高瓦斯突出煤層沿空留巷綜合防滅火技術(shù)研究

孫 偉

（河南焦煤能源有限公司古漢山礦，河南 焦作 454000）

針對(duì)古漢山礦1604 綜放工作面實(shí)施沿空留巷過(guò)程中出現(xiàn)瓦斯涌出量大、采空區(qū)遺煤易出現(xiàn)自燃等問(wèn)題，開(kāi)展留巷工作面的漏風(fēng)、瓦斯治理研究，提出合理的瓦斯治理和綜合防滅火措施[1-6]，收到了良好效果，也為類似條件下沿空留巷防滅火治理提供借鑒。

1 工程背景

1.1 工作面概況

1604 綜放工作面所采二1 煤層厚度5.5 m，煤層傾角14°，埋深已達(dá)600 m。礦井瓦斯絕對(duì)涌出量3.7 m3/min，原始瓦斯含量28 m3/t，原始瓦斯壓力0.76 MPa，為煤與瓦斯突出礦井。采煤方式為綜采放頂煤，全部垮落法治理采空區(qū)頂板。該面最大水平主應(yīng)力達(dá)31 MPa，垂直應(yīng)力達(dá)18 MPa，屬高應(yīng)力范疇。如圖1。

圖1 煤層綜合柱狀圖

1.2 沿空留巷技術(shù)原理

切頂留巷技術(shù)是基于切頂短壁梁和巖石碎脹理論，采用定向預(yù)裂技術(shù)將留巷、采空區(qū)上方關(guān)鍵巖層間的力學(xué)關(guān)系削弱，利用擋矸結(jié)構(gòu)阻止采空區(qū)矸石進(jìn)入巷內(nèi)，采取加強(qiáng)支護(hù)使巷道沿采空區(qū)保留。工藝流程如圖2，具體為：（1）對(duì)巷道頂板、煤幫采取加強(qiáng)支護(hù)，保證留巷時(shí)圍巖穩(wěn)定；（2）超前工作面至少80 m 且靠采幫側(cè)實(shí)施爆破，促使頂板形成預(yù)裂弱面；（3）回采后在端頭支架后方切縫處安設(shè)柔性可伸縮擋矸柱并自動(dòng)成巷幫，留巷段需安設(shè)單體柱棚臨時(shí)支撐頂板；（4）采空區(qū)矸石冒落穩(wěn)定后，適時(shí)回撤單體柱并在采空側(cè)實(shí)施噴漿密閉。留巷結(jié)束，接替面再次使用。

圖2 切頂留巷工藝流程

1.3 1604 工作面留巷情況

為解決古漢山礦采煤率低、掘進(jìn)工程量大、接替緊張、上隅角瓦斯超限等問(wèn)題，在1604 運(yùn)輸巷實(shí)施沿空留巷技術(shù)，實(shí)施后通風(fēng)方式為兩進(jìn)一回Y型通風(fēng)。

1604 運(yùn)輸巷沿頂布置，留巷前需用高強(qiáng)錨索對(duì)頂板加強(qiáng)支護(hù)。為消除動(dòng)壓影響，留巷段用單體柱、π 型梁滯后支護(hù)，排距0.5 m。留巷采空幫擋矸方式為雙層網(wǎng)、擋風(fēng)布、可伸縮工字鋼及錨索等，間距0.4 m。預(yù)裂切頂孔深15 m，距采幫0.3 m，間距0.8 m，向切眼方向偏20°，向采幫偏15°，線裝藥密度0.4 kg/m。如圖3。

圖3 留巷支護(hù)圖（mm）

2 沿空留巷自然發(fā)火安全分析

1604 工作面實(shí)施留巷后，瓦斯來(lái)源主要為開(kāi)采層、鄰近層及采空區(qū)等瓦斯涌出。

（1）留巷碎石幫側(cè)擋矸防護(hù)系統(tǒng)應(yīng)在支架移架前完成施工。擋矸網(wǎng)和工字鋼與過(guò)渡架平行安裝，確保擋矸網(wǎng)之間、擋矸網(wǎng)與頂網(wǎng)搭接完好，工字鋼下扎＞0.1 m。因擋矸體系搭接不密封等向采空區(qū)漏風(fēng)，若處理不及時(shí)可能引起采空區(qū)遺煤自燃。

（2）工作面不斷回采，礦壓顯著提高，煤體原巖應(yīng)力失衡，再次平衡前煤體受礦壓影響后出現(xiàn)較多裂隙，使煤與空氣接觸面擴(kuò)大。雖在采空側(cè)實(shí)施噴漿處理，大致阻斷巷道與采空區(qū)間的溝通，因采動(dòng)壓力影響，噴漿處裂縫擴(kuò)增，采空區(qū)進(jìn)風(fēng)后所留煤體氧化速率加劇，采空區(qū)發(fā)生自燃事故的概率增加。

