近距離煤層群開采沿空留巷工作面防滅火技術(shù)研究

辛宗澤

(山西汾西工程建設(shè)有限責(zé)任公司,山西 孝義 032300)

沿空留巷在減少巷道掘進工程量、提升煤炭資源采收率、緩解礦井采掘接替緊張局面等方面表現(xiàn)出顯著優(yōu)勢[1-2]。但是受留巷工藝限制,沿空留巷工作面面臨漏風(fēng)嚴(yán)重問題,當(dāng)開采煤層有自然發(fā)火傾向,工作開展時需要重點解決的問題就是防止采空區(qū)遺煤自燃[3]。采空區(qū)內(nèi)遺煤自燃的因素包括采空區(qū)內(nèi)有遺煤、采空區(qū)口風(fēng)以及遺煤蓄熱氧化等[4]。眾多學(xué)者對沿空留巷工作面防滅火技術(shù)展開研究,并提出綜合采用均壓通風(fēng)、減少留巷段漏風(fēng)、灌漿、注漿、噴灑阻化劑等方式進行滅火,現(xiàn)場也取得較好應(yīng)用成果[5-8]。山西某礦井田開采范圍內(nèi)有多層煤層,屬近距離煤層群開采,所采煤層均有自然發(fā)火傾向性。3506綜采工作面回采5號煤層,煤層自然發(fā)火傾向性為I類,采面運輸巷采用無煤柱留巷方式并通過澆筑柔性混凝土墻提高留巷效果,但留巷期間受漏風(fēng)量大、采空區(qū)遺煤量大等因素影響,采空區(qū)遺煤存在較大的自然發(fā)火危險性,因此需針對3506綜采工作面現(xiàn)場情況針對性制定防滅火技術(shù),確保采面得以安全高效回采。

1 工程概況

3506綜采工作面設(shè)計走向推進長度為1 880 m、傾向斜長為230 m,采面上覆15 m為4號煤層3403、3405采空區(qū),下覆25 m為未回采的7號煤層。3506綜采工作面設(shè)回采的5號煤層賦存穩(wěn)定,厚度均值為4.3 m,采用大采高開采工藝全部垮落法管理頂板。5號煤層自然發(fā)火傾向性為I類,自然發(fā)火期最短為52 d,煤層頂?shù)装鍘r性以粉砂巖、砂質(zhì)泥巖以及炭質(zhì)泥巖等為主。

3506材料巷采用沿空留巷技術(shù)保留下來為下一采面生產(chǎn)服務(wù),巷道設(shè)計凈寬為5.4 m、凈高為3.6 m,采面回采時在運輸巷正幫澆筑柔性混凝土墻體進行留巷。留巷段巷道凈寬為4.4 m、砌筑的混凝土墻體為1.2 m,具體在柔性混凝土墻體在采空區(qū)內(nèi)、材料巷內(nèi)寬度分別為0.2 m、1.0 m.留巷后采面采用Y型兩進一回通風(fēng)方式,采面供風(fēng)量為1 800 m3/min,其中進風(fēng)巷、材料巷配風(fēng)量分別為1 320 m3/min、480 m3/min.具體采面通風(fēng)路線見圖1.采用Y型通風(fēng)時,采面通風(fēng)負(fù)壓點位于留巷段內(nèi),從而導(dǎo)致采空區(qū)漏風(fēng)嚴(yán)重,加之采面上覆3403、3405采空區(qū),容易誘發(fā)采空區(qū)內(nèi)遺煤自燃,因此應(yīng)針對3506綜采工作面現(xiàn)場情況制定防滅火技術(shù)措施。

圖1 采面通風(fēng)線路

2 采面采空區(qū)遺煤自然發(fā)火因素分析

3506綜采工作面采用沿空留巷技術(shù)后會增大采空區(qū)漏風(fēng)量,為采空區(qū)遺煤氧化自燃持續(xù)供氧,極易導(dǎo)致采空區(qū)遺煤自燃。結(jié)合3506綜采工作面回采工藝、煤層賦存條件、上覆4號煤層采空區(qū)等情況,分析采面推進速度慢、柔性混凝土墻體漏風(fēng)、地表漏風(fēng)以及采空區(qū)內(nèi)遺煤量大等是導(dǎo)致采空區(qū)遺煤自然發(fā)火的主要誘因。具體為:

