自燃煤层开采方法的探讨

2015-05-08危凯庆胥加强

江西煤炭科技 2015年3期

康冰，危凯庆，胥加强

（1.宜丰县棠浦第六煤矿，江西宜丰3363004；2.江西棠浦煤业有限公司，江西宜丰3363004）

1 矿区煤层特征及开采存在的问题

1.1 特征

矿区位于棠浦二井田（6勘探线至10勘探线之间）内，主要包括棠浦第二煤矿、王家煤矿、棠浦第六煤矿。矿区含煤地层为三叠系上统安源组，共有3＃、4＃、5＃、7＃、9＃、10＃、11＃等7层可采煤层。可采储量为196.3万吨。主要开采3＃、4＃、5＃、9＃、11＃煤层，为低～中灰、高热值、高挥发分、特低硫、特低磷气煤（QM－45）。各煤层瓦斯含量低、二氧化碳含量高；煤尘具有爆炸性，煤层自燃倾向性属Ⅱ类，发火期1～6个月，硬度系数f＝1.5～2，有夹矸，容重1.35t／m3；煤层平均倾角大于60°。煤层底板为灰黑色粉砂岩、岩性坚硬，胶结紧密，并充填少量泥岩，顶板为砂质页岩及泥岩互层，水平层理、节理均较发育。

1.2 煤层开采中存在的问题

（1）煤层自燃倾向性属Ⅱ类，发火期短，工作面易发生CO超限及火灾事故，严重影响矿井采掘正常接替。

（2）煤层倾角大，而且煤层薄，给采煤方法改革带来困难。（3）矿井采用木支护等非正规采煤方法开采，成本高，隐患多。

（4）矿井开采过程中，出现过数10次的明火及一氧化碳超限等现象。2006年4月，棠浦第六煤矿在－220m水平回采5＃煤时，由于－190m水平回风巷着火，逼迫停产密闭。2008年至2012年间，第六煤矿在－160m水平回采5＃煤、－280m水平11＃煤，第二煤矿在－200m水平回采4＃、11＃煤，王家煤矿在－260m水平回采3＃、9＃煤采用木支护采煤，回采工作面因CO超限或着火被迫停产封闭。其原因为：① 煤层本身具有自燃倾向性；② 巷道布置不合理；③ 工作面推进速度慢；④ 巷道断面设计不规范，通风阻力大；⑤ 采煤方法选择不正确，采空区处理不及时；⑥ 防火措施未到位。

（5）无奈之下，采用以掘代采，维持近一年矿井生产。为了解决这一矛盾，第六煤矿工程技术人员，转变观念，认真总结教训，研究探索，并向江西棠浦煤业有限公司技术部寻求解决方案。对－280m水平9＃煤层柔性掩护支架采煤工作面防灭火进行实践探索，改进了采煤方法，取得了一定成效。

2 柔性掩护支架采煤法的应用

2.1 选择依椐

（1）煤层倾角。煤层倾角变化直接影响采煤工作面落煤方法、采场支护和采空区处理等，还影响巷道布置、通风及采煤方法各种参数确定。矿区煤层平均倾角大于60°。

（2）煤层厚度。煤层厚度直接影响采煤方法及采空区处理，特别易自燃煤层更要考虑采空区处理办法。矿区煤厚平均1.6～2.2m。

（3）煤层及围岩特征。煤层结构特征及围岩稳定性等也直接影响采煤工艺及采区各种参数的确定。5＃、9＃、10＃、11＃煤层结构单一性，围岩较稳定。

（4）煤层地质构造特性。埋藏条件与煤层稳定性是选择综采与普采首要条件。全面掌握开采范围内构造有利采煤方法确定。矿区地质构造为单斜构造，5＃、9＃、10＃、11＃煤层较稳定。

（5）煤层自燃性及瓦斯涌出量情况。煤层自燃及发火期直接影响巷道布置、巷道维护及采煤工作面推进方向。矿区属瓦斯矿井，经鉴定，煤尘具有爆炸性，煤层自燃倾向性属Ⅱ类，发火期短。

（6）技术装备水平、管理水平及从业人员素质等。

2.2 实践与应用

根据煤层的特点及地质情况，煤层倾角大于60°，煤层赋存稳定，没有断层影响，选用金属柔性掩护支架采煤法最优。

（1）巷道布置。－280m水平集中运输巷及－250m水平集中回风巷均布置在煤层底板，离煤层约12m，通过上、下石门甩道穿煤，东、西两翼开采，走向各布置200m，实行前进式开拓，后退式回采。目前回采工作面位于－280m水平一号石门东翼9＃煤层，其标高位于－252m～－278m；随着工作面推进，在下部运输巷每隔10m开一组伪倾斜上山，与采区顺槽贯通，在采区顺槽边界沿煤层按伪倾斜25°坡度，掘断面为4.2m2的梯形上山，与回风巷（与上水平留设标高8m防火煤柱）贯通，形成采区正规通风系统。工作面采用短壁切眼斜长30m，安装掩护支架用。采区平均煤厚1.8m，可采储量15100t，工作面服务年限5个月，工作面配风量285m3／min，工作面布置见图1。

图1 棠浦第六煤矿工作面布置及剖面示意

（2）采区参数设定。根椐矿区地质特点、矿井技术力量及管理水平选择：采区采用双翼布置，以石门为中心，一翼走向布置200m，斜长30m；各区段之间留有8m煤柱，避免台阶工作面串联通风。坚持自上而下开采顺序。用金属柔性掩护支架采煤法，采用U型通风方式，每月回采3000t；工作面控制服务年限在5个月内。计划在发火周期内采完，控制煤层自燃。

