李 杰

(1.煤科集團(tuán)沈陽研究院有限公司，遼寧 撫順 113122；2.煤礦安全技術(shù)國家重點實驗室，遼寧 撫順 113122)

綜采放頂煤開采技術(shù)是我國煤礦高產(chǎn)高效的重要技術(shù)手段和煤礦開采技術(shù)的重要發(fā)展方向，對于特厚煤層來說，更是如此。目前，多數(shù)煤礦采用留設(shè)較大的煤柱(20～40m)以保護(hù)回采巷道，這些煤柱不僅不能回收，造成資源浪費，護(hù)巷煤柱還處于應(yīng)力升高區(qū)，在回采工作面超前壓力作用下，通常會發(fā)生底鼓、片幫、巷道變形等現(xiàn)象，不但巷道需要經(jīng)常維護(hù)，還可能引發(fā)冒頂、沖擊地壓等造成人員傷亡的重大災(zāi)害事故[1，2]。很多學(xué)者研究出小煤柱沿空掘巷、沿空留巷等節(jié)約資源、高效回收的典型布置形式，在我國煤礦回采巷道中得到廣泛使用[3-9]。放頂煤易燃工作面采空區(qū)是最主要的災(zāi)害源之一，災(zāi)害形式主要為煤自燃及瓦斯超限引起的瓦斯事故[10]，研究表明：高瓦斯涌出礦井，采空區(qū)深部瓦斯涌出影響是強(qiáng)勢的，高瓦斯涌出切實抑制了大面積采空區(qū)的自燃氧化，使自燃氧化區(qū)和自燃高溫區(qū)的范圍縮小[11]，有利于采空區(qū)防滅火管理，但高濃度瓦斯聚集卻存在上隅角瓦斯超限、采空區(qū)瓦斯爆炸的重大安全隱患；單純的采空區(qū)瓦斯抽采會造成采空區(qū)漏風(fēng)量增加，采空區(qū)供氧量增大，加速遺煤氧化，對采空區(qū)防滅火工作面十分不利；小煤柱工作面鄰空側(cè)煤柱密閉性差，在回采期間負(fù)壓作用下必然引起采空區(qū)氣體外泄，威脅工作面安全生產(chǎn)。因此關(guān)于如何保障小煤柱工作面鄰空側(cè)巷道安全掘進(jìn)方面的研究十分必要。

1 礦井概況

山西塔山煤礦設(shè)計生產(chǎn)能力為15Mt/a，采用綜采放頂煤開采石炭二疊系3-5號煤層，平均煤層厚度為16m，煤層賦存穩(wěn)定，屬自燃煤層，8204綜放工作面位于二盤區(qū)東部，與8202和8206采空區(qū)相鄰，西北部與F13810斷層相鄰，受斷層影響該礦工作面傾向長度由正常的240m縮短為151m，走向長度為870m，如圖1所示。

圖1 置換工藝布置圖

為提高工作面回收率，節(jié)約礦井資源，決定在8204工作面試驗特厚放頂煤工作面小煤柱沿空掘巷技術(shù)，經(jīng)論證，5204回風(fēng)巷與8206采空區(qū)留設(shè)6m小煤柱沿空掘進(jìn)。正常情況下，小煤柱留設(shè)在應(yīng)力降低區(qū)，該區(qū)域煤體整體性遭受破壞，以破碎、塑性狀態(tài)存在，密閉性較差。5204回風(fēng)巷掘進(jìn)過程采用壓入式通風(fēng)，與其相鄰的8206采空區(qū)會漏入大量新鮮風(fēng)流，而回采過程中采用負(fù)壓通風(fēng)，在工作面回采超前應(yīng)力作用下小煤柱整體性遭到二次破壞，8206采空區(qū)內(nèi)有害氣體必然通過8204采空區(qū)、小煤柱流出，造成上隅角瓦斯超限、低氧等事故，甚至可能造成工作面瓦斯爆炸；不僅如此，這種類“呼吸”作用，有可能造成采空區(qū)遺煤自燃，發(fā)生火災(zāi)事故，對采空區(qū)防滅火工作極為不利[12-14]。研究表明：采空區(qū)內(nèi)氣體存在較明顯分層現(xiàn)象，瓦斯?jié)舛茸陨现料抡w呈下降趨勢，在采空區(qū)上部形成瓦斯富集區(qū)，采空區(qū)作為一種多孔塊體，內(nèi)部氣體能夠自由流動，利用抽采設(shè)備能夠引流高濃度瓦斯。隨著鉆進(jìn)設(shè)備的發(fā)展，我國瓦斯抽采技術(shù)得到長足進(jìn)步，地面鉆孔抽采卸壓瓦斯[15]、高低位鉆孔立體抽采[16]、走向高位長鉆孔[17]，高抽巷[18]、地面L型鉆孔[19]等技術(shù)在高瓦斯礦井得到成功應(yīng)用；但受到煤礦特殊工作環(huán)境的限制，井下鉆孔一次成孔直徑一般小于108mm，多用于低流量、高濃度預(yù)抽煤體瓦斯，對于密閉采空區(qū)瓦斯多選用大孔徑、高流量、低濃度抽采。目前，采空區(qū)防滅火技術(shù)主要采用降低采空區(qū)氧氣濃度或隔絕可燃物的方式，如井下注入液態(tài)CO2、惰性氣體、三相泡沫、粉煤灰漿液等，在惰性氣體中，氮氣作為一種無毒、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、成本低廉、獲取方便的氣體，近年來在煤礦防滅火領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[20-25]。如上文分析，單純瓦斯抽采會產(chǎn)生采空區(qū)煤炭自燃的隱患，若采用惰性氣體將采空區(qū)有害氣體置換，能夠徹底消除危險源，將威脅區(qū)域轉(zhuǎn)化為相對本質(zhì)安全區(qū)域，保障工作面采掘作業(yè)的安全，考慮礦井抽采、注氮系統(tǒng)布置情況，瓦斯、氮氣、空氣的重力特性等因素，決定采用地面鉆孔抽采、井下注氮置換8206采空有害氣體。

