近距離煤層開采瓦斯與內因火災隱患兼治技術研究與應用

吳殿文

(晉能控股集團白洞礦業公司,晉城 山西 030024)

瓦斯和火災是困擾當前煤礦安全生產的主要安全隱患,其最直接地關系到煤礦工人的生命安全。近年來,由于很多高瓦斯、有自燃傾向的礦井投入生產,導致產生了很多瓦斯超限以及井下內因火災現象,造成了很多安全生產事故。不僅造成了巨大的經濟損失,也嚴重威脅到了煤礦工人的生命安全[2]。因此,必須對高瓦斯礦井煤層瓦斯賦存狀況進行精確的分析并提出合理的治理方案。對于高瓦斯采掘工作面進行瓦斯的提前抽放以及合理的注氮工作,以保障煤礦井下生產有序進行,在提高煤礦生產效率和經濟效益的同時，有效保障煤礦井下員工的生命安全。

本文的主要研究對象是山西大同某煤礦高瓦斯礦井,且煤層均具有自燃傾向性,為容易自燃煤層,自燃等級為Ⅰ類,自然發火期為1～6個月。其中410盤區為近距離煤層開采,兩層層間距為1.5 m～14.8 m。上層11#、12#合并層410盤區為厚煤層開采,現全部開采結束已封閉;下層14#層盤區為中厚煤層開采,現正在回采。在巷道布置方面,下層工作面巷道內錯于上層工作面巷道。在開采期間同時受到瓦斯和內因火災雙重影響,因此對瓦斯與火災進行兼治是非常必要的。

1 隱患分析及治理方案

1.1 安全隱患分析

1.1.1瓦斯隱患

由于該礦均為近距離煤層開采,開采過程中的瓦斯主要來源于上覆采空區。通過層間鉆孔對14#層410盤區上覆的11#—12#合并層采空區氣體進行取樣化驗分析,瓦斯體積分數達5.64%～49.58%。14#層盤區81002首采工作面回采期間,頂板初次來壓與上覆采空區垮落后,上隅角瓦斯體積分數最高達3.88%,瞬間最大瓦斯絕對涌出量高達3.11 m3/min;14#層410盤區51004巷掘進期間,瓦斯絕對涌出量為0.39 m3/min,由于層間距較薄,巷道掘進期間發生上覆采空區垮落,高濃度瓦斯從上覆采空區下泄,工作面瓦斯體積分數最高達1.56%,瓦斯絕對涌出量達到2.6 m3/min。因此,必須通過瓦斯抽放這一治理瓦斯最根本的措施進行治理。

1.1.2內因火災隱患

該煤礦是內因火災隱患極為嚴重的礦井。該礦11#、12#合并層307盤區曾因內因火災事故將盤區整體封閉;11#、12#合并層410、408盤區也曾發生多次內因火災事故;14#層410盤區81002首采工作面回采期間,采空區CO體積分數一度高達0.1%。

14#層410盤區開采過程中治理瓦斯隱患時,瓦斯抽放工作會導致采空區漏風,容易引起煤層自燃,煤自燃后可能造成瓦斯爆炸事故;反之,在治理內因火災隱患的同時,又會影響瓦斯抽放效果。因此,必須協調好二者之間的關系,解決兩種措施所產生的矛盾,最終保證瓦斯與火災隱患得到兼治。

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1.2 治理方案

1.2.1鄰近層采空區瓦斯抽放配合“疊加”采空區注氮

由于11#、12#合并層采空區早已封閉,無法在11#、12#合并層采空區開展瓦斯抽放,因此通過在14#層巷道向對應的上覆11#、12#合并層采空區布置層間孔進行瓦斯抽放。

依據采動裂隙“O”型圈理論:采空區中部的采動裂隙趨于壓實,在上覆老空區四周存在一個互相連通的采動裂隙發育區,即采動裂隙“O”型圈,它相當于形成了一個“瓦斯庫”,周圍煤巖體中的瓦斯解析后通過滲流不斷匯集到這個“瓦斯庫”中[3]。通過本煤層頂板向上覆采空區施工鉆孔,打到采場的采動裂隙“O”型圈內,就可以保證較高的瓦斯抽放率,達到治理工作面瓦斯的目的。

