承壓水上自燃厚煤層開采技術研究

摘 要:針對東井9＃煤底部有本溪灰巖和奧陶系灰巖兩層灰巖的特殊賦存狀態以及煤層自燃發火期短的特點，采取提前全面改造本溪灰巖為隔水層的防治水研究和巷道噴涂粘土水泥漿、工作面預埋注漿管路的防滅火研究以達到安全回采。

關鍵詞:承壓水自燃防治水防滅火

中圖分類號:TD823文獻標識碼:A文章編號:1674-098X(2011)07(a)-0054-02

1 概況

葛泉礦東井是新開拓的下組煤試采區，位于葛泉井田東部西油村、大油村一帶，距葛泉礦井約2.5km，走向長約2.2km，傾斜寬約1.9km，面積3.8km2，可采儲量832萬噸，生產能力30萬噸／年，服務年限18.49年。礦井采用立井單水平上山開拓，分東西兩翼，西翼采區工作面采用傾向布置，東翼工作面采用走向布置，工作面面長75m左右，兩工作面之間留4m小煤柱，工作面巷道均沿底托頂煤掘進。

本區北以F12、F6，南以F13斷層與葛泉井田主采區為界，北部、東北部均以9#煤露頭線為界，相對葛泉井田構成獨立抬升的構造塊段。本區9#煤賦存較淺，煤層厚度大(6m左右)，9#煤層至奧灰頂面的隔水層厚達38～55m，一般在40m以上。目前，本區奧陶系灰巖水水位標高在+40m左右，試采區-150水平以上，絕大部分范圍突水系數都小于0.06MPa/m，屬相對安全區。煤層含硫高，普遍發育一至兩層黃鐵礦結核，煤層自燃發火期為67天，屬于二類自燃煤層。

2 防治水技術研究

2.1 水文地質情況

經論證，在對煤層底板隔水層及本溪灰巖含水層進行注漿加固改造并采取帶壓開采配套防治水措施以后，-150水平以上具備帶壓開采9#煤的水文地質條件。但是在巷道開拓掘進過程中發現，9#煤層底板下伏本溪灰巖含水層厚度大，巖溶裂隙發育，局部構造發育巷段甚至掘進過程中就發生底板水涌出。經測量發現，本溪灰巖含水層的水位標高與奧陶系灰巖強含水層基本一致;且本灰打鉆出水期間，奧灰觀測孔水位有明顯下降;水質化驗結果顯示，本灰水與奧灰水的水化學特征十分相似，均為HCO3-Ca-Mg型水。因此判斷本灰與奧灰之間存在密切的水力聯系，已經連通為一個含水體。對9#煤開采構成嚴重威脅。面對嚴峻的防治水形勢，經河北金牛能源股份有限公司決定，委托煤炭科學研究總院西安研究院與葛泉礦會同公司科技部聯合公關，對下組煤開采防治水技術進行研究。

針對葛泉礦下組煤試采區薄隔水層、大導高、本灰與奧灰雙層高承壓巖溶裂隙含水層復合為一個含水體的復雜水文地質條件，煤炭科學研究總院西安研究院在分析礦井地質和水文地質條件的基礎上，提出了“精細探查，先探后掘;注漿改造，先治后采;全程監控，全面設防”的帶壓開采防治水技術路線。

2.2 防治水技術措施

a.在巷道掘進前，實施了地面高分辨率三維地震勘探與瞬變電磁勘探;在巷道掘進階段鉆探與物探相結合，先組織實施長距離底板注漿加固改造本溪灰巖含水層，超前鉆結束后進行直流電法超前探測，對低阻異常區在巷道底板打鉆驗證，對鉆探驗證的前方富水區段進行超前預注漿，巷道掘進時保持20m的鉆探、物探超前距;對已經掘成的巷道底板破碎區段，組織實施直流電法側向探測和電測深，對低阻異常區在巷道底板打鉆驗證，對鉆探驗證的巷道底部和兩幫富水區段進行底板注漿加固，從而避免了滯后突水事故的發生。

b.在工作面巷道形成以后，安排了坑透探測，對工作面內部構造發育情況進行勘探。工作面回采前，利用地面注漿站及井上下結合的自動化注漿系統對工作面底板進行鉆探注漿。工作面底板全面注漿改造工程分三個階段進行施工，經過兩輪鉆探注漿后，此后，組織實施井下瞬變電磁、音頻電透視等物探工作，對注漿改造效果進行探查。第三階段鉆探發現，鉆孔涌水量有了大幅度減小，本灰含水層富水性很弱，原有的導升裂隙已經基本得到了封堵。從減小工作面采后涌水量的角度出發，分析物探與鉆探成果對局部注漿效果差的區段進行了補充注漿。經過專家論證后，認為具備安全回采條件，首采工作面(1192工作面)于2006年9月正式投產。

c.在工作面回采過程中，按照設計要求，組織實施了煤層底板突水監測與圍巖應力、應變探測;在工作面回采至停采線附近時，組織實施了注水試驗觀測。在整個工作面回采過程中，還對工作面采后涌水量進行了觀測。

