高水材料沿空留巷防漏风技术在孤岛工作面开采中的应用

李臣武

贵州职业技术学院 建筑工程学院, 贵州 贵阳 550023)

沿空留巷孤岛工作面一般为工作面外段已先行开采,且运输巷和回风巷外段均进行沿空留巷,里块区域赋存有可开采的煤炭资源块段,资源块段周围已被开采并形成采空区,剩余煤炭块段形成孤岛。孤岛工作面回采过程中,因外段运输巷和回风巷之间已成为采空区,采空区与进风巷和回风巷相邻[1],采空区不同程度存在漏风现象[2],漏风是采空区遗煤自燃的主要因素之一,漏风为遗煤氧化自燃提供氧气[3],可引发采空区煤炭自燃[4]. 采空区浮煤长期处于漏风供氧状态,给矿井防火工作带来了较大难度[5]. 由于采空区遗煤氧化具有隐蔽性,采煤工作面的遗煤自然发火潜在危险将越来越大[6]. 《煤矿安全规程》(2022版)第一百五十三条规定:“采掘工作面的进风和回风不得经过采空区或者冒顶区,无煤柱开采沿空送巷和沿空留巷时,应当采取防止从巷道两帮和顶部向采空区漏风措施[7]. 根据规定,运输巷和回风巷沿空留巷形成采空区的灾害防治重点是预防采空区漏风,防止采空区遗煤氧化自燃。沿空留巷防止采空区漏风的主要措施通常采用构筑巷旁充填墙,巷旁充填墙的关键作用是隔离留巷和采空区,防止留巷内新鲜风流进入采空区引起煤层自燃[8]. 龙宝煤矿11205工作面外块段已回采结束,运输巷和回风巷外段均实施了高水材料巷旁充填沿空留巷。里块回风巷、运输巷及切眼周边留有煤柱,里块采面回采期间,外块采空区的漏风管理和采空区防遗煤自燃是该面安全管理的重点。11205里块采煤工作面回采期间,采用示踪气体监测技术监测外块采空区漏风,安设束管监测系统对采空区自然发火征兆气体进行参数分析,从而保障里块孤岛工作面的安全高效回采。

1 工程概况

11205采煤工作面位于龙宝煤矿一采区北翼C12煤层第三区段,回风巷从开口掘进到288 m,运输巷掘进到301 m时两条巷道的煤层都变薄,厚度变为0.3～0.4 m,正常情况下,C12煤层厚1.45～3.00 m,平均厚度2.33 m,进入薄煤区后,煤层厚度变为不可采,但从工作面走向来看,采面走向还有900 m掘到采区边界。因前方变薄带长度和范围不清楚,煤层赋存缺乏可靠资料,而且当时矿井采掘接续较为紧张,决定从在煤层开始变薄处开切眼,采面外块段回风巷及运输巷均采用沿空留巷进行开采,先回采工作面外块段,在下区段11207采煤工作面以及上覆C8煤层开采时,对11205采煤工作面里块段进行钻探补充勘察,查清里块孤岛工作面赋存的煤炭资源。通过钻探和对比分析,确定薄煤区实际长度为80 m,里块走向长810 m段煤层厚度较为稳定,为可采区域,对风运巷外段沿空留巷进行巷道恢复,继续将上下巷掘进到采区边界并形成生产系统。该工作面采用综采工艺回采,U型通风方式进行通风[9],工程平面图见图1.