在瓦斯抽放過程中,采空區內的瓦斯氣體被抽出后,導致采空區內形成“負壓區”,而采空區由于礦山壓力的作用,必然會造成大量的漏風通道,采動裂隙“O”型圈進入大量的空氣。采空區上、下層連通后形成的疊加采空區內,一是上覆采空區遺煤發生二次氧化,二是本層采空區初次氧化,造成內因火災的隱患更加嚴重。因此,必須配合注氮措施。

由于瓦斯抽放與工作面通風所帶來的采空區漏風現象,造成疊加采空區內因火災隱患。通過采取本層以及上覆層的注氮,有效解決了內因火災隱患。利用注氮方法解決上覆采空區采動裂隙“O”型圈內因火災隱患后,在采動裂隙“O”型圈內布置抽放孔,提高了瓦斯抽放率,有效治理了上覆層瓦斯隱患。

1.2.2巷道超前預抽法配合采空區“旁路式”注氮

在14#層410盤區51004巷掘進期間,由于層間距近,巷道掘進過程中與上覆層形成大量裂隙,在礦井負壓作用下,裂隙內涌出一定量的瓦斯。采用羅克休對裂縫進行封堵,羅克休具有反應迅速、高膨脹率、抗壓能力強、可直接滅火等優勢；但是由于工作面內依然存在很多未知的裂隙,所以依然存在瓦斯下泄的風險[4]。通過技術人員分析,由于泄壓后的煤層具有很強的透氣性,上覆采空區由于頂板垮落,沒有壓實,留有大量的空隙,游離的瓦斯在裂隙間下泄[5-6]。利用這一條件開發出了“巷道預抽法”，即在14#層巷道掘進到位后將其封閉,在密閉內鋪設Φ315 mm抽放管路共200 m,通過回風系統巷與14#層410盤區回風巷的抽放主管相連,利用14#層410盤區瓦斯抽放泵站對上覆層瓦斯抽放,有效地解決了相鄰巷道掘進期間的瓦斯隱患。同時在相鄰巷道布置注氮管路,用來置換被抽出的瓦斯氣體,降低采空區氧氣濃度,防治上覆采空區內因火災事故。

將巷道掘進期間頂板裂隙這一有害因素變成煤層泄壓后具有很強透氣性的良好抽放條件,有效地解決了上覆層的瓦斯隱患。巷道預抽法配合采空區“旁路式”注氮法,在抽放本煤層的瓦斯氣體的同時,有效地將上覆采空區的高濃度瓦斯抽出,更好地解決了相鄰巷道掘進期間的瓦斯隱患。

2 應用情況

2.1 鄰近層采空區抽放法配合“疊加”采空區注氮

該方法在14#層410盤區回采工作面(81004、81006、81008工作面)應用。

2.1.1鄰近層采空區抽放法

根據《81008工作面作業規程》可知,81008工作面距斜巷口的距離為930 m,結合81008工作面的回采進度,在14#層51008巷布置兩組鉆場:

第一組:距81008切割巷550 m;

第二組:距81008切割巷850 m。

由14#層51008巷打兩組仰角鉆孔,終孔點位位于11#、12#合并層81008工作面冒落帶上部、裂隙帶下部的瓦斯富集區內,并留設Φ108 mm套管,套管內插入瓦斯抽放管,瓦斯抽放管距11#、12#合并層采空區頂板0.5 m。每組鉆場施工15個鉆孔,孔間距為1 m,孔徑75 mm。同時配合埋管式注氮,如圖1所示。

圖1 鄰近層采空區瓦斯抽放配合“埋管式”注氮法示意圖Fig.1 Gas drainage of adjacent layers with "buried pipe" nitrogen injection in goaf

