窄煤柱大采高综采工作面防灭火技术研究

邓宁宁

（山西焦煤汾西矿业正旺煤业，山西 孝义 032300）

0 引言

窄煤柱掘巷及留巷技术应用推广，在一定程度提高了煤炭资源采收率以及矿井生产效益[1]。由于窄煤柱服务巷道掘进以及回采整个过程，在掘进以及回采扰动、矿压显现等影响下容易出现大变形，导致邻近采空区内有害气体通过窄煤柱裂隙进入到回采空间，不仅增加采面有害气体外溢量而且容易导致采空区遗煤自燃，增加采面防灭火压力[2-4]。依据窄煤柱大采高综采工作面回采特点以及防灭火需要，针对性制定防灭火技术措施，可为煤炭安全高效回采创造良好条件。

1 工程概况

山西某31303 综采工作面是3 盘区第二个采面，采面设计推进长度达到2 890 m、斜长为290 m，回采的13 煤层赋存稳定，厚度5.35m、倾角0～8°，埋深350～420 m，13#煤层瓦斯含量在5.6～7.9 m3/t、煤层自燃发火倾向性为I 类，煤尘具有爆炸危险性。根据采面回采巷道掘进揭露以及已有的其他地质资料显示，31303 综采工作面回采范围内发育有多个断层，断层影响范围内煤岩体破碎，对采面回采带来一定制约。31303 综采工作面回风顺槽与邻近的31101 综采工作面采空区间留设6 m 保护煤柱，巷道采用恒阻锚索、钢架棚等方式支护。具体采面位置，如图1 所示。

图1 31103 综采工作面位置示意图

31303 综采工作面留设窄煤柱可明显提高采面煤炭资源采收率，但是窄煤柱在采动扰动下容易出现漏风问题，同时由于采面推进距离远、面长较长，采空区面积大，采空区内遗煤容易出现自燃。

2 防灭火技术

2.1 采面正常回采时防灭火技术

2.1.1 保持推进速度

采面快速推进，可使得采空区遗煤来不及氧化自燃即进入到窒息带，因此实现采面快速推进是防灭火工作开展的重要措施之一[5-6]。31303 综采工作面回采时最小推进速度可按照下述公式（1）确定：

式中：v 为采面推进速度，m/d；K 为安全系数，取1.6；L自为采空区氧化带范围，取51 m；tmin为遗煤自燃发火期，取最小值49 d。将上述参数带入到公式（1）求得v=1.67 m/d。因此，31303 综采工作面在现有生产条件下，应确保推进速度在1.67 m/d 以上，避免采空区遗煤自燃。

2.1.2 注氮

利用井下已有的DM-1200 型膜分离移动式制氮机向采面采空区注氮，采用的移动制氮机功率为370 kW、产氮量为1 200 m3/h、氮气纯度≥97%、输氮压力0.6 MPa 以上。在31303 综采工作面采空区注氮是采用的注氮管为Φ108PE 管，注氮后氮气有效扩展半径为15～20 m。

2.1.3 采空区注浆

通过2 套型号MDZ-60 灌浆系统向采面采空区持续灌浆，灌浆水灰质量比在1∶1.5～1∶3，灌浆系统浆液制备能力为120 m3/h，灌浆浆液通过井下已铺设的D159×14 钢管灌注。采面经过运输顺槽铺设的管路向采空区灌浆，采面超过注浆口30～40 m 时开始灌注，确保万吨原煤注浆量在100 m3以上。

2.2 采面回采过断层期间防灭火技术

31303 综采工作面内发育有断层，其中DF12 断层对采面回采影响较为明显，断层影响范围内煤岩体破碎，采面推进速度缓慢且采空区内遗煤量较多。根据地质资料显示，31303 综采工作面在过DF12 断层时处于俯采状态，采用灌浆方式防灭火效果不佳，为此在过断层期间采用以注氮、喷洒阻化剂以及构建临时挡风墙方式进行防灭火。采用的注氮措施与采面正常回采时一直，此处不再赘述。在31303 综采工作面过DF12 断层时，通过采面运输顺槽内的汽雾阻化泵向采面内喷洒阻化剂（MgCl2），阻化剂喷洒量应超过100 kg/d。

为确保过断层期间采面漏风量，在进入断层影响区后，在31303 综采工作面进回风巷与采空区相通位置按照30～40 m 间隔搭设临时隔离墙，并在隔离墙四周喷涂防火密闭材料。采面进风巷构建的临时隔离墙应接顶，实现全密闭；回风侧构建的临时隔离墙与顶板留600 mm 间隔，并安装CO、CH4传感器，实现外溢有害气体成分实时检测。具体临时隔离墙布置情况，如图2 所示。

图2 回采巷道临时隔离墙布置图

2.3 邻近采空区防灭火

由于31303 综采工作面回风顺槽与31101 综采工作面间仅留设6 m 窄煤柱，煤柱在采动影响下裂隙发育且存在有漏风裂隙，容易引起邻近的31101 综采工作面采空区内遗煤自燃。为此，通过布置钻孔构建束管监测系统对31101 采空区内其他成分实时监测；并通过向邻近采空区注氮、邻近采空区灌浆、煤柱表面喷洒密闭材料以及煤柱内注浆等方式实现防灭火[7-8]。