图1 11205里块采煤工作面工程平面布置图

2 工作面两巷高水材料沿空留巷

2.1 沿空留巷方案论证

沿空留巷是指采煤工作面开采后沿采空区边缘维护原回采巷道的一种无煤柱开采技术。经过多年的探索和发展,我国沿空留巷已形成矸石墙、密集支柱、木垛、矸石带以及巷旁充填(矸石充填、高水充填、膏体充填等)等多种形式的巷旁支护结构,提出了木棚、工字钢梯形棚架、U 型钢可缩性棚架、锚杆支护以及锚梁网索联合支护等巷内支护形式[10],巷旁支护和巷内支护共同维护巷道的稳定。当前主流沿空留巷方式主要有柔模混凝土沿空留巷、切顶卸压自动成巷、高水材料巷旁支护沿空留巷。柔模混凝土沿空留巷墙体接顶效果差、被动承载,需后期补喷浆,顶板来压时喷浆料易破碎,不利于巷道与采空区隔绝,采空区漏风严重,易引发采空区遗煤自然发火,漏风还有可能造成采空区积聚瓦斯大量涌出;切顶卸压自动成巷需挂设挡风帘及挂网喷浆等,需待顶板垮落稳定后才能喷浆密闭采空区,且喷浆后在二次采动的影响下易产生裂隙,采空区遗煤有自燃风险的不适合采用该技术,不适用高瓦斯矿井和煤层易自燃矿井;高水材料巷旁支护的支护体增阻速度快、支护阻力大,与工作面生产平行作业,不影响工作面生产;高水材料充填体接顶效果好,主动承载,采空区密闭性好,自然发火威胁较小;高水巷旁充填材料具有早强性,膨胀性,能满足支撑前期顶板活动要求,具有施工工艺简单、强度增长快、成本低等突出优势,通常被大范围使用[11],高水材料分甲料、乙料两组分,甲料、乙料单独与水混合 24 h 不凝结,而甲料浆和乙料浆一旦相互混合则快速硬化[12],能实现巷旁支护和密闭采空区有机结合。该矿C12煤层自燃倾向性等级为Ⅱ级自燃煤层,煤层属高瓦斯煤层,无突出危险性,无煤尘爆炸性。C12煤层具有自燃属性,需防止采空区遗煤自燃,并采取相应措施降低煤层自燃风险。由于高水充填材料巷旁充填体能够做到充分接顶,留巷后变形顶板与充填体接触密实、漏风率较低,11205运输巷和回风巷外段沿空留巷采用高水材料巷旁支护技术进行实施,11205运输巷和回风巷沿空留巷支护断面见图2,图3.

2.2 高水材料沿空留巷实施

11205运输巷和回风巷掘进断面均为梯形断面,断面净宽4.4 m,中高2.7 m,净断面11.88 m2,支护采用锚杆(索)+铁丝网+钢带联合支护,锚杆间距0.8 m,排距0.8 m,顶锚杆使用φ20 mm×2 500 mm的螺纹钢筋锚杆,两帮采用φ20 mm×2 000 mm的树脂锚杆,锚杆托盘规格为:150 mm×150 mm×10 mm(厚)。锚索间距1.6 m、排距1.6 m,锚索规格为φ17.8 mm×7 300 mm,锚索托盘采用300 mm×300 mm×15 mm(厚)的托盘。沿空留巷采用中深孔预裂爆破技术进行切顶卸压,切顶孔深10 m,间距1.6 m.

图2 11205运输巷沿空留巷断面图

图3 11205回风巷沿空留巷断面图

根据11205工作面运输巷、回风巷外段的顶板岩层情况,结合巷旁充填体与顶板相互作用的力学模型分析,应用理论公式计算得出工作面运输巷充填体的切顶阻力为14.94 MN/m,回风巷充填体的切顶阻力为13.45 MN/m. 现场施工时,充填体平均强度按10 MPa考虑,则所需的充填体宽度理论计算值为运输巷1.49 m,回风巷1.35 m. 考虑巷道复用断面要求及安全系数,充填体置于巷内,初步设计运输巷巷旁支护体宽度为1.5 m,回风巷旁支护体宽度为1.4 m,后期根据留巷矿压观测结果再对巷旁支护体宽度进行优化、调整,靠采空区一侧充填体高度3.2 m、靠巷道的另一侧充填体高度2.8 m,平均高度3.0 m,水灰比1.5∶1. 留巷采用对拉锚杆对充填体进行加固,进一步增加充填体的承载能力和抗变形能力,更能满足沿空留巷的使用要求,安全性和可靠性更高。