2 地面瓦斯抽采與氮氣置換技術(shù)

工作面頂板垮落后垂直方向形成“三帶”，瓦斯?jié)舛茸陨隙轮饾u降低，能否引流高濃度瓦斯是采取置換技術(shù)成功與否的關(guān)鍵，裂隙帶距采空區(qū)有一定高度，基本不受采空區(qū)漏風(fēng)因素影響，且?guī)r層裂隙發(fā)育，便于瓦斯氣體賦存，理論上來講裂隙帶是地面鉆孔引流采空區(qū)瓦斯的最佳位置。研究表明：微地震現(xiàn)象是巖體破壞失穩(wěn)發(fā)生前給出的重要信息，礦山采場及巷道圍巖破壞前后發(fā)生的微震，屬于礦體—圍巖系統(tǒng)在其力學(xué)平衡狀態(tài)被破壞并且釋放出大于消耗能量的瞬間震動。每次能量的突然釋放均伴隨應(yīng)力平衡狀態(tài)的破壞，同時從物理破壞點(震源)向外傳播地震波[26]，微地震監(jiān)測能夠揭示的采場圍巖空間破裂形態(tài)[27]。該礦綜放面圍巖運動微地震監(jiān)測成果如圖2所示，由圖2可判定，高位破裂帶高度為145～75m，低位破裂帶高度為30～75m，結(jié)合鄰近礦井相關(guān)研究資料[28]，判定該礦裂隙帶高度為80～140m。

圖2 微震監(jiān)測效果圖

根據(jù)礦井實踐經(jīng)驗地面鉆孔有效影響半徑取75m，選擇在距離8206工作面終采線350m、500m處施工1號、2號兩個地面鉆孔抽采8206采空區(qū)瓦斯，受地面鉆孔施工場地、施工成本等因素限制，終采線附近250m未布置地面抽采鉆孔，如圖1所示。鉆孔開孔直徑425mm，套管直徑311mm，裸孔深度約為450m(至煤層底板)，套管長度約為300m(距離煤層底板150m)，地面鉆孔通過巖層裂隙抽采高濃度瓦斯。地面抽采系統(tǒng)選用臨時抽采泵站配備的2臺2BEC40型水環(huán)真空泵，每臺額定抽采量100m3/min；原2206進(jìn)風(fēng)巷利用井下移動制氮車四臺，2用2備，每臺額定制氮量為500m3/h，通過預(yù)埋108mm管路注氮，原5206回風(fēng)巷利用地面二風(fēng)井制氮機(jī)四臺，2用2備，每臺額定制氮量為3200m3/h，通過預(yù)埋108mm管路注氮，5204回風(fēng)巷掘進(jìn)期間鋪設(shè)159mm注氮管路利用地面二風(fēng)井制氮機(jī)注氮，每10m施工一個108mm鉆孔向8206采空區(qū)注氮，通過繞道內(nèi)控制閥門控制抽采管路抽采量，抽注比為1∶1.2。

