厚煤层小煤柱工作面开采综合防灭火技术研究

徐 龙

(山西焦煤西山煤电矿山救护大队,山西 太原 030000)

火灾是制约煤矿井下安全生产的主要灾害之一,煤矿井下出现的火灾事故会严重影响井下作业人员身体健康并带来较为显著的经济损失[1-2]。厚煤层普遍采用的综放开采方式备有生产效益好、煤炭产量高等优点,厚煤层采煤工作面采用小煤柱护巷时会明显减低煤炭资源损失,提高煤炭生产效率[3-5]。采面留设的小煤柱在采动压力作用下容易出现裂隙,导致采面漏风量增加,加之综放开采时采空区内遗煤量较大,因此容易导致邻近采面采空区以及本采面采空区出现遗煤自燃问题,给煤炭安全开采带来一定影响[6-10]。文中就以山西某矿8204综放工作面回采为工程背景,针对采面小煤柱留设面临的防灭火难题,分别从邻近采面采空区及本采面采空区防灭火面两个方面给出防灭火技术方案,现场应用后有效抑制了邻近采面采空区及本采面采空区遗煤自燃,为采面煤炭回采创造良好条件。

1 工程概况

8204综放工作面设计回采8号煤层,煤厚在7.95～23.6 m,平均厚度12.6 m,煤层倾角3～5°,赋存较为稳定,全区可采。8号煤层顶底板岩性以炭质泥岩、砂质泥岩、石灰岩以及粉砂岩等为主,顶板较为稳定。8号煤层为自燃煤层,自然发火周期在68～95 d.

以往8号煤层回采时均通过留设30 m煤柱方式护巷,虽然可确保巷道围岩稳定,但是也面临留设煤柱资源损失量大、下部煤层回采过煤柱时应力集中等问题。为此,提出采用小煤柱+切顶卸压方式护巷,8204综放工作面为8号煤层第一个留小煤柱护巷工作面,采面设计推进1 820 m、倾向332 m.8204综放工作面北侧为已回采完毕的8202采空区、南侧为圈定的8206采面,东侧为采区集中巷道、西侧为采区边界保护煤柱,采面2204回风巷与采空区间留设有6 m保护煤柱,具体位置关系如图1所示。8202采空区已封闭超过1.5 a,由于2204回风巷与8202采空区间留设的保护煤柱宽度较小,煤柱内部发育有漏风裂隙,导致8202采空区遗煤存在自燃风险。

图1 8204综放工作面位置示意

8204综放工作面回采期间面临的本采面采空区遗煤自燃以及邻近采空区内遗煤自燃问题,依据现场情况提出强化监测监控、注氮、注三相泡沫方式防灭火;针对邻近采空区内遗煤自燃问题,采用注氮、注浆封堵等方式进行防灭火,确保了8204综放工作面安全回采。

2 综放防灭火技术应用

2.1 8204综放工作面防灭火技术

2.1.1 束管及人工监测

在8204综放工作面正常回采期间,定时对2204回风巷内CO含量进行测定,在回风隅角侧深入到采空区2～5 m范围布置CO探头实现CO体积分数实时监测,探头随采面推进而移动。在2204回风巷及5204进风巷深入到采空区30～90 m范围内布置不是束管,实现采空区内气体成分实时监测。

在采面正常回采期间,每天对采面回风流、回风隅角位置CH4、O2及CO等体积分数、测点温度等进行检测;在采面中上部间隔10个液压支架布置1个检测点,即在100号、110号…190号支架位置分别布置检测点,对检测点位置CH4、O2及CO等体积分数及温度进行检测。具体束管及人工检测点布置如图2所示。

图2 束管及人工检测点布置示意(单位:m)

2.1.2 采面端头封堵及注氮

8204综放工作面每推进30 m,用抗静电编织袋内装煤对上、下端头封堵,通过构筑挡风墙减少采空区漏风量。在进风巷及回风巷挡风墙顶部均预留有防灭火管路。在进风巷及回风巷内均布置注氮管路,注氮管路出口进入到采空区30～120 m时开始持续注氮,采空区内间隔30 m布置3个出氮口;在回风巷布置一趟灌浆管路,采空区内布置3个灌浆管路,出口间距均为30 m,当灌浆口埋入到采空区内10 m后即开始注浆,埋入到采空区100 m后即停止注浆。

灌浆浆液水土比控制在(4∶1)～(6∶1),三相泡沫添加量为黄土用量的0.2%～0.5%.每班灌注3 h,确保每天黄泥浆灌注量在180 m3以上。

2.1.3 回风巷高位灌浆孔

在回风巷超前采面70 m开始通过高位钻孔,通过高位钻孔分别向采面130号、150号及170号支架上覆进行超前灌浆,布置方案如图3所示,具体钻孔布置参数如表1所示。灌浆钻孔终孔布置在煤层顶板5 m以上位置。当钻孔终孔进入到采空区10 m后开始灌注三相泡沫进行防灭火,以便消除采面中上部遗煤自燃风险,并控制上隅角位置CO气体。

图3 注氮及灌浆系统布置示意

表1 高位灌浆钻孔布置参数

高位灌浆孔施工采用“钻套一体化”工艺,钻进时采用内径、外径分别为50 mm、75 mm的钻杆配93 mm金刚石钻头钻进,钻孔钻进到位后对孔口段8 m范围进行封孔。

高位灌浆孔每天注浆量Q可通过公式(1)计算:

Q=ηKmLH

(1)

式中:η为灌注三相泡沫时浆液需求量,取0.33;K为孔隙率系数,无量纲,取0.1;m为钻孔终孔覆盖采空区内浮煤厚度,取4.16 m;L为钻孔覆盖采空区内走向宽度,3.5 m;H为钻孔覆盖采空区倾向宽度,145 m.

