厚煤層小煤柱工作面開采綜合防滅火技術研究

徐 龍

(山西焦煤西山煤電礦山救護大隊,山西 太原 030000)

火災是制約煤礦井下安全生產的主要災害之一,煤礦井下出現的火災事故會嚴重影響井下作業人員身體健康并帶來較為顯著的經濟損失[1-2]。厚煤層普遍采用的綜放開采方式備有生產效益好、煤炭產量高等優點,厚煤層采煤工作面采用小煤柱護巷時會明顯減低煤炭資源損失,提高煤炭生產效率[3-5]。采面留設的小煤柱在采動壓力作用下容易出現裂隙,導致采面漏風量增加,加之綜放開采時采空區內遺煤量較大,因此容易導致鄰近采面采空區以及本采面采空區出現遺煤自燃問題,給煤炭安全開采帶來一定影響[6-10]。文中就以山西某礦8204綜放工作面回采為工程背景,針對采面小煤柱留設面臨的防滅火難題,分別從鄰近采面采空區及本采面采空區防滅火面兩個方面給出防滅火技術方案,現場應用后有效抑制了鄰近采面采空區及本采面采空區遺煤自燃,為采面煤炭回采創造良好條件。

1 工程概況

8204綜放工作面設計回采8號煤層,煤厚在7.95～23.6 m,平均厚度12.6 m,煤層傾角3～5°,賦存較為穩定,全區可采。8號煤層頂底板巖性以炭質泥巖、砂質泥巖、石灰巖以及粉砂巖等為主,頂板較為穩定。8號煤層為自燃煤層,自然發火周期在68～95 d.

以往8號煤層回采時均通過留設30 m煤柱方式護巷,雖然可確保巷道圍巖穩定,但是也面臨留設煤柱資源損失量大、下部煤層回采過煤柱時應力集中等問題。為此,提出采用小煤柱+切頂卸壓方式護巷,8204綜放工作面為8號煤層第一個留小煤柱護巷工作面,采面設計推進1 820 m、傾向332 m.8204綜放工作面北側為已回采完畢的8202采空區、南側為圈定的8206采面,東側為采區集中巷道、西側為采區邊界保護煤柱,采面2204回風巷與采空區間留設有6 m保護煤柱,具體位置關系如圖1所示。8202采空區已封閉超過1.5 a,由于2204回風巷與8202采空區間留設的保護煤柱寬度較小,煤柱內部發育有漏風裂隙,導致8202采空區遺煤存在自燃風險。

圖1 8204綜放工作面位置示意

8204綜放工作面回采期間面臨的本采面采空區遺煤自燃以及鄰近采空區內遺煤自燃問題,依據現場情況提出強化監測監控、注氮、注三相泡沫方式防滅火;針對鄰近采空區內遺煤自燃問題,采用注氮、注漿封堵等方式進行防滅火,確保了8204綜放工作面安全回采。

2 綜放防滅火技術應用

2.1 8204綜放工作面防滅火技術

2.1.1 束管及人工監測

在8204綜放工作面正常回采期間,定時對2204回風巷內CO含量進行測定,在回風隅角側深入到采空區2～5 m范圍布置CO探頭實現CO體積分數實時監測,探頭隨采面推進而移動。在2204回風巷及5204進風巷深入到采空區30～90 m范圍內布置不是束管,實現采空區內氣體成分實時監測。

在采面正常回采期間,每天對采面回風流、回風隅角位置CH4、O2及CO等體積分數、測點溫度等進行檢測;在采面中上部間隔10個液壓支架布置1個檢測點,即在100號、110號…190號支架位置分別布置檢測點,對檢測點位置CH4、O2及CO等體積分數及溫度進行檢測。具體束管及人工檢測點布置如圖2所示。

圖2 束管及人工檢測點布置示意(單位:m)

2.1.2 采面端頭封堵及注氮

8204綜放工作面每推進30 m,用抗靜電編織袋內裝煤對上、下端頭封堵,通過構筑擋風墻減少采空區漏風量。在進風巷及回風巷擋風墻頂部均預留有防滅火管路。在進風巷及回風巷內均布置注氮管路,注氮管路出口進入到采空區30～120 m時開始持續注氮,采空區內間隔30 m布置3個出氮口;在回風巷布置一趟灌漿管路,采空區內布置3個灌漿管路,出口間距均為30 m,當灌漿口埋入到采空區內10 m后即開始注漿,埋入到采空區100 m后即停止注漿。

灌漿漿液水土比控制在(4∶1)～(6∶1),三相泡沫添加量為黃土用量的0.2%～0.5%.每班灌注3 h,確保每天黃泥漿灌注量在180 m3以上。

2.1.3 回風巷高位灌漿孔

在回風巷超前采面70 m開始通過高位鉆孔,通過高位鉆孔分別向采面130號、150號及170號支架上覆進行超前灌漿,布置方案如圖3所示,具體鉆孔布置參數如表1所示。灌漿鉆孔終孔布置在煤層頂板5 m以上位置。當鉆孔終孔進入到采空區10 m后開始灌注三相泡沫進行防滅火,以便消除采面中上部遺煤自燃風險,并控制上隅角位置CO氣體。

圖3 注氮及灌漿系統布置示意

表1 高位灌漿鉆孔布置參數

高位灌漿孔施工采用“鉆套一體化”工藝,鉆進時采用內徑、外徑分別為50 mm、75 mm的鉆桿配93 mm金剛石鉆頭鉆進,鉆孔鉆進到位后對孔口段8 m范圍進行封孔。

高位灌漿孔每天注漿量Q可通過公式(1)計算:

Q=ηKmLH

(1)

式中:η為灌注三相泡沫時漿液需求量,取0.33;K為孔隙率系數,無量綱,取0.1;m為鉆孔終孔覆蓋采空區內浮煤厚度,取4.16 m;L為鉆孔覆蓋采空區內走向寬度,3.5 m;H為鉆孔覆蓋采空區傾向寬度,145 m.