高水充填材料甲料浆、乙料浆按1∶1比例配合使用,高水材料沿空留巷施工工艺为:工作面割煤→推溜→端头顶板铺网、工作面支架移架→架后充填区域靠采空区侧打密集单体液压支柱→充填区域上方顶板维护→清理支模空间→支模(打设护模单体液压支柱、挂钢筋网、挂充填袋、穿对拉锚杆、扎口、安装钢筋梯子梁、安装锚杆托盘螺母等)→泵站打水试泵→泵站上料搅拌→泵送浆液→清洗管路和注浆设备→拆除后方采空区单体支柱→准备下一循环。

3 沿空留巷采空区漏风监测及煤层自燃气体分析

3.1 沿空留巷区域采空区漏风分析

沿空留巷顶板岩层运动具有规律性,围岩变形、巷旁充填体变形以及支护体载荷的变化都与回采工作面的周期来压有密切关系。回采工作面后方20～40 m,巷道围岩变形速度较大;当周期来压引起工作面后方基本顶弧形三角板失稳时,巷道围岩及巷旁充填体产生剧烈变形,充填体承受载荷也剧烈增加。采空区侧的顶板岩层断裂、垮落时会对巷旁充填体顶部产生压力和冲击,甚至产生一定破坏,而沿空留巷侧的岩层顶板切顶一般不是完全规则的直线型,因此高水材料沿空留巷充填体顶部存在漏风现象,而充填体墙体中下部不会出现漏风现象。11205运输巷和回风巷外段均采用高水材料进行沿空留巷,在矿井通风负压的作用下漏风一般从高位能点流向低位能点,即从运输巷沿空留巷上帮顶部进入,经过采空区,从回风巷下帮充填体顶部流入回风巷,漏风量均随工作面倾向呈抛线状变化。C12煤层为Ⅱ级自燃煤层,11205运输巷和回风巷外段沿空留巷恢复以及里块回采巷道掘进、采煤工作面回采期间,外块采空区内的底板遗煤在漏风的氧化下有可能出现发火征兆,甚至会出现采空区火灾。因此11205里块工作面掘进及回采期间,外块采空区的漏风及内因火灾的监测将成为该工作面安全管理的重点。

3.2 沿空留巷区域采空区漏风监测

11205里块工作面掘进及回采期间对外块采空区的一项重要管控措施就是对采空区漏风进行监测。采空区漏风风流一般是从高压侧流向低压侧,采用SF6示踪气体进行监测,在运输巷上帮顶部释放SF6气体,在各回风地点取样分析,确定有无示踪气体以及观测气体浓度变化即可确定漏风通道和漏风量[13].

11205外块采空区SF6气体监测点布置:示踪气体释放点设置于外块停采线下口和停采线下口前120 m处,测量接收点分别设置于停采线上口往前5 m位置和100 m 位置两处。释放点和接收点布置见图4. 示踪气体释放检测方法分为连续定量和瞬时释放两种。现场试验采用连续定量法释放气体,在运输巷1#和2#释放点同时释放气体,释放15 min后,在1#接收点检测到SF6气体,释放20 min后,在2#接收点检测到SF6气体,从2#接收点往外每隔5 m加设一个检测点,连续检测6个点,均检测到SF6气体,可以定性说明采空区外块存在一定的漏风量。

11205里块采面回采期间,工作面设计配风量为1 500 m3/min,生产期间在外块采空区运输巷和回风巷分别布设测风点A、B、C、D,A点和D点位于停采线外侧,距停采线10 m,B点和C点位于采空区往里,距采空区边沿10 m. 经过现场人工测风,A、B、C、D四个点的实测风量分别为1 499.5 m3/min、1 465.3 m3/min、1 464.9 m3/min、1 499.35 m3/min,可知A点与D点的风量相近,B点与C点的风量相近,A点与B点的风量相差34.2 m3/min,C点与D点的风量相差34.45 m3/min. 经过数据对比得出,运输巷进入外块采空区的漏风和采空区进入回风巷的风量相近,11205里块采煤工作面无漏风现象。经过计算得出外块采空区的漏风率为2.28%,里块采煤工作面的有效风量率为97.72%,大于85%,符合《煤矿安全质量标准化标准及考核评级办法》的要求。在运输巷A点和B点之间每隔30 m增设一个临时测风点,并对各点进行测风,经过数据统计和分析得出由外往里采空区漏风量逐渐减小,漏风规律遵从于两点间负压守恒原理。通过漏风监测,测定漏风量和漏风通道,进一步采用高水材料进行堵漏和喷涂处理,做到最大限度降低采空区的漏风。