采用上述防治水技術方法，實現了1192工作面的安全回采，采出原煤24萬噸，目前工作面采后涌水量在26m3/h左右。采用同樣的防治水技術手段，已經安全回采1190、1194、1191、1193四個工作面。

上述應用效果證明，1192工作面帶壓開采防治水技術路線的手段是科學合理的，適合本區開采條件，既科學合理又突出重點，在取得顯著的經濟效益的同時，獲得了以下技術參數:

(1)查明本灰水原始導高為5～5m，最大達18m，其導高帶普遍發育;

(2)注漿加固與改造的目的層為煤層底板下10m至本溪灰巖底板下2m的含導水構造;

(3)探索了適合本區的注漿結束標準:結束壓力:6～8MPa;結束吸漿量，一般35L/min以下。

(4)本區9#煤底板適合漿液水灰比在4:1以上的稀漿灌注。

(5)制定了本區注漿改造效果量化評價指標:

注漿孔密度達到450m2/孔，鉆孔平均間距小于15m;

檢查孔個數占注漿孔個數的30%以上;

檢查孔單孔涌水量小于20m3/h;

80%的區段初見本灰水深度大于15m，初見本灰水量小于3m3/h。

(6)由注水試驗和突水監測結果，確定1192工作面底板最大破壞深度為12.5m，主要位于煤層底板本溪灰巖上部粉砂巖中。

上述防治水技術方法和所取得的技術參數，對本區今后9#煤開采具有重要的指導作用，并對公司所屬其它礦井在相似條件下開采9#煤具有參考作用。

3 防滅火技術研究

3.1 自然發火情況

(1)1192工作面是葛泉礦東井9#煤第一個工作面，2006年6月25日切眼貫通，9月開始試采，10月12日中班工作面回風隅角發現CO，到2007年5月1日工作面停采搬家時出現高溫異常點，表層溫度36℃，回風流中在檢測到一氧化碳的同時也檢測到乙烯，表明采空區浮煤進入快速氧化階段。

(2)1190工作面是葛泉礦東井第二個工作面，08年3月10日工作面停采擴幫，3月22號夜班支架后部出現了明火，回風流中CO濃度達到200ppm并呈逐漸升高趨勢。

3.2 自然發火原因分析

(1)九號煤層屬二類自燃煤層，有自燃發火傾向性，化驗發火期僅為67天，煤層易氧化，發火期較短。

(2)煤層及其夾矸中普遍含有硫鐵礦結核、高硫夾矸;硫化物的存在和快速氧化放出的熱量，對煤的氧化自燃起到了加速劑作用。

(3)東井開采方式為綜采放頂煤，采空區遺煤多且較破碎，采空區垮落高度和空間體積大，空氣能夠在采空區浮煤中流動、擴散，增加了煤的氧化面積，使得采空區自然發火危險程度相對增加。

3.3 防滅火的綜合治理措施

自2006年6月礦井投產以來，在各級領導的大力幫助下，在科研院校的協助下，共同探索研究9#煤層放頂煤防滅火問題，通過幾年實踐我們主要采取了以下措施:

(1)建立可靠穩定的通風系統，合理配風，控制向采空區漏風。通過計算把工作面風量控制在350m3/min左右。在工作面進回風隅角掛風障，保持工作面有效通風斷面，以減少工作面兩端壓差減少向采空區漏風。

(2)在工作面開采之初，就在工作面后溜子后部采空區內預埋了注漿管路;隨工作面每推進30米就敷設一趟預埋注漿管路。

(3)工作面因遇地質構造或減產造成推進速度減緩、工作面擴幫搬家時，開始對工作面采空區連續反復注三相泡沫，直到上下隅角、工作面出現三相泡沫為止;并且工作面停采后在綜采支架間沿工作面傾斜方向向綜放支架的架縫之間打鉆孔、下鉆桿(鉆桿上打花眼)深度3～5m，然后利用地面注漿站通過鉆孔向采空區注入大量三相泡沫(附圖)，使三相泡沫在采空區內擴散、滲透，向高處堆積，降低高溫浮煤的溫度。