1) 在留巷段柔模混凝土墻體施工期間,墻體部位位置與采空區(qū)間存在漏風(fēng)縫隙,如兩段柔模混凝土墻體連接處、墻體與留巷段頂板連接處、預(yù)埋件與墻體間縫隙等。同時隨著采面推進,柔模混凝土墻體孔隙在礦壓作用下增大,在通風(fēng)負(fù)壓影響下采空區(qū)漏風(fēng)量增大會導(dǎo)致上覆4號煤層采空區(qū)漏風(fēng),為采空區(qū)內(nèi)遺煤氧化提供了氧氣。

2) 3506綜采工作面回采的5號煤層自然發(fā)火期最短為52 d,而采面在回采期間受柔模混凝土墻體施工以及地質(zhì)構(gòu)造等影響,導(dǎo)致局部推進速度緩慢,從而為采空區(qū)遺煤蓄熱氧化提供了時間;當(dāng)采面推進速度小于采面最小安全推進速度時,極易引起采空區(qū)內(nèi)遺煤自燃。

3) 3506綜采工作面設(shè)計采高為4.3 m,采面回采巷道高度均為3.6 m,在靠近采面兩端頭10架內(nèi)采面采高逐漸降低,從而導(dǎo)致采空區(qū)內(nèi)靠近回采巷道附近存在大量遺煤;同時在部分構(gòu)造影響區(qū)內(nèi)通過留頂煤方式回采,增大了采空區(qū)內(nèi)遺煤量。

4) 3506綜采工作面埋深均值為190 m,埋深較大,同時采面上覆有4號煤層采空區(qū),采面回采后會導(dǎo)致地面沉陷并容易形成與地表聯(lián)通的漏風(fēng)裂隙。漏風(fēng)裂隙為采空區(qū)遺煤持續(xù)供氧,從而增大了遺煤自然發(fā)火危險性。

3 綜合防滅火技術(shù)應(yīng)用分析

3.1 綜合防滅火技術(shù)措施

為預(yù)防3506綜采工作面留巷期間采空區(qū)遺煤出現(xiàn)自燃問題,提出下述綜合防滅火措施。

3.1.1 采空區(qū)注氮

通過留巷段柔模混凝土墻體上預(yù)留的注氮孔(或注漿孔)、氣體觀測孔進行注氮,布置的注氮管管長為1 700 mm、管徑108 mm,距留巷段底板400 mm、外露長度為200 mm;留巷段間隔150 m布置1組注氮孔。在柔模混凝土墻上留設(shè)的觀測管孔徑為40 mm、孔長1 700 mm、端頭外露長度為300 mm,在觀測管端頭布置2道閥門,按照150 mm間距布置1組觀測孔。具體注氮管路布置情況見圖2.

圖2 注氮管路布置

在3506綜采工作面推進期間,若發(fā)現(xiàn)采空區(qū)出現(xiàn)氧氣體積分?jǐn)?shù)超過7%或者遺煤溫度升高、CO超限等情況時,即通過預(yù)埋的注氮管向采空區(qū)內(nèi)持續(xù)注氮。

3.1.2 灌漿

灌漿系統(tǒng)是向采空區(qū)內(nèi)進行持續(xù)灌漿,通過漿液覆蓋采空區(qū)內(nèi)遺煤,起到隔絕氧氣與遺煤接觸、降低遺煤溫度效果。在3506綜采工作面留巷回采期間,若采空區(qū)存在遺煤自然發(fā)火征兆時,則立即對不接頂區(qū)進行灌漿封堵并對采空區(qū)進行持續(xù)注漿,避免采空區(qū)內(nèi)高濃度瓦斯、CO等有害氣體通過縫隙進入留巷段內(nèi)。

采空區(qū)灌漿采用的漿液主要成分包括促凝劑、水及基料,具體質(zhì)量配比為0.4∶8.6∶1,灌漿采用型號NJB-100/10-G灌漿泵,并通過施工Φ93 mm灌漿孔實現(xiàn)采空區(qū)大范圍灌漿,具體布置的灌漿孔間隔為6 m、孔深為50 m,布置情況見圖3.

圖3 采空區(qū)灌漿示意

3.1.3 井上下漏風(fēng)裂隙封堵

1) 對柔模混凝土墻體容易出現(xiàn)縫隙漏風(fēng)裂隙的位置(如接頂位置、預(yù)埋件與墻體間縫隙以及混凝土墻體接縫處等)通過人工涂抹水泥砂漿封堵,封堵完成后采用噴漿機進行全斷面噴漿,噴漿層厚度為100 mm;在采面回采期間對留巷段質(zhì)量進行檢測,發(fā)現(xiàn)有漏風(fēng)裂隙時進行人工封堵及噴漿。

2) 安排專人負(fù)責(zé)采面地表裂隙回填封堵工作, 發(fā)現(xiàn)裂隙后進行封堵,滯后采面距離不應(yīng)超過50 m.

