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        特厚煤層小煤柱開(kāi)采瓦斯-火災(zāi)協(xié)同防治技術(shù)

        2022-05-16 07:28:42王文成
        山東煤炭科技 2022年4期
        關(guān)鍵詞:漏風(fēng)煤柱采空區(qū)

        王文成

        (晉能控股集團(tuán)有限公司,山西 大同 037003)

        小煤柱開(kāi)采是提高礦井資源回收率的一種重要方法,同時(shí)可以轉(zhuǎn)移采動(dòng)應(yīng)力,解決巷道圍巖變形的問(wèn)題[1-2]。對(duì)于高瓦斯自燃煤層來(lái)說(shuō),采用小煤柱開(kāi)采,由于小煤柱圍巖裂隙發(fā)育,會(huì)造成鄰近采空區(qū)漏風(fēng)從而引起遺煤自燃,對(duì)礦井安全開(kāi)采造成巨大威脅,且鄰近采空區(qū)有害氣體涌出,導(dǎo)致本工作面有害氣體濃度超標(biāo),特別是瓦斯?jié)舛葮O易超標(biāo)。因此,研究小煤柱開(kāi)采瓦斯和火災(zāi)防治技術(shù)具有重要意義。

        1 工程概況

        同忻煤礦現(xiàn)開(kāi)采石炭二疊系3#~5#煤層,目前礦井為6 進(jìn)3 回分區(qū)式通風(fēng)系統(tǒng)。3#~5#煤層厚度為8.36~29.21 m,平均17.52 m;傾角為2°~6°,平均3°。根據(jù)2019 年礦井瓦斯涌出量測(cè)定結(jié)果:礦井相對(duì)瓦斯涌出量為4.63 m3/t,絕對(duì)瓦斯涌出量為66.59 m3/min,回采工作面最大絕對(duì)瓦斯涌出量為25.87 m3/min,掘進(jìn)工作面最大絕對(duì)瓦斯涌出量為2.52 m3/min,屬高瓦斯礦井。3#~5#煤層自然發(fā)火期為84 d,為自燃煤層。8305 工作面是同忻礦首個(gè)留設(shè)小煤柱的工作面,北翼與已采8307 工作面相鄰,南翼為實(shí)煤區(qū)。工作面設(shè)計(jì)長(zhǎng)度1 241 m,可采長(zhǎng)度1 131 m,傾向長(zhǎng)度為200 m。5305 巷為8305 工作面回風(fēng)巷,與8307 采空區(qū)間距為6 m,最近處約1 m(2307 巷1 號(hào)硐室處),如圖1。

        圖1 工作面布置示意圖

        束管監(jiān)測(cè)可知,8307 采空區(qū)主要?dú)怏w組分為CH4:2.94%~5.75%,CO2:4.75%~7.78%,O2:2.41%~5.30%,CO: <4×10-6,N2:85.70%~88.23%。由于8305 和8307 工作面之間煤柱為6 m,采動(dòng)應(yīng)力作用下,煤柱產(chǎn)生塑性破壞,出現(xiàn)裂縫或漏風(fēng)通道,會(huì)嚴(yán)重影響8305 工作面的安全掘進(jìn)及開(kāi)采。

        2 瓦斯-火災(zāi)協(xié)同防治技術(shù)

        2.1 采空區(qū)惰性氣體置換

        根據(jù)礦井現(xiàn)有條件,采空區(qū)內(nèi)氣體置換直接利用礦井現(xiàn)有的注氮系統(tǒng),利用8307 面永久密閉內(nèi)預(yù)埋的措施管向采空區(qū)內(nèi)注入高濃度氮?dú)?,同時(shí)在5309 巷向8307 面采空區(qū)打抽放鉆孔進(jìn)行采空區(qū)氣體抽放,采取“一進(jìn)一回”的方式整體置換出采空區(qū)內(nèi)CH4、CO、O2及CO2等氣體,并達(dá)到惰化采空區(qū)防止自然發(fā)火的目的[3-4]。8307 工作面采空區(qū)氣體置換如圖2。

        圖2 8307 工作面采空區(qū)氣體置換圖

        (1)管路布置

        注氮:由2307 正巷密閉墻內(nèi)布置的兩趟Φ108 mm 措施管、8307 頂抽巷回風(fēng)大巷口處密閉墻內(nèi)布置的一趟Φ108 mm 措施管向8307 面采空區(qū)注氮。

        抽放:在臨近的5309 巷鋪設(shè)一趟Φ273 mm 鋼管,從5309 巷1600 m 位置向8307 面采空區(qū)施工3個(gè)Φ108 mm 鉆孔,利用鉆孔對(duì)8307 面采空區(qū)進(jìn)行瓦斯抽放。

        (2)流量確定

        8307 工作面傾斜長(zhǎng)200 m,走向長(zhǎng)1300 mm,平均煤厚15 m,預(yù)計(jì)需置換氣體390 萬(wàn)m3,按6個(gè)月置換完畢計(jì)算,注氮流量為903 m3/h。

        (3)抽放鉆孔位置

        設(shè)計(jì)從5309 巷向8307 面采空區(qū)距原切眼20 m、30 m、40 m 位置分別施工1 個(gè)Φ108 mm 鉆孔,鉆孔內(nèi)下入套管,管口安設(shè)截門,并在5309 巷安設(shè)一趟DN273 瓦斯抽放鋼管,與回風(fēng)大巷內(nèi)DN500瓦斯抽放管路對(duì)接,利用抽采系統(tǒng)進(jìn)行瓦斯抽放。為確保氣體進(jìn)出平衡,抽放流量為15 m3/min。

