近距离煤层群开采沿空留巷工作面防灭火技术研究

辛宗泽

(山西汾西工程建设有限责任公司,山西 孝义 032300)

沿空留巷在减少巷道掘进工程量、提升煤炭资源采收率、缓解矿井采掘接替紧张局面等方面表现出显著优势[1-2]。但是受留巷工艺限制,沿空留巷工作面面临漏风严重问题,当开采煤层有自然发火倾向,工作开展时需要重点解决的问题就是防止采空区遗煤自燃[3]。采空区内遗煤自燃的因素包括采空区内有遗煤、采空区口风以及遗煤蓄热氧化等[4]。众多学者对沿空留巷工作面防灭火技术展开研究,并提出综合采用均压通风、减少留巷段漏风、灌浆、注浆、喷洒阻化剂等方式进行灭火,现场也取得较好应用成果[5-8]。山西某矿井田开采范围内有多层煤层,属近距离煤层群开采,所采煤层均有自然发火倾向性。3506综采工作面回采5号煤层,煤层自然发火倾向性为I类,采面运输巷采用无煤柱留巷方式并通过浇筑柔性混凝土墙提高留巷效果,但留巷期间受漏风量大、采空区遗煤量大等因素影响,采空区遗煤存在较大的自然发火危险性,因此需针对3506综采工作面现场情况针对性制定防灭火技术,确保采面得以安全高效回采。

1 工程概况

3506综采工作面设计走向推进长度为1 880 m、倾向斜长为230 m,采面上覆15 m为4号煤层3403、3405采空区,下覆25 m为未回采的7号煤层。3506综采工作面设回采的5号煤层赋存稳定,厚度均值为4.3 m,采用大采高开采工艺全部垮落法管理顶板。5号煤层自然发火倾向性为I类,自然发火期最短为52 d,煤层顶底板岩性以粉砂岩、砂质泥岩以及炭质泥岩等为主。

3506材料巷采用沿空留巷技术保留下来为下一采面生产服务,巷道设计净宽为5.4 m、净高为3.6 m,采面回采时在运输巷正帮浇筑柔性混凝土墙体进行留巷。留巷段巷道净宽为4.4 m、砌筑的混凝土墙体为1.2 m,具体在柔性混凝土墙体在采空区内、材料巷内宽度分别为0.2 m、1.0 m.留巷后采面采用Y型两进一回通风方式,采面供风量为1 800 m3/min,其中进风巷、材料巷配风量分别为1 320 m3/min、480 m3/min.具体采面通风路线见图1.采用Y型通风时,采面通风负压点位于留巷段内,从而导致采空区漏风严重,加之采面上覆3403、3405采空区,容易诱发采空区内遗煤自燃,因此应针对3506综采工作面现场情况制定防灭火技术措施。

图1 采面通风线路

2 采面采空区遗煤自然发火因素分析

3506综采工作面采用沿空留巷技术后会增大采空区漏风量,为采空区遗煤氧化自燃持续供氧,极易导致采空区遗煤自燃。结合3506综采工作面回采工艺、煤层赋存条件、上覆4号煤层采空区等情况,分析采面推进速度慢、柔性混凝土墙体漏风、地表漏风以及采空区内遗煤量大等是导致采空区遗煤自然发火的主要诱因。具体为:

1) 在留巷段柔模混凝土墙体施工期间,墙体部位位置与采空区间存在漏风缝隙,如两段柔模混凝土墙体连接处、墙体与留巷段顶板连接处、预埋件与墙体间缝隙等。同时随着采面推进,柔模混凝土墙体孔隙在矿压作用下增大,在通风负压影响下采空区漏风量增大会导致上覆4号煤层采空区漏风,为采空区内遗煤氧化提供了氧气。

2) 3506综采工作面回采的5号煤层自然发火期最短为52 d,而采面在回采期间受柔模混凝土墙体施工以及地质构造等影响,导致局部推进速度缓慢,从而为采空区遗煤蓄热氧化提供了时间;当采面推进速度小于采面最小安全推进速度时,极易引起采空区内遗煤自燃。

3) 3506综采工作面设计采高为4.3 m,采面回采巷道高度均为3.6 m,在靠近采面两端头10架内采面采高逐渐降低,从而导致采空区内靠近回采巷道附近存在大量遗煤;同时在部分构造影响区内通过留顶煤方式回采,增大了采空区内遗煤量。

4) 3506综采工作面埋深均值为190 m,埋深较大,同时采面上覆有4号煤层采空区,采面回采后会导致地面沉陷并容易形成与地表联通的漏风裂隙。漏风裂隙为采空区遗煤持续供氧,从而增大了遗煤自然发火危险性。

3 综合防灭火技术应用分析

3.1 综合防灭火技术措施

为预防3506综采工作面留巷期间采空区遗煤出现自燃问题,提出下述综合防灭火措施。

3.1.1 采空区注氮

通过留巷段柔模混凝土墙体上预留的注氮孔(或注浆孔)、气体观测孔进行注氮,布置的注氮管管长为1 700 mm、管径108 mm,距留巷段底板400 mm、外露长度为200 mm;留巷段间隔150 m布置1组注氮孔。在柔模混凝土墙上留设的观测管孔径为40 mm、孔长1 700 mm、端头外露长度为300 mm,在观测管端头布置2道阀门,按照150 mm间距布置1组观测孔。具体注氮管路布置情况见图2.