图4 SF6气体释放点和接收点布置图

3.3 沿空留巷区域采空区煤炭自燃指标气体分析

采空区防火的一项重点措施就是煤炭自燃指标气体的监测,11205采煤工作面自然发火重点监测区域是上下沿空留巷围成的外块采空区,建立以束管监测为主、人工取样为辅的气体监测体系。火灾预测的束管监测系统主要由地面气体分析中心和井下束管取样系统组成[14].

外块采空区的气体监测点设置在采空区上边沿,共设置 3 个监测点,束管监测点布置见图5,1号监测点距停采线10 m,2号监测点距停采线130 m,3号监测点距采空区里边沿10 m,监测束管沿回风巷下帮顶上敷设,由回风巷沿空留巷下帮向采空区预埋 3 芯束管,束管经一采区回风下山、回风斜井,再到地面气体分析中心的参数分析室,束管采样时分析人员在地面进行自动采样、自动分析[15]. 里块工作面掘进及回采期间,人工每天将外块采空区气体抽到地面分析室进行分析,每天分析3次,同时每天对采空区进行一次人工球胆取样分析,通过数据分析,准确掌握采空区气体情况,判断煤的自然发火状况和发展程度,及时作出预报预警[16]. 在里块采面工程掘进及回采期间,外块采空区的气体绝大多数时间处于正常状态,测试参数见表1. 在整个11205里块工作面采掘活动期间,外块采空区偶尔监测到CO,从未检测到乙烯和乙炔气体,CO最大浓度为32×10-6,小于矿井多年监测的C12煤层自燃临界值40×10-6,说明采空区遗煤未出现过自燃现象。针对采空区CO异常情况,采用从运输巷注氮的措施进行处理,逐步降低CO浓度,直到消失,有效防止采空区内因火灾的产生。

图5 11205外块采空区束管监测点布置图

表1 11205外块采空区煤炭自燃指标气体监测表

4 效果分析

11205外块运输巷和回风巷采用高水材料进行沿空留巷,在里块采面掘进及回采期间对采空区进行漏风测量和对煤层自燃征兆气体进行束管监测,得出有效风量率大于85%,符合煤矿通风质量标准化要求,里块采面在掘进及回采期间,外块采空区未出现过C2H4、C2H2等煤层自燃征兆性气体。11205里块采面走向长810 m,倾斜长205 m,可采储量60万t,里块采面采掘活动期间,因外块采空区的漏风及煤层自燃监测措施得当,里块工作面的采掘活动从未出现过因防灭火工作造成停产停掘现象。

5 结 论

1) 11205外块运输巷和回风巷沿空留巷采用高水材料作为充填体,实现了采煤工作面双巷沿空留巷,同时充分利用高水材料的密封性,有效减少了采空区漏风,降低采空区遗煤自燃的风险,并实现外块采空区漏风率符合《煤矿安全规程》和《煤矿安全质量标准化标准及考核评级办法》的要求,为里块孤岛工作面的开采提供了安全保障。

2) 采用SF6示踪气体监测和风运巷人工测风,定性定量地明确外块采空区漏风问题,并进一步掌握采空区漏风的规律,为降低采空区漏风实施针对性措施。

3) 采用束管监测定期分析采空区的气体,准确掌握采空区煤层自然发火征兆和制定针对性的防灭火措施,科学掌控采空区内因火灾的防火和灭火过程。