特厚煤層綜放工作面初采期間瓦斯和火綜合防治技術

賈麗雯

1 工作面概況

同忻煤礦西8101綜放工作面開采石炭系3-5#煤層,煤層平均厚度16.44 m,屬自燃煤層,最短自然發(fā)火期為42d,工作面平均絕對瓦斯涌出量達11.97 m3/min。8101工作面位于3-5#層北一盤區(qū)西翼，工作面平均走向長度2 141 m，傾向長度235 m，采用綜采放頂煤開采。西8101工作面巷道采用三巷布置，分別為西2101巷進風，西5101巷回風，西8101巷為頂抽放。西8101頂板抽放巷沿3-5#煤層頂板布置，與西5101巷內錯15 m。在西8101頂抽巷與采空區(qū)塌通后，在頂抽巷正巷口構筑一道密閉并嵌入5趟φ530 mm的鋼管，利用2BEC-72型瓦斯抽放泵抽采工作面瓦斯。西8101工作面上覆為永定莊礦侏羅系11#、12#、14#煤層采空區(qū)，14#煤層距石炭紀3-5#煤層間距140 m～170 m。工作面布置情況見圖1。

圖1 8101采掘工程平面圖

2 工作面瓦斯和采空區(qū)自燃情況分析

根據東8101工作面回采期間監(jiān)測數據及初采期間可能存在瓦斯及發(fā)火隱患進行分析，具體情況如下：

（1）8101工作面正常回采期間采用頂板高抽巷治理上隅角瓦斯，8101工作面老頂為質地較硬、厚度為9.46 m的粗砂巖，結合鄰近工作面回采情況，工作面初次來壓步距為80 m～100 m，工作面從開切眼推進后，初采30 m范圍，由于壓力小，頂煤難于冒放，初采期間后面沒有矸石，頂煤冒落后也難于回收。因此在此期間，頂巷無法和采空區(qū)溝通，頂抽巷不能發(fā)揮截流放煤涌出瓦斯作用。

（2）采空區(qū)懸空區(qū)內容易集聚大量高濃度瓦斯，頂板垮落前部分瓦斯被工作面漏風風流帶向工作面上隅角，極易造成上隅角瓦斯超限。

（3）由于初采期間，不放頂煤，導致采空區(qū)存在大量遺煤，同時大面積懸空區(qū)會增大漏風量，增加氧化帶面積，采空區(qū)遺煤存在發(fā)火隱患。

3 工作面瓦斯治理技術研究

針對現場實際情況，采取預抽煤層瓦斯、強化工作面抽采、地面鉆孔抽放、上隅角埋管抽放、水力壓裂弱化頂煤的綜合瓦斯治理措施[1]。

3.1 采前預抽

圖2 順層長鉆孔布置示意圖

根據西8101工作面煤層賦存條件，設計采用上下兩排順層長鉆孔預抽3-5#煤層瓦斯。在西5101巷中向西2101巷方向施工順層長鉆孔，每隔5 m布置1組鉆孔，共布置40組鉆孔；每組鉆孔分為上下2個鉆孔（上孔與下孔水平距離為0.3 m），上排鉆孔開孔高度為1.8 m、終孔位于煤層3-5#煤層頂板，下排鉆孔開孔高度為1.2 m、終孔位于煤層中部。鉆孔布置圖見圖2。

3.2 回風巷高位抽放

由于高抽巷未能充分發(fā)揮作用，采用如下措施強化抽采：

（1）利用CMS1-6000/90煤礦用深孔鉆車，在工作面切眼斜向頂抽巷施工φ150 mm鉆孔，孔間距3 m，切眼布置10個鉆孔，使頂抽巷與預放煤體提前溝通，工作面生產時減緩放煤速度，利用鉆孔抽采預放煤體因卸壓解析的瓦斯，減少流向采空區(qū)瓦斯量。

（2）在工作面回風巷施工高位鉆孔，利用8101工作面預抽瓦斯管路抽采上隅角及預放煤體瓦斯，每隔5 m布置一組，每組4個φ150 mm鉆孔，鉆孔開孔點在回風巷頂板，開孔間距0.5 m，封孔長度3 m。

（3）施工地面鉆孔

采用地面鉆孔加強對工作面卸壓預放煤體抽采，并截流采空區(qū)漏風風流，能夠有效減小采空區(qū)涌向工作面上隅角瓦斯。具體布置參數為：距工作面回風巷內側50 m，距工作面切眼30 m處施工一個DN300地面鉆孔，距第一個地面鉆孔30 m處施工第二個DN300地面鉆孔。

（4）上隅角埋管抽放瓦斯[2]

將西5101巷布置的DN350抽放鋼管，在工作面50 m范圍變徑成2趟φ108鋼絲纏繞管，引到上隅角位置，利用瓦斯抽放泵對上隅角進行抽放，通過抽放負壓，截流采空區(qū)漏風風流，能夠有效減小采空區(qū)涌向工作面上隅角瓦斯。

