承壓水上自燃厚煤層開采技術(shù)研究

摘 要:針對東井9＃煤底部有本溪灰?guī)r和奧陶系灰?guī)r兩層灰?guī)r的特殊賦存狀態(tài)以及煤層自燃發(fā)火期短的特點(diǎn)，采取提前全面改造本溪灰?guī)r為隔水層的防治水研究和巷道噴涂粘土水泥漿、工作面預(yù)埋注漿管路的防滅火研究以達(dá)到安全回采。

關(guān)鍵詞:承壓水自燃防治水防滅火

中圖分類號:TD823文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A文章編號:1674-098X(2011)07(a)-0054-02

1 概況

葛泉礦東井是新開拓的下組煤試采區(qū)，位于葛泉井田東部西油村、大油村一帶，距葛泉礦井約2.5km，走向長約2.2km，傾斜寬約1.9km，面積3.8km2，可采儲量832萬噸，生產(chǎn)能力30萬噸／年，服務(wù)年限18.49年。礦井采用立井單水平上山開拓，分東西兩翼，西翼采區(qū)工作面采用傾向布置，東翼工作面采用走向布置，工作面面長75m左右，兩工作面之間留4m小煤柱，工作面巷道均沿底托頂煤掘進(jìn)。

本區(qū)北以F12、F6，南以F13斷層與葛泉井田主采區(qū)為界，北部、東北部均以9#煤露頭線為界，相對葛泉井田構(gòu)成獨(dú)立抬升的構(gòu)造塊段。本區(qū)9#煤賦存較淺，煤層厚度大(6m左右)，9#煤層至奧灰頂面的隔水層厚達(dá)38～55m，一般在40m以上。目前，本區(qū)奧陶系灰?guī)r水水位標(biāo)高在+40m左右，試采區(qū)-150水平以上，絕大部分范圍突水系數(shù)都小于0.06MPa/m，屬相對安全區(qū)。煤層含硫高，普遍發(fā)育一至兩層黃鐵礦結(jié)核，煤層自燃發(fā)火期為67天，屬于二類自燃煤層。

2 防治水技術(shù)研究

2.1 水文地質(zhì)情況

經(jīng)論證，在對煤層底板隔水層及本溪灰?guī)r含水層進(jìn)行注漿加固改造并采取帶壓開采配套防治水措施以后，-150水平以上具備帶壓開采9#煤的水文地質(zhì)條件。但是在巷道開拓掘進(jìn)過程中發(fā)現(xiàn)，9#煤層底板下伏本溪灰?guī)r含水層厚度大，巖溶裂隙發(fā)育，局部構(gòu)造發(fā)育巷段甚至掘進(jìn)過程中就發(fā)生底板水涌出。經(jīng)測量發(fā)現(xiàn)，本溪灰?guī)r含水層的水位標(biāo)高與奧陶系灰?guī)r強(qiáng)含水層基本一致;且本灰打鉆出水期間，奧灰觀測孔水位有明顯下降;水質(zhì)化驗結(jié)果顯示，本灰水與奧灰水的水化學(xué)特征十分相似，均為HCO3-Ca-Mg型水。因此判斷本灰與奧灰之間存在密切的水力聯(lián)系，已經(jīng)連通為一個含水體。對9#煤開采構(gòu)成嚴(yán)重威脅。面對嚴(yán)峻的防治水形勢，經(jīng)河北金牛能源股份有限公司決定，委托煤炭科學(xué)研究總院西安研究院與葛泉礦會同公司科技部聯(lián)合公關(guān)，對下組煤開采防治水技術(shù)進(jìn)行研究。

針對葛泉礦下組煤試采區(qū)薄隔水層、大導(dǎo)高、本灰與奧灰雙層高承壓巖溶裂隙含水層復(fù)合為一個含水體的復(fù)雜水文地質(zhì)條件，煤炭科學(xué)研究總院西安研究院在分析礦井地質(zhì)和水文地質(zhì)條件的基礎(chǔ)上，提出了“精細(xì)探查，先探后掘;注漿改造，先治后采;全程監(jiān)控，全面設(shè)防”的帶壓開采防治水技術(shù)路線。

