陳汝旭

(山西焦煤汾西礦業(yè)集團 高陽煤礦,山西 孝義 032306)

煤礦井下綜采或綜掘工作面在設(shè)計時,從巷道圍巖變形控制、漏風控制、防滅火以及水害防治等方面考慮,一般在本工作面與鄰近采面間留設(shè)有一定寬度的保護煤柱[1-3]。保護煤柱礦壓長時間作用下容易出現(xiàn)破碎、裂隙發(fā)育等情況,嚴重時甚至會形成漏風通道(煤柱內(nèi)裂隙與鄰近采空連接),從而導(dǎo)致煤柱及鄰近采空區(qū)內(nèi)遺煤出現(xiàn)氧化自燃問題[4-6]。減少甚至避免煤柱漏風是煤柱防滅火工作開展的關(guān)鍵,文中就以山西某礦130205工作面回風巷煤柱防滅火為工程背景,結(jié)合采面開采及煤柱留設(shè)等情況針對性制定防滅火技術(shù)措施,現(xiàn)場應(yīng)用后為采面安全回采創(chuàng)造了良好條件。

1 工程概況

1.1 地質(zhì)概況

130205工作面設(shè)計推進長度為1 690 m、切眼斜長290 m,采面回采13號煤層,煤層厚度均值8.7 m、傾角15°,頂?shù)装鍘r性以砂巖、砂質(zhì)泥巖以及灰?guī)r為主,回采范圍內(nèi)煤層埋深均值為360 m.13號煤層具有自然發(fā)火傾向性,且煤塵具備有爆炸危險性。130205工作面采用綜放開采工藝,全部垮落法管理頂板,設(shè)計采高3.8 m、放煤高度4.9 m,推進速度為3.48 m/d,采用U型通風方式,供風量為1 680 m3/min,采面回采范圍內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造不發(fā)育。130205工作面回采巷寬×高=5.0 m×4.0 m,采用錨網(wǎng)索支護方式,巷道在360～560 m范圍內(nèi)采用小煤柱沿空留巷方式掘進,巷道與鄰近的130203工作面采空區(qū)間留設(shè)有6 m寬窄煤柱,煤柱在礦壓作用下內(nèi)部裂隙較為發(fā)育。具體130205工作面回風巷與鄰近采空區(qū)位置關(guān)系如圖1所示。

圖1 130205工作面回風巷位置示意

礦井現(xiàn)有的防滅火系統(tǒng)為:地面一號井配備有1套60 m3液態(tài)CO2儲存罐籠、1套5 m3×150 m3液態(tài)N2儲存罐籠,液態(tài)CO2及N2系統(tǒng)共用一套汽化及管網(wǎng),汽化能力為5 000 m3/h;在采區(qū)工業(yè)廣場位置配備有MDZ-+60固定式灌漿、注膠防滅火系統(tǒng),最大流量為60 m3/h.

1.2 采面煤柱防滅火問題分析

130205工作面回風巷巷道全長為1 820 m,在巷道掘進至360～560 m范圍與鄰近的130203采空區(qū)間留設(shè)的窄煤柱寬度為6 m,窄煤柱在礦壓長時間作用下內(nèi)部裂隙發(fā)育,局部漏風明顯,導(dǎo)致煤柱內(nèi)部局部出現(xiàn)高溫問題。在130205工作面推進期間,窄煤柱在采動壓力作用下變形更為明顯,煤柱內(nèi)形成的裂隙與鄰近的130205采空區(qū)貫通,煤柱更容易自然發(fā)火。130205工作面回風巷原通過噴漿方式進行漏風裂隙封堵,但是在礦壓作用下噴漿層容易出現(xiàn)裂隙,導(dǎo)致噴漿效果較差。

因此,需要針對130205工作面回風巷現(xiàn)場情況,對煤柱漏風及自然發(fā)火問題進行防治,以確保采面安全回采。

2 煤柱自然發(fā)火防治技術(shù)

2.1 煤柱注凝膠

為實現(xiàn)回風巷窄煤柱內(nèi)部漏風裂隙封堵,在巷道回風巷窄煤柱內(nèi)布置注漿鉆孔,向煤柱內(nèi)主圖凝膠,具體鉆孔布置情況如圖2所示。煤柱按照三花眼形式布置2排注漿鉆孔,其中上排、下排注漿孔與頂板間距分別為1 m、1.5 m,鉆孔間距均為2.4 m.

圖2 煤柱凝膠鉆孔布置示意

2.2 注入三相泡沫

在130205工作面回風巷向鄰近的130203采空區(qū)注入三相泡沫,具體鉆孔布置情況如圖3所示。煤柱上布置的鉆孔間距為20 m,鉆孔仰角55°、孔深9 m,鉆孔終孔位于130203采空區(qū)靠近煤柱位置,鉆孔鉆進完成后封孔深度為6 m.

圖3 三相泡沫鉆孔布置示意

具體單個鉆孔三相泡沫灌注量通過公式(1)計算:

Q=ηKmLH

(1)

式中:Q為單個鉆孔三相泡沫灌注量,m3;m為采高,取8.7 m;K孔隙率,取0.1;L為單個鉆孔走向覆蓋長度,m;H為單個鉆孔傾覆蓋長度,m;η為三相泡沫灌注系數(shù),取0.25.