1192、1190工作面出現高溫點及明火時均采用以上措施進行滅火，使火災事故得到了有效控制，并迅速撲滅了火災。2008年結束的1194面由于采用以上防范措施，沒有出現高溫異常點，實現了順利回采和封閉。

(4)工作面停采前，提前做好巷道封閉準備工作并改變撤架期間通風方式:此時利用局部通風機向撤架處供風，大大減少了支架后方采空區的漏風量及漏風帶的寬度，減少采空區松散浮煤氧化帶寬度，對防滅火工作有利。

(5)密閉加固與封堵裂隙:對采空區進回風巷間壓差大的密閉墻和受采動影響遭破壞的密閉采用克瑞森注漿材料進行加固，加固堵漏技術的應用減少密閉墻漏風量，防漏風效果非常明顯。

由于巷道煤體及密閉墻體兩側煤邦壓碎嚴重，存在大量裂縫和裂隙，采用克瑞森注漿材料對巷道煤體及密閉墻體兩側煤邦裂縫和裂隙進行封堵，有效的封堵漏風通道。

(6)對布置在煤層中巷道預防火災主要應用以下常規技術:

巷道噴漿:對布置在煤層中主要運輸巷、沿空掘進巷道的煤柱幫進行噴漿封閉，既可以封堵煤壁的漏風通道，防止煤壁自燃發火，又可以對巷道與空氣進行隔絕，防止進一步風化造成煤壁片幫影響巷道支護強度。并且，我們經過反復試驗，自行研制了具有自主知識產權的復合凝土的噴涂材料(復合凝土材料、噴漿方法已申請國家專利)，既降低了噴涂巷道的成本降低了勞動強度又起到了封閉巷道的作用，隔風效果非常理想。到目前共噴涂煤巷4900多米。

沖洗巷道:增加沖洗巷道的頻率，對煤柱進行降溫，改變煤體透氣性，防止煤柱自然發火。

(7)防火預測預報措施:除安排專職瓦斯員按時、準確地對工作面各地點有害氣體和溫度進行監測外，積極推廣應用新技術:我礦于2007年9月份安裝了一套束管監測系統。該系統的使用實現井下關鍵地點的煤層自燃發火參數和礦井大氣環境參數的連續監測，把井下的煤層自燃發火參數直接傳輸到地面監控室的計算機中，并根據需要隨時或定時將參數信息以表格形式打印出來，便于礦井管理人員隨時掌握井下情況，為預測控制井下自燃發火發展情況、確保礦井安全生產奠定了基礎。

(8)積極與科研院校合作，研究工作面采空區內煤體升溫規律、有害氣體涌出變化情況和采空區“三帶”的運移規律，為防滅火提供基礎條件。我們與中國礦業大學合作，通過分析現場數據、整理，合理確定了采空區“三帶”，并制定出了防范措施。2007年10月，針對1190工作面回采過程中有計劃長時間停產，工作面停止推進;運用初步掌握的煤氧化及溫度升高的規律進行了有針對性的預防，由于采取的防范措施得力，采空區和上下隅角沒有高溫點出現，發火標志氣體濃度沒有增加。

對東井各煤層含硫量進行普查;由于煤層黃鐵礦結核及煤夾矸中含硫較高，為防止硫化物快速氧化速度快而引起火災，開展對東井各煤層含硫量進行普查，掌握含硫結核在煤層中橫向、縱向地分布規律，并分層繪制出含硫分布圖，充分掌握硫化物的分布規律和氧化規律。在此基礎上，有針對性地制定了防火預案，對防滅火注漿及防滅火的備用材料提出要求，制定了一整套滅火方案和行之有效的滅火方法。

4 經驗與教訓

(1)通過對煤層底板本溪灰巖全面改造注漿加固，已安全回采5個工作面，采取的“精細探查，先探后掘;注漿改造，先治后采;全程監控，全面設防”的帶壓開采防治水技術路線是安全、合理、經濟可行的。

(2)加強管理和預測預報工作，提高防滅火人員技術素質與責任心，回采過程中盡可能提高回采率，減少采空區遺煤;控制采空區漏風;預先埋好的注漿管路為消滅采空區高溫火點提供了有力條件，做到了有備無患。

(3)噴灑阻化劑對阻止采空區浮煤氧化效果不理想，三相泡沫是較為理想的注漿材料。通過鉆孔和采空區預埋管路向采空區注入大量三相泡沫，使三相泡沫在采空區內擴散、滲透，向高處堆積，覆蓋采空區浮煤，降低高溫浮煤的溫度，阻止了浮煤自燃。