基于無煤柱開采技術的“災害”治理技術的實踐

趙文曙 梁旺亮 劉曉春 王亞敏

（山西西山煤電股份有限公司西銘礦 山西太原030052）

1 序言

無煤柱開采技術即“110工法”因具有掘進量少、緩解銜接、少丟資源、降本增效等突出優勢，作為綠色開采技術在煤礦井下得到了推廣應用[1-3]。西銘礦在開采西山煤田2#煤層42208工作面試驗無煤柱“110工法”開采技術，但存在留巷局部變形，影響銜接工作面后期利用，需要二次維修巷道；靠近采空區的巷旁瓦斯涌出造成回風流及上隅角瓦斯時常超限；采空區長期微速通風，造成采空區自然發火等隱患等問題。針對上述問題，在相鄰42206工作面采用了泵送高水分子材料巷旁充填沿空留巷與頂板深孔定向爆破切頂卸壓技術相結合、充填墻插管抽采與預注氮相結合以及將充填工藝納入采煤正規循環作業工序等綜合技術，有效地解決了巷道變形、瓦斯超限及自然發火等重大威脅，礦井次生災害得到了有效治理與控制，為西山煤田2#煤層采用無煤柱“110工法”開采技術探索出一系列配套的安全保障措施。

2 “110工法”技術缺陷分析與技術革新

2.1 42208工作面概述

42208工作面為西十二盤區左翼首采面，開采2#煤層，為綜合機械化采煤面。工作面東為42022、42020采空區，南面為相鄰礦井邊界，西鄰盤區集中軌道巷，北為下接42206備用面；該面煤層厚度1.80 m～2.10 m，平均厚度1.95 m，煤層傾角2°～10°，為近水平煤層；偽頂為厚度0.20 m頁巖，直接頂為厚度1.70 m砂質頁巖，老頂為厚度8 m中粒砂巖，直接底為厚度1.85 m細砂巖；工作面傾斜長197 m，走向長700 m，總體為單斜構造；回采期間絕對瓦斯涌出量為5 m3/min，工作面采用“Y”型“兩進一回”通風系統，2#煤層為Ⅱ類自燃煤層，煤塵具有爆炸性。

2.2 42208工作面無煤柱開采技術災害分析

為適應煤炭綠色、高效開采的煤炭能源革命的要求，在42208工作面首次試驗無煤柱“110工法”開采技術即采用沿42208皮帶順槽靠回采幫施工頂板深孔定向爆破切頂卸壓與錨桿+錨索補強支護+臨時“π”梁聯合補強支護技術相結合的沿空留巷工藝，即在皮帶順槽沿回采幫頂板按間距0.5 m，孔深6 m，朝工作面方向施工聚能爆破鉆孔，角度10°～15°，采用專用設備進行預裂爆破，形成切縫線，同時進行高強度補強支護。

“110工法”開采技術在42208工作面開采實踐中，存在以下缺陷和問題（42208切頂卸壓+補強支護相結合的沿空留巷采掘平面圖，見圖1）：

（1）是補強支護作業周期長，嚴重影響回采作業，造成班循環刀數顯著下降，開采效率低，尤其是受采動影響，補強后的巷道幫、底變形量較大，留巷效果不甚理想，需進行二次維修護巷。

（2）是沿空留巷采用錨桿+錨索補強及滯后及超前段采用“π”型梁（“一梁三柱”）補強的聯合支護；且靠近采空區一側在切頂成壁后，壁墻裂隙發育、充填不實，需復噴高分子材料或水泥沙漿形成再生墻體，配套采用風筒布封閉采空區，存在封閉不嚴，沿空留巷段

壁墻源源不斷地有瓦斯涌滲現象，局部滲漏區域瓦斯濃度值可達2%～3%，沿空留巷段回風流中瓦斯濃度時常處于大面積超限或局部積聚狀態，極易造成瓦斯、煤塵燃燒或爆炸事故。

（3）是進、回風巷道由于壓差作用，風流流場并非完全按照“U”、“Y”型流動，部分新鮮風流摻“近道”從采空區內通過而就近進入回風巷道，故采空區內長期處于微通風狀態，將采空區的“窒息帶”遠遠地推進至采空區深部區域，擴增了采空區的氧化帶幅度和范圍，使自然發火的頻率增強，在42208工作面開采過程中曾在回風側壁墻處多次檢測到CO等自然發火指標性氣體，且檢測到壁墻溫度比常溫升高3℃～5℃。

圖1 42208切頂卸壓+補強支護相結合的沿空留巷采掘平面圖

2.3 42206工作面無煤柱開采技術創新與改進

針對42208工作面無煤柱“110工法”開采過程中存在問題，經過分析研討，在42206工作面采取了頂板深孔定向爆破、高水分子材料巷旁充填墻沿空留巷、掘進期間補強支護一次到位及充填墻插管抽采與預注氮等技術相結合的綜合治理技術，有效解決了影響頂板壓力顯現、瓦斯超限及自然發火等安全風險與隱患。

2.3.1 42206工作面及無煤柱開采概述

42206工 作面東鄰42018、42020采空區，南 接42208采空區，西為盤區集中軌道巷，北面下接42204備用面；工作面傾斜長197 m，走向長700 m，總體為單斜構造，回采期間絕對瓦斯涌出量為5 m3/min，工作面采用“Y”型“兩進一回”的通風系統，煤層為Ⅱ類自燃，煤塵具有爆炸性。