將上述參數(shù)帶入到公式(1)即可求得Q=63.8 m3,三相泡沫中發(fā)泡劑添加量為5%,將三相泡沫密度按照1 000 kg/m3計算,則單個鉆孔所需的發(fā)泡量為0.32 t.灌注三相泡沫時每次灌注3個鉆孔,單孔灌注量為63.8 m3,則一次灌注的三相泡沫為191.4 m3,一次灌注需要的發(fā)泡劑量為320 kg.

2.3 巷道表面噴涂

針對130205工作面回風巷表面裂隙發(fā)育,以及常規(guī)的水泥噴漿后期容易二次開裂形成新的漏風裂隙問題,提出采用塑性噴涂材料密閉巷道煤柱幫。塑性噴涂材料噴涂時的具體要求為[7-8]:

1) 結(jié)合130205工作面回風巷現(xiàn)場情況及噴涂,巷道煤柱幫采用初噴及復(fù)噴工藝,提高噴涂區(qū)巷道表面裂隙封閉效果;

2) 對于部分煤柱破碎、裂隙發(fā)育區(qū)域,若直接使用塑性噴涂材料噴涂存在材料消耗量大、經(jīng)濟性差等問題,為此先使用無機發(fā)泡材料進行打底,以便封堵較大的漏風裂隙,隨后采用塑性噴涂材料進行全覆蓋噴涂。

2.3.1 噴涂材料

130205工作面回風巷煤柱幫表面噴涂使用蓋尼克塑性噴涂材料,該材料在巷道煤柱幫噴涂后形成的涂層具備較強的密閉功能,可有效封堵煤柱表面裂隙,防止煤柱漏風;噴涂層具備有較強的延伸性及塑性,拉伸率可超過100%,可有效應(yīng)封堵礦壓引起煤柱幫二次開裂。具體使用的噴涂材料性能技術(shù)指標為:①粘附性能強,噴涂材料在煤巖體表面具有較強的粘附力;②延伸性好,噴涂材料拉伸率超過100%,對巷道表面位移有較強的應(yīng)對能力;③防滲性好且長期不風化。具體回風巷煤柱幫現(xiàn)場噴涂使用的蓋尼克塑性噴涂材料技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 噴涂材料技術(shù)參數(shù)

2.3.2 噴涂工藝

在回風巷煤柱幫噴涂時使用的蓋尼克塑性噴涂材料由A、B、b組分構(gòu)成,具體A∶B組分體積比為2∶1混合液,b組分與水按照2∶1混合;A、B組分混合液以及b組分與水按照10∶1配比在噴涂系統(tǒng)前端混漿裝置內(nèi)均勻混合,最后通過噴頭噴出。具體蓋尼克塑性噴涂材料噴涂工藝如圖4所示。

圖4 噴涂工藝流程

3 煤柱自然發(fā)火防治效果

通過在130205工作面回風巷煤柱使用注入凝膠、三相泡沫以及在煤柱幫表面噴涂蓋尼克塑性噴涂材料等技術(shù)措施后,煤柱漏風裂隙得以有效封堵,實測煤柱無漏風點;同時煤柱內(nèi)高溫點得以快速降溫。在130205工作面后續(xù)回采期間,采動壓力雖然導(dǎo)致煤柱產(chǎn)生新的裂隙,但是由于煤柱幫噴涂材料具有較強的延伸性及韌性,后續(xù)未出現(xiàn)噴涂層脫落或開裂等情況。

在煤柱自燃防滅火技術(shù)應(yīng)用前,熱成像儀顯示煤柱內(nèi)最高溫度為35 ℃左右,而采用防滅火技術(shù)后,煤柱內(nèi)溫度與巷道內(nèi)溫度保持一致,溫度在20 ℃左右且后續(xù)未再有溫度升高情況發(fā)生。

4 結(jié) 語

1) 130205工作面回風巷窄煤柱(煤柱寬度6 m)段,在鄰近采空區(qū)側(cè)向應(yīng)力、地應(yīng)力以及采動壓力等作用下出煤柱破碎、內(nèi)部裂隙發(fā)育,導(dǎo)致煤柱自燃氧化風險較高,煤柱內(nèi)容易出現(xiàn)高溫蓄熱點。同時回風巷煤柱幫表面噴漿使用的水泥漿在動壓作用下封堵效果較差。

2) 為有效解決130205工作面回風巷煤柱自然發(fā)火問題,提出采用凝膠材料封堵煤柱內(nèi)漏風裂隙;使用三相泡沫封堵鄰近采空區(qū)靠近煤柱段;使用蓋尼克塑性噴涂材料密閉回風巷煤柱幫表面裂隙,充分利用噴涂材料在延伸性、密閉性及封堵性優(yōu)勢,實現(xiàn)動壓影響下煤柱表面裂隙有效封堵。

3) 現(xiàn)場應(yīng)用后,130205工作面回風巷煤柱漏風裂隙得以有效封堵,煤柱高溫點基本消除,取得較好的煤柱自然發(fā)火防治效果。