厚煤层小煤柱工作面开采综合防灭火技术研究.pdf

收稿日期:2022 12 15作者简介:徐 龙(1982-),男,山西曲沃人,助理工程师,从事安全工程技术工作。doi:10.3969/j.issn.1005-2798.2023.09.016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)摘 要:8204 综放工作面采用 6 m 小煤柱护巷,虽然可显著提高采面煤炭资源采收率及回采经济效益,但是由于煤柱宽度较小,导致采面漏风量较大,容易引起邻近的 8202 采空区遗煤自燃。结合 8204 综放工作面现场情况,从本采面采空区内遗煤自然发火防治以及邻近的 8202 采空区遗煤自然发火防治两个方面针对性提出防灭火技术措施,并进行工程应用。现场应用后,8204 综放工作面在回采期间回风隅角位置 CO体积分数始终在 2410-6以内,表明现场采用的防灭火技术措施取得了较好的效果。研究成果为本矿其他小煤柱工作面回采防灭火工作开展积累了经验并为其他矿井类似条件防灭火工作的开展提供参考。关键词:厚煤层;自燃煤层;防灭火;小煤柱;漏风裂隙中图分类号:TD752.2 文献标识码:A 文章编号:1005 2798(2023)09 0058 03 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7.9523.6 m,平均厚度 12.6 m,煤层倾角 35,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6895 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,定时对实实用用技技术术 第第 3 32 2 卷卷 第第 9 9 期期 2 20 02 23 3 年年 9 9 月月2204 回风巷内 CO 含量进行测定,在回风隅角侧深入到采空区 25 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3090 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 30120 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钻孔编号钻孔仰角/()与巷道中线夹角/()开孔高度/m钻孔孔径/mm孔深/m终孔与煤层顶板间距/m1 号4.2251.5936952 号3.1461.5939253 号2.4571.5931215 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=KmLH (1)式中: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95第 9 期 徐 龙:厚煤层小煤柱工作面开采综合防灭火技术研究 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 13 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 0.60.8 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 2410-6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2410-6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(下转第 63 页)06 第 32 卷提高锚索悬吊效果,因此当 11 号层与 9 号层层间距超过 5.1 m 后方采用锚索进行支护。具体层间距超过 5.1 m 后巷道围岩支护断面如图 2 所示。图 2 锚网索支护示意(单位:mm)由于顶板布置有锚索进行悬吊,因此适当增加锚杆布置排距,将顶锚杆间排距调整至 800 mm800 mm 同时取消钢架棚,顶板按照 1 600 mm 1 600 mm 间排距布置锚索,锚索长度依据顶板厚度变化而调整。为提高巷帮围岩控制效果,在巷道两排锚杆间按照 1 600 mm1 600 mm 间排距布置锚索,巷帮锚索规格均为 D18.6 mm4 800 mm.4 结 语依据 51101 运输巷现场条件,采用动态设计法以及理论分析法对近距离煤层群开采采空区下巷道围岩支护方案进行设计,具体采用的支护方式为:当51101 运输巷顶板与上覆采空区间距在 1.5 m 以内时,采用密集钢架棚+金属网支护方式,架棚间距设计为 800 mm;当顶板与上覆采空区间距在 1.5 5.1 m 时,则采用锚杆+架棚+金属网支护方式。其中顶板与采空区间距在 1.52.2 m 范围内顶锚杆长度与层间距保持一致,顶板与采空区内间距在2.25.1 m 时则顶锚杆长度为 2.2 m;当顶板与上覆采空区间距超过 5.1 m 时,则在顶板及巷帮上采用锚索进行补强,顶锚索长度控制在 4.9 7.3 m、巷帮锚索长度为 4.8 m,由于锚网索支护强度较高,为降低支护工程量取消了钢架棚支护。对 51101 运输巷不同条件下围岩支护方案进行具体设计并进行工程应用,结果表明 51101 运输巷在掘进期间巷道围岩始终保持稳定,顶板未有失稳或者大变形等征兆,其中监测得到顶板最大变形量为 52 mm,表明采用的围岩支护技术可满足现场围岩控制需要。参考文献:1 王 忠.极近距离煤层采空区下顺槽巷道掘进与支护技术J.机械管理开发,2022,37(8):19-20,23.2 李松峰,陈军锋.极近距离煤层下行开采巷道围岩支护技术研究J.矿业安全与环保,2022,49(2):127-131.3 刘 顺.正利煤业极近距离煤层采空区下巷道支护实践J.矿业装备,2021(2):98-99.4 孟庆妮.近距离煤层采空区下工作面巷道支护研究J.煤炭工程,2020,52(5):63-66.5 谷 攀,李彦斌,韦庆亮,等.极近距离煤层采空区煤柱下回采巷道支护技术J.中国科技论文,2020,15(3):373-378.6 李晓斌,何富连,秦宾宾,等.极近距离煤层回采巷道围岩分类与支护研究J.矿业科学学报,2020,5(3):325-333.7 赵正军.采空区下极近距离煤层回采巷道支护设计研究J.山西煤炭,2020,40(4):27-31,40.本期编辑:王伟瑾(上接第 60 页)8204 综放工作面回采创造良好条件。参考文献:1 孙殿宇.复杂条件下综放工作面煤柱留设方式及安全保障技术研究D.北京:中国矿业大学,2021.2 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