鄧寧寧

（山西焦煤汾西礦業(yè)正旺煤業(yè)，山西 孝義 032300）

0 引言

窄煤柱掘巷及留巷技術(shù)應(yīng)用推廣，在一定程度提高了煤炭資源采收率以及礦井生產(chǎn)效益[1]。由于窄煤柱服務(wù)巷道掘進(jìn)以及回采整個(gè)過(guò)程，在掘進(jìn)以及回采擾動(dòng)、礦壓顯現(xiàn)等影響下容易出現(xiàn)大變形，導(dǎo)致鄰近采空區(qū)內(nèi)有害氣體通過(guò)窄煤柱裂隙進(jìn)入到回采空間，不僅增加采面有害氣體外溢量而且容易導(dǎo)致采空區(qū)遺煤自燃，增加采面防滅火壓力[2-4]。依據(jù)窄煤柱大采高綜采工作面回采特點(diǎn)以及防滅火需要，針對(duì)性制定防滅火技術(shù)措施，可為煤炭安全高效回采創(chuàng)造良好條件。

1 工程概況

山西某31303 綜采工作面是3 盤區(qū)第二個(gè)采面，采面設(shè)計(jì)推進(jìn)長(zhǎng)度達(dá)到2 890 m、斜長(zhǎng)為290 m，回采的13 煤層賦存穩(wěn)定，厚度5.35m、傾角0～8°，埋深350～420 m，13#煤層瓦斯含量在5.6～7.9 m3/t、煤層自燃發(fā)火傾向性為I 類，煤塵具有爆炸危險(xiǎn)性。根據(jù)采面回采巷道掘進(jìn)揭露以及已有的其他地質(zhì)資料顯示，31303 綜采工作面回采范圍內(nèi)發(fā)育有多個(gè)斷層，斷層影響范圍內(nèi)煤巖體破碎，對(duì)采面回采帶來(lái)一定制約。31303 綜采工作面回風(fēng)順槽與鄰近的31101 綜采工作面采空區(qū)間留設(shè)6 m 保護(hù)煤柱，巷道采用恒阻錨索、鋼架棚等方式支護(hù)。具體采面位置，如圖1 所示。

圖1 31103 綜采工作面位置示意圖

31303 綜采工作面留設(shè)窄煤柱可明顯提高采面煤炭資源采收率，但是窄煤柱在采動(dòng)擾動(dòng)下容易出現(xiàn)漏風(fēng)問(wèn)題，同時(shí)由于采面推進(jìn)距離遠(yuǎn)、面長(zhǎng)較長(zhǎng)，采空區(qū)面積大，采空區(qū)內(nèi)遺煤容易出現(xiàn)自燃。

2 防滅火技術(shù)

2.1 采面正?；夭蓵r(shí)防滅火技術(shù)

2.1.1 保持推進(jìn)速度

采面快速推進(jìn)，可使得采空區(qū)遺煤來(lái)不及氧化自燃即進(jìn)入到窒息帶，因此實(shí)現(xiàn)采面快速推進(jìn)是防滅火工作開(kāi)展的重要措施之一[5-6]。31303 綜采工作面回采時(shí)最小推進(jìn)速度可按照下述公式（1）確定：

式中：v 為采面推進(jìn)速度，m/d；K 為安全系數(shù)，取1.6；L自為采空區(qū)氧化帶范圍，取51 m；tmin為遺煤自燃發(fā)火期，取最小值49 d。將上述參數(shù)帶入到公式（1）求得v=1.67 m/d。因此，31303 綜采工作面在現(xiàn)有生產(chǎn)條件下，應(yīng)確保推進(jìn)速度在1.67 m/d 以上，避免采空區(qū)遺煤自燃。

2.1.2 注氮

利用井下已有的DM-1200 型膜分離移動(dòng)式制氮機(jī)向采面采空區(qū)注氮，采用的移動(dòng)制氮機(jī)功率為370 kW、產(chǎn)氮量為1 200 m3/h、氮?dú)饧兌取?7%、輸?shù)獕毫?.6 MPa 以上。在31303 綜采工作面采空區(qū)注氮是采用的注氮管為Φ108PE 管，注氮后氮?dú)庥行U(kuò)展半徑為15～20 m。

2.1.3 采空區(qū)注漿

通過(guò)2 套型號(hào)MDZ-60 灌漿系統(tǒng)向采面采空區(qū)持續(xù)灌漿，灌漿水灰質(zhì)量比在1∶1.5～1∶3，灌漿系統(tǒng)漿液制備能力為120 m3/h，灌漿漿液通過(guò)井下已鋪設(shè)的D159×14 鋼管灌注。采面經(jīng)過(guò)運(yùn)輸順槽鋪設(shè)的管路向采空區(qū)灌漿，采面超過(guò)注漿口30～40 m 時(shí)開(kāi)始灌注，確保萬(wàn)噸原煤注漿量在100 m3以上。

2.2 采面回采過(guò)斷層期間防滅火技術(shù)