图2 注氮管路布置

在3506综采工作面推进期间,若发现采空区出现氧气体积分数超过7%或者遗煤温度升高、CO超限等情况时,即通过预埋的注氮管向采空区内持续注氮。

3.1.2 灌浆

灌浆系统是向采空区内进行持续灌浆,通过浆液覆盖采空区内遗煤,起到隔绝氧气与遗煤接触、降低遗煤温度效果。在3506综采工作面留巷回采期间,若采空区存在遗煤自然发火征兆时,则立即对不接顶区进行灌浆封堵并对采空区进行持续注浆,避免采空区内高浓度瓦斯、CO等有害气体通过缝隙进入留巷段内。

采空区灌浆采用的浆液主要成分包括促凝剂、水及基料,具体质量配比为0.4∶8.6∶1,灌浆采用型号NJB-100/10-G灌浆泵,并通过施工Φ93 mm灌浆孔实现采空区大范围灌浆,具体布置的灌浆孔间隔为6 m、孔深为50 m,布置情况见图3.

图3 采空区灌浆示意

3.1.3 井上下漏风裂隙封堵

1) 对柔模混凝土墙体容易出现缝隙漏风裂隙的位置(如接顶位置、预埋件与墙体间缝隙以及混凝土墙体接缝处等)通过人工涂抹水泥砂浆封堵,封堵完成后采用喷浆机进行全断面喷浆,喷浆层厚度为100 mm;在采面回采期间对留巷段质量进行检测,发现有漏风裂隙时进行人工封堵及喷浆。

2) 安排专人负责采面地表裂隙回填封堵工作, 发现裂隙后进行封堵,滞后采面距离不应超过50 m.

3) 封堵采面上下端头位置,具体在采面上下端头直接与巷道壁间通过错缝砌筑由沙袋构成的墙体,墙体宽度在2 m以上并应确保墙体与顶底板接触密实;采面推进过程中按照30～50 m间隔布置1道封堵墙体。

3.1.4 强化监测

1) 人工监测。在留巷期间,每班均需安排1名专职瓦检员对留巷作业点、采面及回风流等位置的瓦斯体积分数进行跟踪检测;监测留巷段内及采空区内温度、风流、CO及瓦斯等参数。

2) 留巷段质量检查。对留巷段柔模混凝土墙体质量进行检查,重点对墙体接顶及接底情况、两段混凝土墙体间是否存在缝隙、巷道顶底板是否有缝隙等进行检查,发现隐患后组织专人进行喷浆处理。

3) 防灭火监控。应强化采面、留巷段、回风隅角等处瓦斯、温度、CO传感器维护,监测的数据应报总工程师审阅,出现异常时应采取针对性的应对措施,强化井下束管监测系统维护以及气体成分分析。

3.2 防灭火效果分析

在3506综采工作面留巷回采期间跟踪监测采面内瓦斯、CO体积分数及温度,采空区内O2、CO体积分数,当发现采空区遗煤有自然发火征兆时即进行注氮、灌浆等防灭火措施。采面回采推进期间,采空区内O2、CO体积分数变化情况见图4.

图4 O2、CO体积分数变化曲线

从图中看出,受采空区遗煤量大以及漏风等多重因素影响,在推进至100～200 m范围(即监测0～18 d时间)内采空区CO体积分数快速增加,后通过采用注氮、灌浆等防灭火技术措施后,采空区遗煤自燃氧化进程得以较好抑制,采空区内CO体积分数虽然在短期增加但是之后快速降低,同时采空区内O2、CO体积分数整体呈现下降趋势。在整个采面回采期间,回风流中CO体积分数始终在10×10-6以内,表明现场采用的防灭火技术措施取得了较好的应用成果。

4 结 语

1) 对3506综采工作面对采面沿空留巷开展期间采空区遗煤自然发火影响因素进行分析,发现留巷段柔模混凝土墙体漏风、采空区遗煤量大、回采煤层具有自然发火倾向性、地表漏风裂隙等是诱发采空区内遗煤自然发火的主要因素。

2) 在矿井已有的防灭火技术措施基础上,提出以减少采空区漏风为主的防灭火技术措施,并通过采用注氮、灌浆等措施进行遗煤自然发火防治,通过封堵留巷段漏风裂隙、采面端头布置挡墙、封堵地面漏风裂隙等减少采空区漏风量;当有遗煤自然发火征兆时则及时进行注氮、灌浆。

现场应用后,3506综采工作面回采期间回风流中仅有局部位置监测到CO,且采取防灭火技术措施后,回风流中CO体积分数最高仅为10×10-6,表明现场采用的防灭火技术措施可有效抑制采空区遗煤自燃,为采面煤炭安全高效回采创造良好条件。