回采時在42206皮帶順槽靠采煤幫，使用高頻風鉆濕式打眼（鉆頭?42 mm，眼深6.0 m），垂直于頂板，距煤幫0.2 m，施工超前施工切頂卸壓孔，眼距0.4 m，排距2.4 m，進行超前定向爆破，并且隨采隨充填高水分子材料留墻，進而實現留巷。

2.3.2 災害治理技術探討與實踐

（1）頂板治理技術探討與實踐

為了減少補強支護作業對回采作業正規循環的影響，加強留巷質量，一方面在42206工作面巷道掘進時，將準備留巷的42206皮帶順槽綜合補強支護設計及原巷道設計要求，采取一次性掘進支護到位，從而在回采時不再進行補強支護，節省了回采作業期間補強支護環節，提高了開機率和采煤效率，平均每班可節約支護時間2 h（沿空留巷巷道支護設計變化見圖2）；另一方面利用高水分子材料充填墻巷旁支護沿空留巷技術，進一步加強留巷支護強度，保證留巷質量（42206工作面高水分子材料巷旁充填沿空留巷見圖3）。

圖2沿空留巷巷道支護設計變化圖

圖3 42206工作面高水分子材料巷旁充填沿空留巷圖

（2）瓦斯治理技術探討與實踐

為了解決原留巷靠采空區一側，由于封閉不嚴，留巷沿線壁墻有瓦斯涌滲問題，采用泵送高水材料巷旁充填沿空留巷技術，使采空區與留巷之間有了一道高水分子材料柔模墻，一方面隔絕了采空區與巷道直接相通與接確，解決了瓦斯異常涌出問題，保證了回風流瓦斯下降至安全濃度以下；另一方面將充填工藝納入采煤工藝之中，即割一刀煤，充填一次墻，確?！癥”型通風回風上隅角不存在，杜絕了回風上隅角瓦斯超限。

制作專用柔模包，沿充填墻上每隔10 m，插入長2 m、直徑?500 mm的抽采管，同時為降低抽采阻力，抽采管與柔摸墻成120°夾角布置，進行采空區和上鄰近層1#瓦斯抽采，隨著工作面推進交替接入抽采系統進行抽采，同時接入抽采系統的抽采點不多于2組，不抽的抽采管及時封堵，避免了采空區瓦斯向巷道及工作面的涌滲，瓦斯得到了徹底治理（42206工作面高水分子材料巷旁充填墻插管抽采及預注氮圖見圖4）。

（3）自然發火治理技術探討與實踐

2#煤層為Ⅱ類自然煤層，由于原切頂卸壓加補強支護沿空留巷技術，采空區未完全冒落封閉密實，使得采空區在回采期間處于負壓微通風狀態，而采用充填墻技術后，由于墻體密實度極高，杜絕了采空區漏風通道，在充填墻上插管抽采區域進入“滯息帶”后，將插管抽采管改為注氮管利用膜式制氮泵進行預注氮作業，通過合理控制“氧化帶”范圍杜絕自然發火災害發生。

沿空留巷充填柔模墻插管注氮時，與抽采點的間隔距離不小于20 m，注氮位置始終滯后于抽采點，見圖4。根據能量守恒與轉換定律，為防止在注氮過程中將熱能帶入采空區，需在注氮機出口段增設冷卻降溫裝置作為冷媒，通過降低注入采空區內的氮氣溫度，達到降低采空區遺留煤體的內能值的目的。

圖4 42206工作面充填墻插管抽采及預注氮示意圖

3 災害治理技術效果分析

通過對42208工作面切頂卸壓+補強支護無煤柱開采技術存在隱蔽致災因素的分析，針對頂板、瓦斯及自然發火的威脅，在42206工作面采用頂板深孔切頂卸壓+高水分子材料巷旁充填+充填墻體插管抽采與預注氮的沿空留巷無煤柱開采技術，徹底解決了頂板、瓦斯及自然發火的潛在威脅。經過長期圍巖支護效果跟蹤觀測，證明留巷完整可靠，巷道圍巖穩定，頂板巷幫支護良好，基本無明顯動壓顯現。瓦斯涌出情況得到全面掌控，在采煤期間工作面瓦斯濃度在0.2%～0.3%之間，回風流瓦斯濃度在0.2%～0.4%之間，消除了瓦斯異常涌出現象。人工充填壁墻密封效果優良，無裂隙、無裂縫等，采空區密閉較為嚴實，通過檢測采空區后部區域內氧氣含量在7%以下，未發現有自然發火征兆。并且，工作面產量有大幅提升，技術革新前原煤產量為800～1200 t/班，技術創新后提升至1200～1600 t/班?？傊踩Ｕ吓c生產效益都取得了較好的效果。

4 結語

隨著煤炭企業轉型發展、能源革命不斷深入，走綠色開采、高效開采的路子是煤礦企業必由之路，而無煤柱“110工法”開采技術是適當煤炭供給側結構性改革的新工法，在煤層厚度不超過2.5 m的自燃煤層，且絕對瓦斯涌出量不超過10 m3/min的煤層，采用“深孔定向爆破切頂卸壓+高水分子材料巷旁充填支護+充填墻插管抽采與預注氮技術”是高效可行的經濟、綠色、環保的開采工藝，不但節約了煤炭資源，延長了礦井服務年限，具有借鑒和推廣應用前景。