3.3 水力壓裂弱化頂煤

考察8101二切眼處的煤體破碎情況，由于煤體不易破碎，采取水力壓裂弱化頂煤措施。設計分別在切眼、5101巷布置鉆孔進行水力壓裂，壓裂弱化頂煤，增強頂煤透氣性，使頂板及時垮落，避免瓦斯集中釋放和采空區(qū)瓦斯一次性大量涌出，使頂巷即使于切眼溝通，達到治理初采瓦斯超限的目的。

設計沿8101工作面切眼每隔20 m施工一組鉆孔每組4個，共10組40個鉆孔，5101巷距切眼60 m范圍內每隔20 m施工3組每組4個共12個鉆孔。

4 工作面內因發(fā)火防治技術

根據8101工作面實際生產情況，確定采取以注氮為主，結合阻化劑防火、堵漏等綜合防滅火措施。

4.1 加強束管火災監(jiān)測系統(tǒng)

在8101工作面共布置4個束管監(jiān)測點，第1個測點沿工作面回風順槽布置在切眼處，回采后隨工作面推進埋入采空區(qū)，直至工作面回采結束或進入窒息帶后氣體濃度不再發(fā)生變化；在回風順槽與第1個測點分別間隔30 m和60 m布置第2個測點和第3個測點，隨工作面推進埋入采空區(qū)，第2個測點和第3個測點逐步經歷冷卻帶、氧化帶和窒息帶，監(jiān)測采空區(qū)氣體組分和濃度，同時可以推算出8101工作面“三帶”寬度，當第2個測點和第3個測點進入窒息帶后重新布置第2個測點和第3個測點；在回風隅角設置第4個移動測點，隨工作面推進而移動，監(jiān)測上隅角氣體組分和濃度[3]。

束管監(jiān)測系統(tǒng)對采空區(qū)和上隅角的O2、N2、CO、CH4、C2H4等氣體含量實現24小時連續(xù)循環(huán)監(jiān)測，經過對自然火災標志氣體的確定和分析，及時預測預報發(fā)火點的自燃進程變化。

4.2 強化采空區(qū)注氮

（1）切眼橫向注氮

在工作面設備安裝期間，沿工作面切眼橫向布置一趟注氮支管路，沿工作面切眼布置至回風巷，實現采空區(qū)均勻注氮，預防因注氮不均引起遺煤自燃。

（2）采空區(qū)強化注氮

停止切眼橫向注氮后，采用邁步式注氮對采空區(qū)進行強化注氮，初期移動步距暫定30 m。在方案具體實施過程中，將根據對采空區(qū)“三帶”的動態(tài)變化規(guī)律及采空區(qū)氣體分布規(guī)律的實時調整注氮步距，最大注氮步距不應大于50 m。

4.3 切眼噴灑阻化劑

回采工作面安裝前對開切眼周邊煤壁及擴切眼側頂煤破碎離層等自燃危險區(qū)域采用直接噴灑阻化劑的措施。

4.4 端頭封堵

在工作面進回風端頭空頂的情況下，采取堵漏風措施，構筑密閉墻堵，暫定每推進20 m構筑一道堵漏風墻，控制向采空區(qū)的漏風。進回風端著跨落較好時，間距10 m對上下端著實施噴漿，封堵裂隙漏風，降低“兩道”煤體氧化速率。

4.5 利用地面抽放鉆孔注漿

地面抽放鉆孔抽放瓦斯的同時，進行O2、CO、C2H4、C2H2等氣體和溫度的監(jiān)測。檢測到瓦斯抽采過程中發(fā)現產生CO并持續(xù)上升時，停止地面鉆孔瓦斯抽采，利用地面鉆孔進行8101采空區(qū)預防性注漿。

5 效果分析

8101工作面在初采期間，采取瓦斯和火協(xié)同治理技術，上隅角CH4穩(wěn)定在0.2%～0.3%之間，未檢查出CO氣體，瓦斯和火綜合防治技術有效的保障了工作面初采期間安全開采。

6 結論

（1）特厚煤層綜放工作面通過煤層預抽、強化瓦斯抽采、上隅角抽放、地面瓦斯抽放瓦斯綜合防治有效治理了特厚煤層綜放開采期間工作面上隅角瓦斯超限隱患。

（2）通過水力壓裂弱化頂煤、工作面切巷斜向頂抽巷施工鉆孔讓頂抽巷提前溝通，發(fā)揮頂抽巷截流采空區(qū)漏風風流，能夠有效減小采空區(qū)涌向工作面上隅角 瓦斯。

（3）通過強化采空區(qū)注氮、切眼噴灑阻化劑、端頭封堵有效防止了采空區(qū)遺煤自然發(fā)火。

（4）施工地面鉆孔即可進行瓦斯抽放，在停止抽放后又可進行實施采空區(qū)灌漿，高效的利用了地面鉆孔。