3) 封堵采面上下端頭位置,具體在采面上下端頭直接與巷道壁間通過錯縫砌筑由沙袋構(gòu)成的墻體,墻體寬度在2 m以上并應(yīng)確保墻體與頂?shù)装褰佑|密實;采面推進過程中按照30～50 m間隔布置1道封堵墻體。

3.1.4 強化監(jiān)測

1) 人工監(jiān)測。在留巷期間,每班均需安排1名專職瓦檢員對留巷作業(yè)點、采面及回風(fēng)流等位置的瓦斯體積分?jǐn)?shù)進行跟蹤檢測;監(jiān)測留巷段內(nèi)及采空區(qū)內(nèi)溫度、風(fēng)流、CO及瓦斯等參數(shù)。

2) 留巷段質(zhì)量檢查。對留巷段柔模混凝土墻體質(zhì)量進行檢查,重點對墻體接頂及接底情況、兩段混凝土墻體間是否存在縫隙、巷道頂?shù)装迨欠裼锌p隙等進行檢查,發(fā)現(xiàn)隱患后組織專人進行噴漿處理。

3) 防滅火監(jiān)控。應(yīng)強化采面、留巷段、回風(fēng)隅角等處瓦斯、溫度、CO傳感器維護,監(jiān)測的數(shù)據(jù)應(yīng)報總工程師審閱,出現(xiàn)異常時應(yīng)采取針對性的應(yīng)對措施,強化井下束管監(jiān)測系統(tǒng)維護以及氣體成分分析。

3.2 防滅火效果分析

在3506綜采工作面留巷回采期間跟蹤監(jiān)測采面內(nèi)瓦斯、CO體積分?jǐn)?shù)及溫度,采空區(qū)內(nèi)O2、CO體積分?jǐn)?shù),當(dāng)發(fā)現(xiàn)采空區(qū)遺煤有自然發(fā)火征兆時即進行注氮、灌漿等防滅火措施。采面回采推進期間,采空區(qū)內(nèi)O2、CO體積分?jǐn)?shù)變化情況見圖4.

圖4 O2、CO體積分?jǐn)?shù)變化曲線

從圖中看出,受采空區(qū)遺煤量大以及漏風(fēng)等多重因素影響,在推進至100～200 m范圍(即監(jiān)測0～18 d時間)內(nèi)采空區(qū)CO體積分?jǐn)?shù)快速增加,后通過采用注氮、灌漿等防滅火技術(shù)措施后,采空區(qū)遺煤自燃氧化進程得以較好抑制,采空區(qū)內(nèi)CO體積分?jǐn)?shù)雖然在短期增加但是之后快速降低,同時采空區(qū)內(nèi)O2、CO體積分?jǐn)?shù)整體呈現(xiàn)下降趨勢。在整個采面回采期間,回風(fēng)流中CO體積分?jǐn)?shù)始終在10×10-6以內(nèi),表明現(xiàn)場采用的防滅火技術(shù)措施取得了較好的應(yīng)用成果。

4 結(jié) 語

1) 對3506綜采工作面對采面沿空留巷開展期間采空區(qū)遺煤自然發(fā)火影響因素進行分析,發(fā)現(xiàn)留巷段柔模混凝土墻體漏風(fēng)、采空區(qū)遺煤量大、回采煤層具有自然發(fā)火傾向性、地表漏風(fēng)裂隙等是誘發(fā)采空區(qū)內(nèi)遺煤自然發(fā)火的主要因素。

2) 在礦井已有的防滅火技術(shù)措施基礎(chǔ)上,提出以減少采空區(qū)漏風(fēng)為主的防滅火技術(shù)措施,并通過采用注氮、灌漿等措施進行遺煤自然發(fā)火防治,通過封堵留巷段漏風(fēng)裂隙、采面端頭布置擋墻、封堵地面漏風(fēng)裂隙等減少采空區(qū)漏風(fēng)量;當(dāng)有遺煤自然發(fā)火征兆時則及時進行注氮、灌漿。

現(xiàn)場應(yīng)用后,3506綜采工作面回采期間回風(fēng)流中僅有局部位置監(jiān)測到CO,且采取防滅火技術(shù)措施后,回風(fēng)流中CO體積分?jǐn)?shù)最高僅為10×10-6,表明現(xiàn)場采用的防滅火技術(shù)措施可有效抑制采空區(qū)遺煤自燃,為采面煤炭安全高效回采創(chuàng)造良好條件。