2.2 防治水技術(shù)措施

a.在巷道掘進(jìn)前，實施了地面高分辨率三維地震勘探與瞬變電磁勘探;在巷道掘進(jìn)階段鉆探與物探相結(jié)合，先組織實施長距離底板注漿加固改造本溪灰?guī)r含水層，超前鉆結(jié)束后進(jìn)行直流電法超前探測，對低阻異常區(qū)在巷道底板打鉆驗證，對鉆探驗證的前方富水區(qū)段進(jìn)行超前預(yù)注漿，巷道掘進(jìn)時保持20m的鉆探、物探超前距;對已經(jīng)掘成的巷道底板破碎區(qū)段，組織實施直流電法側(cè)向探測和電測深，對低阻異常區(qū)在巷道底板打鉆驗證，對鉆探驗證的巷道底部和兩幫富水區(qū)段進(jìn)行底板注漿加固，從而避免了滯后突水事故的發(fā)生。

b.在工作面巷道形成以后，安排了坑透探測，對工作面內(nèi)部構(gòu)造發(fā)育情況進(jìn)行勘探。工作面回采前，利用地面注漿站及井上下結(jié)合的自動化注漿系統(tǒng)對工作面底板進(jìn)行鉆探注漿。工作面底板全面注漿改造工程分三個階段進(jìn)行施工，經(jīng)過兩輪鉆探注漿后，此后，組織實施井下瞬變電磁、音頻電透視等物探工作，對注漿改造效果進(jìn)行探查。第三階段鉆探發(fā)現(xiàn)，鉆孔涌水量有了大幅度減小，本灰含水層富水性很弱，原有的導(dǎo)升裂隙已經(jīng)基本得到了封堵。從減小工作面采后涌水量的角度出發(fā)，分析物探與鉆探成果對局部注漿效果差的區(qū)段進(jìn)行了補(bǔ)充注漿。經(jīng)過專家論證后，認(rèn)為具備安全回采條件，首采工作面(1192工作面)于2006年9月正式投產(chǎn)。

c.在工作面回采過程中，按照設(shè)計要求，組織實施了煤層底板突水監(jiān)測與圍巖應(yīng)力、應(yīng)變探測;在工作面回采至停采線附近時，組織實施了注水試驗觀測。在整個工作面回采過程中，還對工作面采后涌水量進(jìn)行了觀測。

采用上述防治水技術(shù)方法，實現(xiàn)了1192工作面的安全回采，采出原煤24萬噸，目前工作面采后涌水量在26m3/h左右。采用同樣的防治水技術(shù)手段，已經(jīng)安全回采1190、1194、1191、1193四個工作面。

上述應(yīng)用效果證明，1192工作面帶壓開采防治水技術(shù)路線的手段是科學(xué)合理的，適合本區(qū)開采條件，既科學(xué)合理又突出重點(diǎn)，在取得顯著的經(jīng)濟(jì)效益的同時，獲得了以下技術(shù)參數(shù):

(1)查明本灰水原始導(dǎo)高為5～5m，最大達(dá)18m，其導(dǎo)高帶普遍發(fā)育;

(2)注漿加固與改造的目的層為煤層底板下10m至本溪灰?guī)r底板下2m的含導(dǎo)水構(gòu)造;

(3)探索了適合本區(qū)的注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn):結(jié)束壓力:6～8MPa;結(jié)束吸漿量，一般35L/min以下。

(4)本區(qū)9#煤底板適合漿液水灰比在4:1以上的稀漿灌注。

(5)制定了本區(qū)注漿改造效果量化評價指標(biāo):

注漿孔密度達(dá)到450m2/孔，鉆孔平均間距小于15m;

檢查孔個數(shù)占注漿孔個數(shù)的30%以上;

檢查孔單孔涌水量小于20m3/h;

80%的區(qū)段初見本灰水深度大于15m，初見本灰水量小于3m3/h。

(6)由注水試驗和突水監(jiān)測結(jié)果，確定1192工作面底板最大破壞深度為12.5m，主要位于煤層底板本溪灰?guī)r上部粉砂巖中。

上述防治水技術(shù)方法和所取得的技術(shù)參數(shù)，對本區(qū)今后9#煤開采具有重要的指導(dǎo)作用，并對公司所屬其它礦井在相似條件下開采9#煤具有參考作用。

3 防滅火技術(shù)研究

3.1 自然發(fā)火情況

(1)1192工作面是葛泉礦東井9#煤第一個工作面，2006年6月25日切眼貫通，9月開始試采，10月12日中班工作面回風(fēng)隅角發(fā)現(xiàn)CO，到2007年5月1日工作面停采搬家時出現(xiàn)高溫異常點(diǎn)，表層溫度36℃，回風(fēng)流中在檢測到一氧化碳的同時也檢測到乙烯，表明采空區(qū)浮煤進(jìn)入快速氧化階段。