31303 綜采工作面內(nèi)發(fā)育有斷層，其中DF12 斷層對(duì)采面回采影響較為明顯，斷層影響范圍內(nèi)煤巖體破碎，采面推進(jìn)速度緩慢且采空區(qū)內(nèi)遺煤量較多。根據(jù)地質(zhì)資料顯示，31303 綜采工作面在過(guò)DF12 斷層時(shí)處于俯采狀態(tài)，采用灌漿方式防滅火效果不佳，為此在過(guò)斷層期間采用以注氮、噴灑阻化劑以及構(gòu)建臨時(shí)擋風(fēng)墻方式進(jìn)行防滅火。采用的注氮措施與采面正常回采時(shí)一直，此處不再贅述。在31303 綜采工作面過(guò)DF12 斷層時(shí)，通過(guò)采面運(yùn)輸順槽內(nèi)的汽霧阻化泵向采面內(nèi)噴灑阻化劑（MgCl2），阻化劑噴灑量應(yīng)超過(guò)100 kg/d。

為確保過(guò)斷層期間采面漏風(fēng)量，在進(jìn)入斷層影響區(qū)后，在31303 綜采工作面進(jìn)回風(fēng)巷與采空區(qū)相通位置按照30～40 m 間隔搭設(shè)臨時(shí)隔離墻，并在隔離墻四周噴涂防火密閉材料。采面進(jìn)風(fēng)巷構(gòu)建的臨時(shí)隔離墻應(yīng)接頂，實(shí)現(xiàn)全密閉；回風(fēng)側(cè)構(gòu)建的臨時(shí)隔離墻與頂板留600 mm 間隔，并安裝CO、CH4傳感器，實(shí)現(xiàn)外溢有害氣體成分實(shí)時(shí)檢測(cè)。具體臨時(shí)隔離墻布置情況，如圖2 所示。

圖2 回采巷道臨時(shí)隔離墻布置圖

2.3 鄰近采空區(qū)防滅火

由于31303 綜采工作面回風(fēng)順槽與31101 綜采工作面間僅留設(shè)6 m 窄煤柱，煤柱在采動(dòng)影響下裂隙發(fā)育且存在有漏風(fēng)裂隙，容易引起鄰近的31101 綜采工作面采空區(qū)內(nèi)遺煤自燃。為此，通過(guò)布置鉆孔構(gòu)建束管監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)31101 采空區(qū)內(nèi)其他成分實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；并通過(guò)向鄰近采空區(qū)注氮、鄰近采空區(qū)灌漿、煤柱表面噴灑密閉材料以及煤柱內(nèi)注漿等方式實(shí)現(xiàn)防滅火[7-8]。

打入式開(kāi)口鋼管樁因其抗彎能力高、貫入穿透性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，在水平力較大、持力層埋深較深、沉樁貫入難度較大、自由端較長(zhǎng)時(shí)廣泛采用。因土塞效應(yīng)尚未建立完善的理論計(jì)算，開(kāi)口鋼管樁承載力量化分析更為復(fù)雜和困難。基于既有理論研究分析，推演提出針對(duì)以密實(shí)砂層為持力層的開(kāi)口鋼管樁土塞效應(yīng)的理論分析計(jì)算，并通過(guò)規(guī)范推演計(jì)算、高應(yīng)變動(dòng)力檢測(cè)結(jié)果對(duì)比分析，對(duì)于以密實(shí)砂層為持力層的開(kāi)口鋼管樁豎向極限承載力計(jì)算具有一定的參考意義。

2.3.1 束管監(jiān)測(cè)

在31303 回風(fēng)順槽內(nèi)距巷道頂板1 000 mm 位置施工鉆孔，鉆孔貫通整個(gè)煤柱，鉆孔兩端分別用快凝水泥封堵。通過(guò)鉆孔向鄰近采空區(qū)內(nèi)放置取氣束管、穩(wěn)定傳感器，對(duì)鄰近采空區(qū)內(nèi)氣體成分以及溫度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。具體布置，如圖3 所示。

圖3 監(jiān)測(cè)鉆孔結(jié)構(gòu)圖

2.3.2 窄煤柱封堵

2.3.2.1 窄煤柱表面噴涂密閉材料

窄煤柱存在漏風(fēng)裂隙是導(dǎo)致鄰近采空區(qū)遺煤自燃的主要原因，因此在31303 綜采工作面回采時(shí)應(yīng)注重煤柱漏風(fēng)裂隙封堵工作。超前采面前方50 m 范圍內(nèi)的煤柱在采動(dòng)壓力影響下變形較為明顯，漏風(fēng)較為嚴(yán)重，因此此范圍應(yīng)重點(diǎn)噴。同時(shí)窄煤柱上有明顯裂隙或者明顯變形位置也應(yīng)噴涂，以便切斷采空區(qū)漏風(fēng)通道。窄煤柱表面噴涂選用的密閉材料型號(hào)為SPA-3快速密閉材料。