3 效果考察

通過對8206老采空區(qū)瓦斯1、2號鉆孔抽采及井下注氮數(shù)據(jù)整理，得出注氮速率、抽采速率、抽采濃度隨時間變化關(guān)系曲線，如圖3所示。從圖3可以看出，抽注比基本控制在1.2左右，保證了注氮率大于抽采率的要求，初期注氮率維持在3300m3/h左右，后期注氮率維持在2500m3/h左右，抽采濃度整體呈現(xiàn)下降趨勢，究其原因是地面鉆孔利用裂隙帶抽采高濃度瓦斯，使得采空區(qū)內(nèi)瓦斯賦存總量降低，氮氣的注入總量大于抽采量使得采空區(qū)內(nèi)氣體總量增加，瓦斯?jié)舛认陆?。?月25日至6月15日數(shù)據(jù)可以看出瓦斯抽采濃度整體呈現(xiàn)隨注氮量增加而升高的趨勢，可以驗證采空區(qū)是一個相對封閉空間，內(nèi)部氣體流動性較差，呈分層現(xiàn)象，注入氮氣對上部瓦斯氣體具有擠壓作用，有利于瓦斯抽采工作。通過檢測孔對采空區(qū)內(nèi)瓦斯?jié)舛冗M(jìn)行檢測，繪制采空區(qū)濃度隨時間變化關(guān)系曲線，如圖4所示。

圖3 注氮速率、抽采速率、抽采濃度變化關(guān)系曲線

圖4 采空區(qū)氣體濃度變化關(guān)系曲線

由于目前技術(shù)條件無法對采空區(qū)內(nèi)實際空間進(jìn)行測試，對采空區(qū)內(nèi)部空間只能通過假設(shè)簡化估算，采空區(qū)工作面長度s=230m，煤層厚度h=16m，巷道長度l=730m，巖石充填系數(shù)k1=0.8，平均注氮率q1=2500m3/h，平均抽采率q2=2050m3/h，安全系數(shù)1.5，估算理論置換時間t=s×h×l×k1×(q1-q2)×2=54d，即置換工作施工54d以后近似認(rèn)為密閉墻觀察孔瓦斯?jié)舛葴y試數(shù)據(jù)為采空區(qū)內(nèi)瓦斯?jié)舛?。由圖上可以看出，未采取注氮措施前，采空區(qū)瓦斯?jié)舛燃s為6%，CO濃度為16×10-6，注氮措施實施后，采空區(qū)內(nèi)瓦斯?jié)舛葎×蚁陆担霈F(xiàn)該現(xiàn)象主要原因是檢測孔與一個注氮孔布置位置相近，新注入氮氣不可能快速均勻分布到采空區(qū)內(nèi)，只能緩慢擠壓其他氣體通過采空區(qū)內(nèi)巖石縫隙向地面鉆孔側(cè)運移。整體上看采空區(qū)瓦斯?jié)舛入S著置換時間的增加呈現(xiàn)下降趨勢，5月2日以后采空區(qū)內(nèi)瓦斯平均濃度為0.8%，CO濃度為6×10-6，與注氮置換前相比分別下降了86%，62%，置換效果明顯。工作面掘進(jìn)及回采期間未發(fā)生8206采空區(qū)有害氣體大量外泄及采空區(qū)自燃事故。采空區(qū)瓦斯抽采后，注入氮氣占據(jù)了這部分氣體所占空間，減少了采空區(qū)供氧量，弱化了遺煤氧化作用，且氮氣本身是惰性氣體，能抑制煤體自燃，置換技術(shù)既能降低采空區(qū)瓦斯?jié)舛龋帜芊乐共煽諈^(qū)自燃，成功解決了瓦斯與煤自燃雙重災(zāi)害威脅。

4 結(jié) 論

1)氮氣置換瓦斯技術(shù)能夠成功解決了瓦斯與煤自燃雙重災(zāi)害威脅。

2)利用氮氣置換采空區(qū)瓦斯使采空區(qū)內(nèi)瓦斯?jié)舛扔?%下降到0.8%，降低了86%，CO濃度由16×10-6下降到6×10-6，降低了62%。

3)采空區(qū)有害氣體置換技術(shù)能夠保證大采高特厚煤層小煤柱工作面安全掘進(jìn)，減少有害氣體外泄。

4)氮氣置換采空區(qū)瓦斯技術(shù)能將瓦斯、火災(zāi)威脅區(qū)轉(zhuǎn)化為相對本質(zhì)安全區(qū)，該技術(shù)適用于高瓦斯、自燃煤層小煤柱沿空掘進(jìn)、采空區(qū)治理等工程。