(2)1190工作面是葛泉礦東井第二個工作面，08年3月10日工作面停采擴(kuò)幫，3月22號夜班支架后部出現(xiàn)了明火，回風(fēng)流中CO濃度達(dá)到200ppm并呈逐漸升高趨勢。

3.2 自然發(fā)火原因分析

(1)九號煤層屬二類自燃煤層，有自燃發(fā)火傾向性，化驗發(fā)火期僅為67天，煤層易氧化，發(fā)火期較短。

(2)煤層及其夾矸中普遍含有硫鐵礦結(jié)核、高硫夾矸;硫化物的存在和快速氧化放出的熱量，對煤的氧化自燃起到了加速劑作用。

(3)東井開采方式為綜采放頂煤，采空區(qū)遺煤多且較破碎，采空區(qū)垮落高度和空間體積大，空氣能夠在采空區(qū)浮煤中流動、擴(kuò)散，增加了煤的氧化面積，使得采空區(qū)自然發(fā)火危險程度相對增加。

3.3 防滅火的綜合治理措施

自2006年6月礦井投產(chǎn)以來，在各級領(lǐng)導(dǎo)的大力幫助下，在科研院校的協(xié)助下，共同探索研究9#煤層放頂煤防滅火問題，通過幾年實踐我們主要采取了以下措施:

(1)建立可靠穩(wěn)定的通風(fēng)系統(tǒng)，合理配風(fēng)，控制向采空區(qū)漏風(fēng)。通過計算把工作面風(fēng)量控制在350m3/min左右。在工作面進(jìn)回風(fēng)隅角掛風(fēng)障，保持工作面有效通風(fēng)斷面，以減少工作面兩端壓差減少向采空區(qū)漏風(fēng)。

(2)在工作面開采之初，就在工作面后溜子后部采空區(qū)內(nèi)預(yù)埋了注漿管路;隨工作面每推進(jìn)30米就敷設(shè)一趟預(yù)埋注漿管路。

(3)工作面因遇地質(zhì)構(gòu)造或減產(chǎn)造成推進(jìn)速度減緩、工作面擴(kuò)幫搬家時，開始對工作面采空區(qū)連續(xù)反復(fù)注三相泡沫，直到上下隅角、工作面出現(xiàn)三相泡沫為止;并且工作面停采后在綜采支架間沿工作面傾斜方向向綜放支架的架縫之間打鉆孔、下鉆桿(鉆桿上打花眼)深度3～5m，然后利用地面注漿站通過鉆孔向采空區(qū)注入大量三相泡沫(附圖)，使三相泡沫在采空區(qū)內(nèi)擴(kuò)散、滲透，向高處堆積，降低高溫浮煤的溫度。

1192、1190工作面出現(xiàn)高溫點(diǎn)及明火時均采用以上措施進(jìn)行滅火，使火災(zāi)事故得到了有效控制，并迅速撲滅了火災(zāi)。2008年結(jié)束的1194面由于采用以上防范措施，沒有出現(xiàn)高溫異常點(diǎn)，實現(xiàn)了順利回采和封閉。

(4)工作面停采前，提前做好巷道封閉準(zhǔn)備工作并改變撤架期間通風(fēng)方式:此時利用局部通風(fēng)機(jī)向撤架處供風(fēng)，大大減少了支架后方采空區(qū)的漏風(fēng)量及漏風(fēng)帶的寬度，減少采空區(qū)松散浮煤氧化帶寬度，對防滅火工作有利。

(5)密閉加固與封堵裂隙:對采空區(qū)進(jìn)回風(fēng)巷間壓差大的密閉墻和受采動影響遭破壞的密閉采用克瑞森注漿材料進(jìn)行加固，加固堵漏技術(shù)的應(yīng)用減少密閉墻漏風(fēng)量，防漏風(fēng)效果非常明顯。

由于巷道煤體及密閉墻體兩側(cè)煤邦壓碎嚴(yán)重，存在大量裂縫和裂隙，采用克瑞森注漿材料對巷道煤體及密閉墻體兩側(cè)煤邦裂縫和裂隙進(jìn)行封堵，有效的封堵漏風(fēng)通道。

(6)對布置在煤層中巷道預(yù)防火災(zāi)主要應(yīng)用以下常規(guī)技術(shù):