        2.2 工作面均壓通風(fēng)

        8305 綜放工作面鄰側(cè)為8307 面采空區(qū),8307面已回采封閉完畢,上覆為同家梁礦侏羅紀(jì)14#層采空區(qū),與3#~5#煤層間距為175~220 m,采空區(qū)內(nèi)存在積氣區(qū)。8305 面采用綜采放頂煤開(kāi)采工藝,采用頂抽道封閉式機(jī)械抽放方法治理上隅角瓦斯,特厚煤層放煤工藝使得本工作面采空區(qū)與上覆侏羅紀(jì)采空區(qū)溝通,形成漏風(fēng)通道,可能導(dǎo)致上覆采空區(qū)煤體自燃,影響工作面安全生產(chǎn)。8305 工作面回采期間,每天對(duì)工作面的進(jìn)回風(fēng)巷及頂抽巷的風(fēng)量進(jìn)行測(cè)定,每班由瓦斯檢查員對(duì)工作面頭、中、尾、上隅角及回風(fēng)流的CO、CO2和O2濃度進(jìn)行測(cè)定。如果工作面上隅角連續(xù)2 d 觀測(cè)氧氣濃度低于18.5%,工作面CO 濃度超過(guò)2.4×10-5或CO2濃度超過(guò)1.5%,且工作面漏風(fēng)量超過(guò)10%,工作面必須斷電撤人,并立即啟動(dòng)均壓通風(fēng)系統(tǒng)[5],如圖3 所示。

        圖3 8307 工作面均壓通風(fēng)示意圖

        2.3 采空區(qū)防火

        在8305 工作面回采期間,在工作面安設(shè)阻化劑泵對(duì)工作面機(jī)道、頭尾端頭及支架后采空區(qū)浮煤噴灑MgCl2阻化劑,每日噴灑量不低于150 kg。同時(shí)利用采空區(qū)內(nèi)提前埋設(shè)的束管對(duì)臨近采空區(qū)及本采空區(qū)內(nèi)氣體進(jìn)行連續(xù)在線監(jiān)測(cè),發(fā)現(xiàn)自然發(fā)火指標(biāo)性氣體出現(xiàn)異常時(shí),及時(shí)調(diào)整采空區(qū)注氮量,加強(qiáng)端頭封堵。

        2.4 調(diào)風(fēng)調(diào)壓調(diào)流量

        均壓通風(fēng)期間,提前施工與上覆采空區(qū)和臨近采空區(qū)聯(lián)通鉆孔并安設(shè)壓差計(jì),調(diào)整工作面均壓壓力,確保小煤柱工作面壓力與上覆采空區(qū)及臨近采空區(qū)內(nèi)壓力基本平衡,防止上覆采空區(qū)內(nèi)及臨近采空區(qū)內(nèi)氣體異常涌出。工作面正常回采期間,通過(guò)監(jiān)測(cè)上隅角氣體變化情況,合理調(diào)整頂抽巷抽放流量,在保證工作面回風(fēng)量充足的情況下,有效抽采采空區(qū)氣體,防止上隅角有毒有害氣體超限。

        2.5 煤柱噴漿封閉

        為防止采空區(qū)漏風(fēng),在8305 工作面5305 順槽沿小煤柱掘進(jìn)過(guò)程中,對(duì)小煤柱巷道臨空側(cè)及時(shí)進(jìn)行噴漿封堵裂隙。

        3 應(yīng)用效果分析

        通過(guò)為期10 個(gè)月的采空區(qū)惰性氣體置換,累計(jì)注入氮?dú)?48 萬(wàn)m3,相當(dāng)于采空區(qū)內(nèi)空間的1.66倍,采空區(qū)內(nèi)的主要?dú)怏w成分發(fā)生了顯著變化,具體見(jiàn)表1。

        表1 8307 工作面采空區(qū)氣體成分表

        對(duì)比置換前后采空區(qū)內(nèi)氣體成分變化,CH4濃度平均降幅達(dá)70%,降至了合理范圍,切實(shí)緩解了臨近采空區(qū)氣體泄漏對(duì)8305 工作面安全開(kāi)采帶來(lái)的威脅;通過(guò)惰性氣體置換,使采空區(qū)內(nèi)N2濃度處于較高水平。同時(shí)配合工作面噴灑阻化劑,加強(qiáng)本工作面采空區(qū)及鄰近采空區(qū)氣體監(jiān)測(cè),以及煤壁裂隙封閉和調(diào)整頂抽巷流量等措施,8305 工作面回采期間未出現(xiàn)采空區(qū)遺煤自燃、工作面及上隅角瓦斯及有害氣體超限的現(xiàn)象。

        4 結(jié)語(yǔ)

        通過(guò)對(duì)小煤柱工作面相鄰采空區(qū)實(shí)施惰性氣體置換,掘進(jìn)巷道臨空側(cè)補(bǔ)強(qiáng)噴漿,加強(qiáng)工作面各地點(diǎn)有毒有害氣體監(jiān)測(cè)等措施,8307 工作面采空區(qū)內(nèi)O2、CO2、CH4等有害氣體濃度大幅度降低,N2含量大幅度增加,對(duì)于防止8305 工作面臨近采空區(qū)氣體泄漏、上覆采空區(qū)氣體下泄、抑制采空區(qū)煤炭自然發(fā)火起到了很好的作用。同時(shí)配套建立了工作面均壓通風(fēng)系統(tǒng),出現(xiàn)異常現(xiàn)象可立即啟動(dòng),起到了后備保障的作用。

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