2.1.2“疊加”采空區“旁路式”注氮

在81006工作面相鄰的51008巷布置兩趟Φ108 mm注氮管路,一趟注氮管路為11#、12#合并層410盤區81006采空區注氮,布置位置距離運行抽放鉆場550 m;另一趟注氮管路為14#層410盤區81006工作面“疊加”采空區進行注氮,第1個鉆孔距離切巷550 m,以后每隔100 m設置1個,隨著工作面的推進進行倒換,保證該鉆孔距離工作面不超過150 m，如圖2所示。

圖2 鄰近層采空區瓦斯抽放配合“旁路式”注氮法示意圖Fig.2 Gas drainage of adjacent layers combined mining with “bypass” nitrogen injection in goaf

2.2 巷道超前預抽法配合采空區“旁路式”注氮

該方法在14#層410盤區掘進工作面(21004巷、21006巷、21008巷)應用,以21006巷為例。

在14#層410盤區21006巷掘進到位后將其封閉,在密閉內鋪設200 m的Φ315 mm瓦斯抽放管路,延21006巷回風系統巷與14#層410盤區回風巷的抽放主管相連；同時在51008巷距離21006巷瓦斯抽放管路末端200 m向11#、12#合并層81006工作面布置一個注氮孔,通過51008巷注氮管路對上覆采空區進行注氮,如圖3所示。

圖3 巷道預抽法配合采空區“旁路式”注氮法示意圖Fig.3 Pre-drainage combined mining with “bypass” nitrogen injection in goaf

近距離煤層開采瓦斯與內因火災隱患兼治技術14#層410盤區應用后,14#層410盤區累計抽放瓦斯量為740 190 m3,采煤量為382 856 t,注氮量7 855 050 m3,從根源上解決了410盤區近距離開采期間的瓦斯及內因火災隱患。該盤區未進行綜合治理的回采工作面上隅角瓦斯體積分數最大為3.88%,掘進工作面瓦斯體積分數最大為1.56%,通過瓦斯及內因火災隱患兼治技術的應用,回采工作面上隅角的瓦斯體積分數最大為0.42%、回風流中瓦斯體積分數最大為0.13%,掘進工作面瓦斯體積分數最大0.06%;且410采空區內均無CO。由結果對比分析,經過綜合治理后,回采工作面和掘進工作面的瓦斯得到了有效控制,杜絕了瓦斯及內因火災事故。文中所提出的鄰近層采空區抽放法配合“疊加”采空區注氮以及巷道超前預抽法配合采空區“旁路式”注氮兩種瓦斯和火災治理方法在高瓦斯煤礦的生產中能夠起到良好的治理效果,能夠滿足煤礦生產的治理需求。

3 結論

本文以山西大同某高瓦斯煤礦為研究對象,針對該煤礦高瓦斯且具有自燃傾向性的問題展開了研究。通過對近距離煤層開采瓦斯與內因火災隱患兼治技術的研究與應用,即鄰近層采空區瓦斯抽放法配合“疊加”采空區注氮、巷道超前預抽法配合采空區“旁路式”注氮,有效地杜絕了瓦斯及內因火災事故,保障了井下工作人員的安全,保護了工作面的設備,為礦井安全生產起到了重大作用。近距離煤層開采瓦斯與內因火災隱患兼治技術在14#層410盤區開采應用后,實現了抽采達標,杜絕了采空區內因火災隱患事故,保證14#層410盤區安全生產煤量382 856 t,按照噸煤價格約500元計算,近距離煤層開采瓦斯與火災隱患兼治技術創造的經濟效益為1.914億元。

現階段國內研究主要集中在瓦斯或內因火災隱患的單一災害方面,兩種災害兼治技術剛剛興起,多種治理措施的有效結合和治理后的成果與國內外相關企業技術相比較為先進。對于具有相似開采條件的礦井,可利用鄰近層采空區抽放法配合“疊加”采空區注氮或巷道超前預抽法配合采空區注氮,同時治理近距離煤層開采中的瓦斯及內因火災隱患。本研究具有較強的實用價值和推廣意義。