2.3.2.2 窄煤柱注漿加固

在超前31303 綜采工作面前方50 m 范圍內(nèi)，按照5 m 間隔向煤柱內(nèi)施工注漿鉆孔，鉆孔孔深3 m，對(duì)煤柱進(jìn)行注漿加固。注漿選用可注性強(qiáng)、注漿效果好的化學(xué)漿液，具體鉆孔注漿量可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況調(diào)節(jié)。

當(dāng)31301 采空區(qū)內(nèi)遺煤有自燃發(fā)火風(fēng)險(xiǎn)時(shí)，通過(guò)31303 回風(fēng)巷向窄煤柱內(nèi)施工鉆孔，通過(guò)鉆孔向鄰近采空區(qū)內(nèi)進(jìn)行注氮、灌漿。注漿管路為31303 回風(fēng)巷內(nèi)鋪設(shè)的108PE 管，注氮鉆孔按照20～30 m 間隔，特殊情況下可將鉆孔間隔縮短至10 m；通過(guò)鉆孔向鄰近采空區(qū)內(nèi)插入注氮管，注氮管深度到采空區(qū)內(nèi)（與窄煤柱間距）在3～5 m。在注氮期間應(yīng)通過(guò)布置的束管持續(xù)對(duì)鄰近采空區(qū)內(nèi)氣體成分、溫度等監(jiān)測(cè)。

若發(fā)現(xiàn)31301 采空區(qū)內(nèi)有高溫區(qū)時(shí)，可施工灌漿鉆孔向采空區(qū)內(nèi)此時(shí)灌漿，鉆孔間隔在20～30 m，特殊情況下可將鉆孔間距縮至10 m。

3 防滅火技術(shù)效果分析

31303 綜采工作面在正常條件下保持6 m/d 推進(jìn)速度，由于推進(jìn)速度較快，采空區(qū)內(nèi)遺煤可及時(shí)進(jìn)入到窒息帶，因此在31303 回風(fēng)巷內(nèi)、回風(fēng)隅角等位置均未監(jiān)測(cè)到CO 涌出。

在31303 綜采工作面過(guò)斷層時(shí)，由于采面推進(jìn)速度平均為1 m/d，采面推進(jìn)速度緩慢加之煤柱裂隙漏風(fēng)、采空區(qū)漏風(fēng)等，導(dǎo)致31301 采空區(qū)以及31303 采空區(qū)均有CO 涌出，31301 采空區(qū)監(jiān)測(cè)到CO 濃度最高為33×10-6、31303 采空區(qū)最高體積分?jǐn)?shù)為47×10-6，待及時(shí)采取防滅火技術(shù)措施后，采空區(qū)內(nèi)CO 濃度持續(xù)降低。具體過(guò)斷層期間防滅火措施實(shí)時(shí)后，31301采空區(qū)內(nèi)CO、氧氣濃度變監(jiān)測(cè)曲線，如圖4 所示。

圖4 回采期間相鄰采空區(qū)CO 及氧氣濃度變化曲線

4 結(jié)論

1）31303 綜采工作面回風(fēng)巷與鄰近的31301 采空區(qū)間留設(shè)有6 m 窄煤柱，回采的3#煤層具有自燃發(fā)火傾向性，同時(shí)采面開(kāi)采范圍內(nèi)發(fā)育有斷層等地質(zhì)構(gòu)造。受采面漏風(fēng)影響，采面正常推進(jìn)以及過(guò)斷層構(gòu)造期間面臨本采面及鄰近采面采空區(qū)以內(nèi)自燃問(wèn)題。為此，文中31303 綜采工作面現(xiàn)場(chǎng)情況，從正?；夭梢约斑^(guò)斷層構(gòu)造兩個(gè)方面出發(fā)，針對(duì)性提出防滅火技術(shù)措施。

2）在31303 綜采工作面正?；夭蓵r(shí)，通過(guò)適當(dāng)增加采面推進(jìn)速度確保采空區(qū)遺煤快速進(jìn)入到窒息帶；并配合采空區(qū)注氮、灌漿等措施避免遺煤自燃。在過(guò)斷層時(shí)，由于采面推進(jìn)速度緩慢、采空區(qū)內(nèi)遺煤量較大，提出在31303 綜采工作面回采巷道與采空區(qū)連接處增設(shè)臨時(shí)隔離墻減少漏風(fēng)量，窄煤柱噴灑密封材料、注漿等措施封堵窄煤柱漏風(fēng)裂隙，噴灑阻化劑機(jī)持續(xù)注氮降低遺煤自燃發(fā)火風(fēng)險(xiǎn)；由于留設(shè)窄煤柱，導(dǎo)致31301 采空區(qū)漏風(fēng)嚴(yán)重，當(dāng)采空區(qū)遺煤有自燃發(fā)火問(wèn)題時(shí)則綜合采用注氮、注漿等方式進(jìn)行防滅火。

2）現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用后，31303 綜采工作面得以安全高效回采，有效解決了留設(shè)窄煤柱面臨的采空區(qū)漏風(fēng)量大、遺煤自燃發(fā)火防治難度高等問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了采面煤炭高效安全回采。