（3）支护方式选择及支架规格（见图2）。

图2 柔性掩护支架示意

① 采用11＃矿工钢制作成四边型柔性掩护支架。

② 最大高度为1.8m，最大宽度为2m，支承压力30～40kN。

③20.5mm钢丝绳联接。每边都钻有U型卡的2个孔，用Φ14mm的“U”长杆螺栓栓紧，使钢丝绳与钢梁形成整体，其长度必须大于工作面的长度，顶壁长0.48m，中臂长0.56m，长臂长1.16m，底臂长0.41m（见图2）。

④ 采用外注式单体液压支柱调整支架，间距2m／根。

（4）回采工艺。回采工艺分为准备回采（初次放架）、正常回采（正常放架）、收尾（结束下放）3个阶段。

准备回采是在回风平巷内安装掩护支架，并逐步下放支架使工作面成伪倾斜工作面，为正常回采做准备。正常回采是在支架铺好后在支架下采煤，支架的下放步距，主要取决于架子的宽度，一般情况下，一次下放步距0.6～1.0m，沿走向推进1.2～2.0m ，工作面由下而上逐段铺设搪瓷溜槽下煤，为保证支架下放质量和支架的完好，尽可能实行全工作面一次爆破。当煤质松软，工作面较长时，实行全工作面一次爆破，容易发生松散煤堵塞断面造成风流不畅，此时应采用分段打眼放炮出煤，每段长约15～20m。在生产过程中，如遇有断层，支架悬空，串矸等情况，必须及时处理。若发生支架沿走向弯曲、歪斜或其角度超过作业规程规定时，在下一次放架过程中，必须进行调整，支架上的螺丝和附件应经常检查，如有松动须及时拧紧。掩护支架接近顺槽（平巷）时，应在缩短每次下放支架距离的同时，减少同时放炮的炮眼数目和装药量。掩护支架过顺槽时，溜煤眼和顺槽的连接处应加强支护。

随着工作面向前推进，前方在回风巷内要不断地安装接长架子，而在后方放成水平状态（在下部小顺槽内）的架尾，则要及时进行回收。当工作面上部接近采区收尾上山时，应预先在工作面收尾边界线一侧掘一对收尾上山眼，然后加大工作面上部的下放步距，缩小工作面下部的进尺，从而逐渐缩小工作面的长度。

当工作面放平后回收架尾时，要先将断面两帮扩大，用点柱支撑住钢梁，而后卸下钢丝绳，取下钢梁，经小眼送至运输平巷后，运到回风巷以备继续使用，拆架的地点到下拐点之间，应保持3个小眼的距离，以供溜煤、行人、通风和运料，其余的小眼采后应及时封闭。

（5）采空区防火处理

①矿井开采准备期内必须构建完整的灌浆系统。棠浦煤矿回风侧建立的井下三相阻化泡沫防灭火系统，把黄泥浆和高效化学阻化剂结合在一起，产生出高性能的三相阻化泡沫，最大地发挥了三者防灭火优点。该系统每小时能将约100m3以上的泥浆泡沫注入防灭火区域，通过覆盖阻化浮煤，充填采空区，封堵漏风，已在棠浦煤矿取得了显著成果。

②以风控火工作面采取U型通风方式，必须保证巷道断面不缩小，通风畅通，合理分配工作面风量，调节工作面压差，严格控制工作面尾部漏风，阻止空气流入和渗透至疏松的煤体，消除自燃的供氧条件。

③ 及时封闭采空区。采后及时封闭，建立防火密闭，减少采空区漏风。停工期间，在总进风巷进行永久密闭，恢复生产时按措施重新启封。

④减少采空区遗煤和支架背上漏风。在保证安全情况下缩小上下区段间的隔离煤柱高度，并保证工作面安装完成后及时清理巷道内的浮煤，同时在回采期间定期将架子上的顶煤全部放下来。这样既减少了煤炭的损失量，提高了回采率，又减少了采空区遗煤，特别是支架背上的垫层煤。

工作面摆架子时，在架背上铺一层胶皮风筒布，并用木板条在支架的间隙处将风筒压好，在风筒布上再铺一层均匀的黄泥。架子下放后，黄泥与风筒布形成了一个再生顶板，支架背向采空区的漏风大大减少。

⑤ 保证回采进度。在数量上限制在不燃风量之下，在时间上控制在自然发火期以内。只有破坏蓄热环境和缩短浮煤氧化的时间，使采空区的“氧化带”在最短的时间内变成“窒息带”，最直接的方法是提高工作面的推采速度。根据近几年来自然发火地点、次数与回采进度的统计分析得知，工作面月推进度应不少于35m，采空区即不会有明显自燃征兆出现。因此，为了保证安全生产，应保证工作面的正常推进度，严格控制工作面停采时间。

⑥ 采用全部垮落法管理顶板。要及时充实采空区，特别对上、下隅角顶板更应强行放齐放透，避免形成较大空洞，减少采空区局部漏风。

⑦ 强化管理，加强检测。在工作面、回风巷及密闭处安装CO、CH4、温度传感器，实行24h监控。每班瓦检员对各处必须重点检测，专项汇报，并建立台帐，定期分析。