巷道噴漿:對布置在煤層中主要運(yùn)輸巷、沿空掘進(jìn)巷道的煤柱幫進(jìn)行噴漿封閉，既可以封堵煤壁的漏風(fēng)通道，防止煤壁自燃發(fā)火，又可以對巷道與空氣進(jìn)行隔絕，防止進(jìn)一步風(fēng)化造成煤壁片幫影響巷道支護(hù)強(qiáng)度。并且，我們經(jīng)過反復(fù)試驗，自行研制了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的復(fù)合凝土的噴涂材料(復(fù)合凝土材料、噴漿方法已申請國家專利)，既降低了噴涂巷道的成本降低了勞動強(qiáng)度又起到了封閉巷道的作用，隔風(fēng)效果非常理想。到目前共噴涂煤巷4900多米。

沖洗巷道:增加沖洗巷道的頻率，對煤柱進(jìn)行降溫，改變煤體透氣性，防止煤柱自然發(fā)火。

(7)防火預(yù)測預(yù)報措施:除安排專職瓦斯員按時、準(zhǔn)確地對工作面各地點(diǎn)有害氣體和溫度進(jìn)行監(jiān)測外，積極推廣應(yīng)用新技術(shù):我礦于2007年9月份安裝了一套束管監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)的使用實現(xiàn)井下關(guān)鍵地點(diǎn)的煤層自燃發(fā)火參數(shù)和礦井大氣環(huán)境參數(shù)的連續(xù)監(jiān)測，把井下的煤層自燃發(fā)火參數(shù)直接傳輸?shù)降孛姹O(jiān)控室的計算機(jī)中，并根據(jù)需要隨時或定時將參數(shù)信息以表格形式打印出來，便于礦井管理人員隨時掌握井下情況，為預(yù)測控制井下自燃發(fā)火發(fā)展情況、確保礦井安全生產(chǎn)奠定了基礎(chǔ)。

(8)積極與科研院校合作，研究工作面采空區(qū)內(nèi)煤體升溫規(guī)律、有害氣體涌出變化情況和采空區(qū)“三帶”的運(yùn)移規(guī)律，為防滅火提供基礎(chǔ)條件。我們與中國礦業(yè)大學(xué)合作，通過分析現(xiàn)場數(shù)據(jù)、整理，合理確定了采空區(qū)“三帶”，并制定出了防范措施。2007年10月，針對1190工作面回采過程中有計劃長時間停產(chǎn)，工作面停止推進(jìn);運(yùn)用初步掌握的煤氧化及溫度升高的規(guī)律進(jìn)行了有針對性的預(yù)防，由于采取的防范措施得力，采空區(qū)和上下隅角沒有高溫點(diǎn)出現(xiàn)，發(fā)火標(biāo)志氣體濃度沒有增加。

對東井各煤層含硫量進(jìn)行普查;由于煤層黃鐵礦結(jié)核及煤夾矸中含硫較高，為防止硫化物快速氧化速度快而引起火災(zāi)，開展對東井各煤層含硫量進(jìn)行普查，掌握含硫結(jié)核在煤層中橫向、縱向地分布規(guī)律，并分層繪制出含硫分布圖，充分掌握硫化物的分布規(guī)律和氧化規(guī)律。在此基礎(chǔ)上，有針對性地制定了防火預(yù)案，對防滅火注漿及防滅火的備用材料提出要求，制定了一整套滅火方案和行之有效的滅火方法。

4 經(jīng)驗與教訓(xùn)

(1)通過對煤層底板本溪灰?guī)r全面改造注漿加固，已安全回采5個工作面，采取的“精細(xì)探查，先探后掘;注漿改造，先治后采;全程監(jiān)控，全面設(shè)防”的帶壓開采防治水技術(shù)路線是安全、合理、經(jīng)濟(jì)可行的。

(2)加強(qiáng)管理和預(yù)測預(yù)報工作，提高防滅火人員技術(shù)素質(zhì)與責(zé)任心，回采過程中盡可能提高回采率，減少采空區(qū)遺煤;控制采空區(qū)漏風(fēng);預(yù)先埋好的注漿管路為消滅采空區(qū)高溫火點(diǎn)提供了有力條件，做到了有備無患。

(3)噴灑阻化劑對阻止采空區(qū)浮煤氧化效果不理想，三相泡沫是較為理想的注漿材料。通過鉆孔和采空區(qū)預(yù)埋管路向采空區(qū)注入大量三相泡沫，使三相泡沫在采空區(qū)內(nèi)擴(kuò)散、滲透，向高處堆積，覆蓋采空區(qū)浮煤，降低高溫浮煤的溫度，阻止了浮煤自燃。