依据8204综放工作面高位灌浆钻孔布置参数,将上述参数带入到公式(1)即可求得Q=70.4 m3.经上述计算得到高位钻孔每天注浆量应在70.4 m3以上,高位灌浆孔布置示意如图4所示。

图4 高位灌浆孔布置示意

2.2 8202采空区遗煤防灭火技术

2.2.1 8202采空区注氮

通过向8202采空区持续注氮,不仅可起到降低采空区内氧气体积分数、惰化采空区目的,而且可通过注氮平衡2204回风巷与8202采空区间压力差,减少8202采空区向2204回风巷漏风量。综合考虑8202采空区与2204回风巷压差变化情况、8202采空区原有注氮系统,设计使用2204回风巷、5202进风巷内2套注氮系统相结合方法进行注氮。

通过5202进风巷内注氮系统调节8202采空区与2204回风巷压差,避免压差波动范围过大。当8202采空区气体成分出现异常时,利用2204回风巷原有注氮管路、小煤柱上注氮钻孔向8202采空区持续进行注氮。

2.2.2 8202采空区注入黄泥固结剂

黄泥固结剂是一种强度高、固结范围广以及收缩性小的高分子材料,使用黄泥固结剂固结8202采空区靠近小煤柱冒落岩体并封堵小煤柱靠近采空区侧漏风裂隙。在2204回风巷内按10 m间隔布置1组注浆钻孔,每组注浆钻孔布置1个高位钻孔、1个低位钻孔,具体钻孔布置如图5所示。高位钻孔开孔距巷道底板2 m、仰角30°、深入到8202采空区5 m以上,主要起到固结采空区冒落矸石目的、封堵冒落矸石内漏风裂隙;低位钻孔开孔距巷道底板1.5 m、仰角10°、深度到8202采空区0.5 m,主要起到封堵小煤柱与8202采空区未被矸石充填空间并对小煤柱表面的漏风裂隙进行封堵。

图5 注入黄泥固结剂钻孔布置示意

黄泥固结剂灌注采用2ZBQ150/3注浆泵,并配套有QB500型搅拌机,注浆压力控制在1～3 MPa.注浆使用的材料包括有黄土、水、固结剂、激发剂等,其中黄土、固结剂设计配比为4∶1,黄土、固结剂充分混合后形成混料;混料与水按照1∶0.6～0.8配比形成液态混料;液态混料中按照2%质量比添加激发剂。

3 综合防灭火应用效果分析

通过采区综合防灭火技术措施后,有效减少了8202采空区、8204采空区内遗煤自燃对8204采面回采影响。8204综放工作面在回采期间通过人工检测、束管监测等对采空区遗煤自然发火情况进行监测,并通过采空区注氮、灌浆、上下端头封堵以及高位灌浆等措施,实现采空区及时惰化、减少采空区漏风;8202采空区采用的注氮、灌注黄泥固结剂等措施实现了采空区与2204回风巷间压差平衡并实现采空区、小煤柱漏风裂隙封堵,有效抑制8202采空区遗煤自燃。具体2204回风巷回风隅角CO体积分数监测结果如图6所示。

图6 2204回风巷回风隅角CO体积分数监测结果

现场应用后,8204综放工作面在后续回采期间回风隅角位置CO体积分数始终保持在24×10-6以内,8204采空区及邻近的8202采空区内遗煤未见有自然发火问题,表明采取的综合防灭火技术取得较好效果,可为8204综放工作面安全回采创造良好条件。

4 结 语

1) 8204综放工作面采用6 m小煤柱护巷,受煤柱内部裂隙发育、采空区内遗煤量大等影响,采面回采受本采面采空区以及邻近采面(8202采空区)遗煤自燃影响。为实现煤炭安全回采,依据8204综放工作面地质条件以及开采现状综合注氮、灌浆等技术手段治理8202采空区、8204采空区遗煤自燃问题。

2) 在8204综采工作面应用监测+注氮+灌浆+上、下端头封堵+回风巷高位钻孔灌浆等方法防灭火,通过惰化、改变遗煤自燃条件以及减少漏风等防治遗煤自燃。在8202采空区采用注氮+注入黄泥固结剂方式防灭火,通过注氮实现采空区惰化并减少8202采空区与2204回风巷间气压差;通过注入黄泥固结剂充填采空区靠近小煤柱冒落岩体并封堵小煤柱表面漏风通道,减少8202采空区漏风。

3) 综合防灭火技术措施后,8204综放工作面推进期间回风隅角位置CO体积分数始终保持在24×10-6以内,8204采空区及邻近的8202采空区遗煤均未有自然发火征兆,表明现场采取的防灭火措施取得较好效果,可为8204综放工作面回采创造良好条件。