畢后必須構(gòu)筑反水池，并壓設(shè)泄水管，用于觀測水溫、疏放密閉內(nèi)積水。泄水管高度距巷道底板0.3 m，泄水管選用4 寸（外徑108 mm）的鐵管配U 型管閘閥。

2）觀測管。觀測管直徑不小于25 mm，設(shè)在墻高的2/3 處，觀測管口處用螺紋配接長度為70～100 mm 的膠管連接裝置。膠管連接裝置焊接外徑4 mm 細(xì)銅管，用于觀測壓差、氣溫和取樣。

3）措施管。措施管直徑不小于100 mm，安設(shè)在密閉頂部（離頂板0.3 m 處），以備注氮或注漿用。

4 防滅火效果檢驗

4.1 柔膜墻測孔

4.1.1 柔膜墻1#觀測孔

圖7 是柔膜墻1#觀測孔O2濃度隨采空區(qū)埋深的變化情況。由圖7 可知，由于柔膜墻的漏風(fēng)較大，氧濃度在60 m 之間約為20.03%，后期隨采空區(qū)埋深的增加，氧濃度逐漸下降；在74.7 m 處時，有最小值為10.75%。

圖7 柔膜墻1#觀測孔O2 濃度隨進(jìn)入采空區(qū)深度變化曲線

圖8 是柔膜墻1#觀測孔CO 濃度隨采空區(qū)埋深的變化情況。由圖8 可知，CO 濃度主要在30～90 m 間整體呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢，當(dāng)測點進(jìn)入采空區(qū)深度約71.5 m 處時，采空區(qū)CO 濃度達(dá)到最大值1.2×10-5。

圖8 柔膜墻1#觀測孔CO 濃度隨進(jìn)入采空區(qū)深度變化曲線

4.1.2 柔膜墻2#觀測孔

由于柔膜墻的漏風(fēng)相對較小，隨采空區(qū)埋深的增加，氧濃度基本呈現(xiàn)下降趨勢，在40.5 m 處時，有最小值為16.32%。CO 濃度隨采空區(qū)埋深的增加，整體呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢，當(dāng)測點進(jìn)入采空區(qū)深度約40.5 m 處時，采空區(qū)CO 濃度達(dá)到最大值1.4×10-5。

4.1.3 柔膜墻3#觀測孔

由于柔膜墻的漏風(fēng)相對較小，隨采空區(qū)埋深的增加，氧濃度呈下降趨勢，在59.3 m 處時，有最小值為16.12%。CO 濃度隨采空區(qū)埋深的增加，當(dāng)測點進(jìn)入采空區(qū)深度約38.3 m 處時，采空區(qū)CO 濃度達(dá)到最大值1.1×10-5。

4.1.4 柔膜墻4#觀測孔

由于柔膜墻漏風(fēng)與注氮的影響，隨采空區(qū)埋深持續(xù)增加，氧濃度呈先增加后下降趨勢，但整體波動范圍不大；在37.9 m 處時，有最小值為18.28%。CO 濃度隨采空區(qū)埋深增加，當(dāng)測點進(jìn)入采空區(qū)深度約20.1 m 處時，采空區(qū)CO 濃度達(dá)到最大值1×10-5。

4.1.5 柔膜墻5#觀測孔

由圖9 可知，由于柔膜墻漏風(fēng)大，增加采空區(qū)埋深，氧濃度基本在17.2%～20.42%波動。

圖9 柔膜墻5#觀測孔O2 濃度隨進(jìn)入采空區(qū)深度變化曲線

由圖10 可知，CO 濃度隨采空區(qū)埋深的增加，整體呈現(xiàn)起伏變化。當(dāng)測點進(jìn)入采空區(qū)深度約32.6 m 處時，采空區(qū)CO 濃度達(dá)到最大值7×10-6。

圖10 柔膜墻5#觀測孔CO 濃度隨進(jìn)入采空區(qū)深度變化曲線

5 結(jié)論

采用現(xiàn)場觀測和理論分析相結(jié)合的方法，進(jìn)一步完善切頂開采時期的防滅火系統(tǒng)，制定切頂開采不同階段的防滅火技術(shù)與管理措施，形成完整的防滅火技術(shù)體系，有效驗證防滅火效果，結(jié)論如下：

1）工作面切頂開采前，在360804 軌道順槽增設(shè)一路注氮管路，在360804 膠帶順槽鋪設(shè)一路注液態(tài)CO2管路。正?；夭善陂g，采取以連續(xù)注氮為主，輔以每3 d 預(yù)防性灌漿一次、每周預(yù)防性注液態(tài)CO2一次的綜合防滅火措施。

① 當(dāng)采空區(qū)CO 濃度＜2.4×10-5，采取向采空區(qū)注水或預(yù)防性注氮措施；

② 當(dāng)采空區(qū)2.4×10-5≤CO 濃度＜5×10-5，采取連續(xù)性注氮或灌漿措施；

③ 當(dāng)采空區(qū)CO 濃度≥5×10-5，出現(xiàn)C2H4氣體時，或溫度超35 ℃時，連續(xù)性向采空區(qū)灌漿和注氮，必要時采取灌注液態(tài)CO2或噴注阻化劑等防火措施。

2）工作面過構(gòu)造期間，對架后遺煤灑漿或噴灑阻化劑，同時根據(jù)工作面瓦斯涌出量大小，調(diào)整工作面瓦斯抽采量，以減少采空區(qū)漏風(fēng)。

3）通過柔模墻的觀測孔，測定觀測孔內(nèi)氣體濃度和溫度變化，發(fā)現(xiàn)柔模墻均有不同程度的漏風(fēng)，CO 濃度為最大值1.5×10-5，溫度約在33 ℃。