依據8204綜放工作面高位灌漿鉆孔布置參數,將上述參數帶入到公式(1)即可求得Q=70.4 m3.經上述計算得到高位鉆孔每天注漿量應在70.4 m3以上,高位灌漿孔布置示意如圖4所示。

圖4 高位灌漿孔布置示意

2.2 8202采空區遺煤防滅火技術

2.2.1 8202采空區注氮

通過向8202采空區持續注氮,不僅可起到降低采空區內氧氣體積分數、惰化采空區目的,而且可通過注氮平衡2204回風巷與8202采空區間壓力差,減少8202采空區向2204回風巷漏風量。綜合考慮8202采空區與2204回風巷壓差變化情況、8202采空區原有注氮系統,設計使用2204回風巷、5202進風巷內2套注氮系統相結合方法進行注氮。

通過5202進風巷內注氮系統調節8202采空區與2204回風巷壓差,避免壓差波動范圍過大。當8202采空區氣體成分出現異常時,利用2204回風巷原有注氮管路、小煤柱上注氮鉆孔向8202采空區持續進行注氮。

2.2.2 8202采空區注入黃泥固結劑

黃泥固結劑是一種強度高、固結范圍廣以及收縮性小的高分子材料,使用黃泥固結劑固結8202采空區靠近小煤柱冒落巖體并封堵小煤柱靠近采空區側漏風裂隙。在2204回風巷內按10 m間隔布置1組注漿鉆孔,每組注漿鉆孔布置1個高位鉆孔、1個低位鉆孔,具體鉆孔布置如圖5所示。高位鉆孔開孔距巷道底板2 m、仰角30°、深入到8202采空區5 m以上,主要起到固結采空區冒落矸石目的、封堵冒落矸石內漏風裂隙;低位鉆孔開孔距巷道底板1.5 m、仰角10°、深度到8202采空區0.5 m,主要起到封堵小煤柱與8202采空區未被矸石充填空間并對小煤柱表面的漏風裂隙進行封堵。

圖5 注入黃泥固結劑鉆孔布置示意

黃泥固結劑灌注采用2ZBQ150/3注漿泵,并配套有QB500型攪拌機,注漿壓力控制在1～3 MPa.注漿使用的材料包括有黃土、水、固結劑、激發劑等,其中黃土、固結劑設計配比為4∶1,黃土、固結劑充分混合后形成混料;混料與水按照1∶0.6～0.8配比形成液態混料;液態混料中按照2%質量比添加激發劑。

3 綜合防滅火應用效果分析

通過采區綜合防滅火技術措施后,有效減少了8202采空區、8204采空區內遺煤自燃對8204采面回采影響。8204綜放工作面在回采期間通過人工檢測、束管監測等對采空區遺煤自然發火情況進行監測,并通過采空區注氮、灌漿、上下端頭封堵以及高位灌漿等措施,實現采空區及時惰化、減少采空區漏風;8202采空區采用的注氮、灌注黃泥固結劑等措施實現了采空區與2204回風巷間壓差平衡并實現采空區、小煤柱漏風裂隙封堵,有效抑制8202采空區遺煤自燃。具體2204回風巷回風隅角CO體積分數監測結果如圖6所示。

圖6 2204回風巷回風隅角CO體積分數監測結果

現場應用后,8204綜放工作面在后續回采期間回風隅角位置CO體積分數始終保持在24×10-6以內,8204采空區及鄰近的8202采空區內遺煤未見有自然發火問題,表明采取的綜合防滅火技術取得較好效果,可為8204綜放工作面安全回采創造良好條件。

4 結 語

1) 8204綜放工作面采用6 m小煤柱護巷,受煤柱內部裂隙發育、采空區內遺煤量大等影響,采面回采受本采面采空區以及鄰近采面(8202采空區)遺煤自燃影響。為實現煤炭安全回采,依據8204綜放工作面地質條件以及開采現狀綜合注氮、灌漿等技術手段治理8202采空區、8204采空區遺煤自燃問題。

2) 在8204綜采工作面應用監測+注氮+灌漿+上、下端頭封堵+回風巷高位鉆孔灌漿等方法防滅火,通過惰化、改變遺煤自燃條件以及減少漏風等防治遺煤自燃。在8202采空區采用注氮+注入黃泥固結劑方式防滅火,通過注氮實現采空區惰化并減少8202采空區與2204回風巷間氣壓差;通過注入黃泥固結劑充填采空區靠近小煤柱冒落巖體并封堵小煤柱表面漏風通道,減少8202采空區漏風。

3) 綜合防滅火技術措施后,8204綜放工作面推進期間回風隅角位置CO體積分數始終保持在24×10-6以內,8204采空區及鄰近的8202采空區遺煤均未有自然發火征兆,表明現場采取的防滅火措施取得較好效果,可為8204綜放工作面回采創造良好條件。