打入式开口钢管桩因其抗弯能力高、贯入穿透性强等优势，在水平力较大、持力层埋深较深、沉桩贯入难度较大、自由端较长时广泛采用。因土塞效应尚未建立完善的理论计算，开口钢管桩承载力量化分析更为复杂和困难。基于既有理论研究分析，推演提出针对以密实砂层为持力层的开口钢管桩土塞效应的理论分析计算，并通过规范推演计算、高应变动力检测结果对比分析，对于以密实砂层为持力层的开口钢管桩竖向极限承载力计算具有一定的参考意义。

2.3.1 束管监测

在31303 回风顺槽内距巷道顶板1 000 mm 位置施工钻孔，钻孔贯通整个煤柱，钻孔两端分别用快凝水泥封堵。通过钻孔向邻近采空区内放置取气束管、稳定传感器，对邻近采空区内气体成分以及温度实时监测。具体布置，如图3 所示。

图3 监测钻孔结构图

2.3.2 窄煤柱封堵

2.3.2.1 窄煤柱表面喷涂密闭材料

窄煤柱存在漏风裂隙是导致邻近采空区遗煤自燃的主要原因，因此在31303 综采工作面回采时应注重煤柱漏风裂隙封堵工作。超前采面前方50 m 范围内的煤柱在采动压力影响下变形较为明显，漏风较为严重，因此此范围应重点喷。同时窄煤柱上有明显裂隙或者明显变形位置也应喷涂，以便切断采空区漏风通道。窄煤柱表面喷涂选用的密闭材料型号为SPA-3快速密闭材料。

2.3.2.2 窄煤柱注浆加固

在超前31303 综采工作面前方50 m 范围内，按照5 m 间隔向煤柱内施工注浆钻孔，钻孔孔深3 m，对煤柱进行注浆加固。注浆选用可注性强、注浆效果好的化学浆液，具体钻孔注浆量可根据现场情况调节。

当31301 采空区内遗煤有自燃发火风险时，通过31303 回风巷向窄煤柱内施工钻孔，通过钻孔向邻近采空区内进行注氮、灌浆。注浆管路为31303 回风巷内铺设的108PE 管，注氮钻孔按照20～30 m 间隔，特殊情况下可将钻孔间隔缩短至10 m；通过钻孔向邻近采空区内插入注氮管，注氮管深度到采空区内（与窄煤柱间距）在3～5 m。在注氮期间应通过布置的束管持续对邻近采空区内气体成分、温度等监测。

若发现31301 采空区内有高温区时，可施工灌浆钻孔向采空区内此时灌浆，钻孔间隔在20～30 m，特殊情况下可将钻孔间距缩至10 m。

3 防灭火技术效果分析

31303 综采工作面在正常条件下保持6 m/d 推进速度，由于推进速度较快，采空区内遗煤可及时进入到窒息带，因此在31303 回风巷内、回风隅角等位置均未监测到CO 涌出。

在31303 综采工作面过断层时，由于采面推进速度平均为1 m/d，采面推进速度缓慢加之煤柱裂隙漏风、采空区漏风等，导致31301 采空区以及31303 采空区均有CO 涌出，31301 采空区监测到CO 浓度最高为33×10-6、31303 采空区最高体积分数为47×10-6，待及时采取防灭火技术措施后，采空区内CO 浓度持续降低。具体过断层期间防灭火措施实时后，31301采空区内CO、氧气浓度变监测曲线，如图4 所示。

图4 回采期间相邻采空区CO 及氧气浓度变化曲线

4 结论

1）31303 综采工作面回风巷与邻近的31301 采空区间留设有6 m 窄煤柱，回采的3#煤层具有自燃发火倾向性，同时采面开采范围内发育有断层等地质构造。受采面漏风影响，采面正常推进以及过断层构造期间面临本采面及邻近采面采空区以内自燃问题。为此，文中31303 综采工作面现场情况，从正常回采以及过断层构造两个方面出发，针对性提出防灭火技术措施。

2）在31303 综采工作面正常回采时，通过适当增加采面推进速度确保采空区遗煤快速进入到窒息带；并配合采空区注氮、灌浆等措施避免遗煤自燃。在过断层时，由于采面推进速度缓慢、采空区内遗煤量较大，提出在31303 综采工作面回采巷道与采空区连接处增设临时隔离墙减少漏风量，窄煤柱喷洒密封材料、注浆等措施封堵窄煤柱漏风裂隙，喷洒阻化剂机持续注氮降低遗煤自燃发火风险；由于留设窄煤柱，导致31301 采空区漏风严重，当采空区遗煤有自燃发火问题时则综合采用注氮、注浆等方式进行防灭火。

2）现场应用后，31303 综采工作面得以安全高效回采，有效解决了留设窄煤柱面临的采空区漏风量大、遗煤自燃发火防治难度高等问题，实现了采面煤炭高效安全回采。