不采取措施時(shí)，1604 工作面相對(duì)、絕對(duì)瓦斯涌出量分別為21 m3/t、24 m3/t，必須對(duì)工作面瓦斯進(jìn)行治理。

3 沿空留巷綜合防滅火技術(shù)

為預(yù)防1604 工作面留巷期間采空區(qū)內(nèi)遺煤自燃，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，提出以下防滅火措施[7-8]。

（1）加強(qiáng)瓦斯抽采

① 回采前主要采用順層鉆孔抽采的方式進(jìn)行瓦斯防治，在兩回采巷道采幫布置單排平鉆鉆孔，進(jìn)行高負(fù)壓抽采瓦斯，傾角與煤層傾角相同。開(kāi)孔方向垂直巷幫，距底1.4 m，孔深100 m，間距2 m，孔徑Φ94 mm 和Φ113 mm。

② 回采時(shí)采用超前釋放孔抽采、超前高位鉆孔抽采及特殊區(qū)域深孔爆破增透技術(shù)等減少瓦斯?jié)舛?。超前釋放孔：在本煤層預(yù)抽孔的基礎(chǔ)上，在卸壓帶區(qū)域每隔60 m、呈扇形施工一組加強(qiáng)鉆孔，控制在工作面20～100 m，提高卸壓帶抽采效率，減少煤層瓦斯涌出量，保證工作面正常生產(chǎn)。超前高位鉆孔：在工作面前方每隔60 m 布置6～8 個(gè)為一組、呈扇形布置的超前高位鉆孔進(jìn)行低負(fù)壓瓦斯抽采，孔徑Φ113 mm，孔深100 m，終孔控制回風(fēng)側(cè)5～20 m，控制高度分別距頂16～40 m。特殊區(qū)域深孔爆破增透技術(shù)：因工作面部分區(qū)域煤質(zhì)較軟，在工作面采取深孔爆破，增加煤體透氣性，提高抽采率。爆破位置根據(jù)每天割煤時(shí)瓦斯涌出情況確定，自采用該技術(shù)以來(lái)，其回風(fēng)流瓦斯逐步下降，大幅提高工作面推進(jìn)速度。

③ 回采后在采空區(qū)采用高位及定向鉆孔抽采技術(shù)進(jìn)行瓦斯防治。采空區(qū)高位鉆孔：每隔55 m、呈半扇形布置一組仰斜鉆孔，終孔控制在工作面20～44 m，終孔間距3 m，高度分別距頂16～40 m。提前預(yù)抽采空區(qū)瓦斯，降低回采時(shí)采空區(qū)向回風(fēng)流溢出大量瓦斯，保障安全開(kāi)采。平均日抽采量2150～3505 m3。采空區(qū)高位定向鉆孔：在回風(fēng)巷500 m 鉆場(chǎng)處采用定向鉆機(jī)打3 個(gè)定向高位鉆孔，內(nèi)錯(cuò)該巷25 m、30 m、35 m，距煤層頂板25 m、30 m、35 m，抽采空區(qū)瓦斯。根據(jù)檢測(cè)數(shù)據(jù)顯示，1～3#鉆孔濃度為10%～65%，日抽采量2270～3560 m3，定向鉆孔覆蓋區(qū)域未發(fā)生瓦斯超限事故。

（2）封堵留巷采空側(cè)裂隙

留巷時(shí)需對(duì)采空幫再次噴漿封堵裂隙，噴漿0.5 m 厚。工作面開(kāi)采后所封堵的安全出口密閉有損害情況時(shí)需再次實(shí)施密閉，降低采空區(qū)瓦斯溢出，有效控制采空區(qū)出現(xiàn)自燃的可能。

（3）注氮注漿防滅火技術(shù)

為控制采空區(qū)有害氣體（瓦斯、一氧化碳）不發(fā)生外溢，適時(shí)對(duì)采空區(qū)實(shí)施注氮注漿。

氮?dú)夥罍缁鹗峭ㄟ^(guò)制氮設(shè)備獲得氮?dú)猓?jīng)管路注到可能會(huì)發(fā)生自燃的采空區(qū)。留巷時(shí)為確保瓦斯、一氧化碳指標(biāo)正常及采空區(qū)遺煤不發(fā)生自燃等，在留巷采空區(qū)幫每150 m 預(yù)留1 組注氮孔及氣體觀測(cè)孔，注氮管（規(guī)格Φ108 mm×1700 mm）距底板0.4 m，外露0.2 m，并及時(shí)與留巷內(nèi)的注氮支干管路接通。如果采空區(qū)氧氣濃度超過(guò)7%或一氧化碳指標(biāo)不正常時(shí)，則對(duì)提前所埋設(shè)的管路向采空區(qū)注入氮?dú)?。采空區(qū)觀測(cè)管（規(guī)格Φ40 mm×1700 mm）外露0.3 m，端頭設(shè)兩個(gè)開(kāi)關(guān)。

注漿防滅火是將黃泥漿液注入采空區(qū)以此遮住所遺存的煤體，使煤體不與采空區(qū)內(nèi)的氧氣有接觸，并且黃泥漿液中的水分將會(huì)汲取煤體中熱量，另一優(yōu)勢(shì)就是滅火降溫。留巷時(shí)若采空區(qū)出現(xiàn)自燃的跡象，立即對(duì)其注入黃泥漿。

（4）強(qiáng)化氣體監(jiān)測(cè)預(yù)警機(jī)制和留巷質(zhì)量檢測(cè)管理。留巷時(shí)每班應(yīng)有一名專職瓦斯監(jiān)測(cè)人員，定期定時(shí)對(duì)上隅角、留巷內(nèi)、工作面的瓦斯、溫度、風(fēng)量、CO 等指標(biāo)氣體進(jìn)行監(jiān)測(cè)。要突出重點(diǎn)強(qiáng)化留巷采空幫側(cè)密閉情況的檢查，針對(duì)采空側(cè)幫、頂、底易出現(xiàn)裂隙的部位加強(qiáng)檢查，出現(xiàn)問(wèn)題區(qū)域立即安排噴注漿人員對(duì)其實(shí)施噴漿封堵。還需強(qiáng)化留巷及工作面重點(diǎn)部位所安裝傳感器的維護(hù)工作，準(zhǔn)時(shí)向直管部門(mén)報(bào)備相關(guān)數(shù)據(jù)，當(dāng)出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)可及時(shí)制定應(yīng)對(duì)措施。

4 應(yīng)用效果分析

1604 工作面有高、低2 套瓦斯抽采系統(tǒng)。高、低負(fù)壓瓦斯抽采系統(tǒng)均設(shè)置一用一備的2 臺(tái)水環(huán)式真空泵，電機(jī)功率分別為315 kW、250 kW，最大吸氣量分別為253 m3/min、210 m3/min，平均抽采濃度分別為13.5%、5.8%，平均純量6.2 m3/min、4.5 m3/min。抽采主、支管采用Φ426 mm（高負(fù)壓）、Φ273 mm（高負(fù)壓）、Φ325 mm（低負(fù)壓）螺旋式焊接鋼管。

據(jù)觀測(cè)結(jié)果可知，實(shí)施綜合瓦斯抽采技術(shù)后，工作面及回風(fēng)流中的最大瓦斯?jié)舛扔?.8%降至0.6%，瓦斯超標(biāo)的情況未出現(xiàn)，工作面日推進(jìn)速率明顯提高，效果顯著。回采期間O2、CO 濃度幾乎不再變化且沒(méi)有增加的跡象，說(shuō)明通過(guò)采用合理的防滅火手段后，采空區(qū)內(nèi)沒(méi)有出現(xiàn)遺煤自燃的情況，留巷工作面正常開(kāi)采。

5 結(jié)論

（1）1604 工作面回采、留巷時(shí)應(yīng)強(qiáng)化對(duì)留巷的檢查，適時(shí)對(duì)留巷采空區(qū)幫部進(jìn)行噴漿，噴漿厚度50 mm，漏風(fēng)現(xiàn)象得以控制，防止采空區(qū)內(nèi)遺煤發(fā)生自燃。回采時(shí)因動(dòng)壓影響留巷采空區(qū)幫噴漿會(huì)造成一定破壞，留巷服務(wù)時(shí)間長(zhǎng)，為防止向采空區(qū)內(nèi)漏風(fēng)，及時(shí)對(duì)留巷采空側(cè)實(shí)施再次噴漿封堵，密閉效果明顯，采空區(qū)遺煤不發(fā)生自燃。

（2）在1604 留巷工作面實(shí)施瓦斯抽采與封堵裂隙、灌漿注氮、強(qiáng)化監(jiān)測(cè)監(jiān)控相結(jié)合的綜合防控方法后，有效防止了瓦斯超限和采空區(qū)遺煤自燃，保證了工作面正常生產(chǎn)。