“110工法”開采自燃煤層防滅火技術研究

馬利芬

(山西省煤炭建設監理有限公司,太原 030012)

切頂無煤柱開采技術又稱“110工法”,是以何滿朝院士為首的科研團隊創新提出的綠色高效采煤方法,被業界譽為第三次礦業科學技術變革。“110工法”通過定向預裂爆破切斷頂板壓力傳遞,通過恒組錨索支護留巷空間,沿空留巷實現Y型通風。它改變了回采面區段間留設煤柱,兩側掘進巷道的傳統做法,解決了常規開采方法巷道掘進率高、煤炭采出率低、回采面上隅角瓦斯易超限的問題[1-2]。

“110工法”因其安全、環保、綠色、經濟等優勢逐漸在各地推廣應用。實踐證明,在自燃煤層中應用“110工法”存在采空區封閉不嚴,漏風嚴重的問題,加之采空區浮煤的存在,加劇了煤層自燃。如何有效防治煤層自燃發火,成為制約“110工法”在自燃煤層中推廣應用的關鍵技術[3-4]。

本文在分析“110工法”開采易自燃煤層自燃發火機理的基礎上,采用技術經濟對比分析方法,研究確定適合煤層開采條件的防滅火技術。進而為具有類似工程地質條件的自燃煤層應用“110工法”提供參考。

1 工程概況

某煤礦開采位于石炭系山西組的15號煤層,厚度3.01～4.50 m,平均4.20 m,屬厚煤層。井田的地質構造復雜程度為簡單類型,水文地質類型為中等,回采工作面最大絕對瓦斯涌出量為1.38 m3/min,為低瓦斯礦井,15號煤層煤塵無爆炸危險性,屬于Ⅱ類自燃煤層,地溫地壓屬正常區。15號煤層基本頂為K2石灰巖,直接頂為泥巖和煤互層,下部常夾一層泥巖偽頂；底板為泥巖、鋁土質泥巖,厚度較大。

回采工作面采用長壁、后退式一次采全高綜合機械化采煤方法,采用全部跨落法管理頂板。回采面采用“兩進一回”Y型通風方式,采用3巷布置。軌道進風順槽為主進風巷,配風量1 270 m3/min;膠帶進風順槽為輔助進風巷,配風量500 m3/min;工作面回風通過尾部留巷和相鄰工作面巷道回至采區回風巷。首采工作面切眼長度200 m,推進長度568 m,煤層厚度3.3 m,蓋山厚度125 m。在膠帶進風順槽內施工沿空留巷,設計斷面為矩形,凈寬4.8 m,凈高3.5 m,凈斷面16.8 m2;掘進寬度5.0 m,掘進高度3.6 m,掘進斷面積為18.0 m2。工作面順槽巷道沿煤層頂板掘進。回采工作面布置如圖1所示。

圖1 回采工作面布置示意圖Fig.1 Layout of mining face

2 防止采空區漏風方案研究

2.1 自燃發火機理研究

針對“110工法”和Y型通風方式下的煤層自燃發火機理,諸多學者已進行了相關研究[5-8]。從工作面布置和沿空留巷方式來看,由于采空區封閉不嚴,Y型通風方式在風壓的作用下,采空區漏風嚴重,如圖2所示。采空區漏風進一步加劇了煤層自燃,這樣就給采用“110工法”開采的自燃煤層工作面安全生產埋下隱患。

圖2 Y型通風方式下采空區漏風示意圖Fig.2 Air leakage in goaf under Y-type ventilation

2.2 方案比選

由煤層自燃發火機理可以看出,有效封閉采空區減少漏風是保障“110工法”在自燃煤層成功應用的關鍵。為減少采空區漏風,提出如下三個方案進行技術經濟比較。

方案一充填袋支撐墻方案

首先,在留巷順槽內施工定向預裂爆破切斷頂板壓力傳遞。其次,施工一排恒阻錨索加固頂板。在此基礎上,留巷順槽尾部靠近采空區側采用高水材料充填形成支撐墻,充填袋尺寸為3.6 m(長)×2.0 m(寬)×3.3 m(高),充填體強度為8 MPa。一方面,充填袋支撐墻與恒阻錨索一起支撐頂板,維護留巷空間;另一方面,充填袋支撐墻封閉采空區,起到封閉的作用。經測算,采用該方案的工程造價為每米9 350元。

方案二密集支柱+噴漿(或高分子材料)封閉方案

采用定向預裂爆破切斷頂板壓力傳遞,并布置兩排恒阻錨索加固頂板。在此基礎上,留巷順槽尾部靠近采空區側布置一排單體支柱,柱距500 mm,在單體支護間固定木板,并噴射100 mm厚混凝土,其中隨工作面推進初噴50 mm,待巷道進入成巷穩定區(200 m)以后,再復噴至100 mm。經測算,采用該方案的工程造價為每米6 910元。

方案三密集支柱+高水充填隔墻方案

方案三與方案二的不同在于在密集單體支柱間不采用噴漿封閉,而是在密集單體支柱內靠近采空區側建筑高水充填袋形成隔墻,隔墻厚度500 mm,長度3.0 m,高度3.3 m。經測算,采用該方案的工程造價為每米8 670元。

各方案優缺點及技術經濟比選結果如表1所示。

表1 方案技術經濟綜合比選匯總表Table 1 Technology and economy comparison of the plans

方案比選:從封閉效果來看,方案一與方案三相同,較方案二好,同時,方案三成本較方案一低,因此,優選方案三;從生產成本來看,方案二優于方案三,均優于方案一。技術經濟綜合考慮,推薦采用方案三,即密集支柱+高水充填隔墻方案。

2.3 方案實施

2.3.1巷旁密集支柱支護施工工藝

工作面回采后,沿切頂線內錯600 mm支設一列密集單體柱,柱距500 mm。一方面,用于支撐頂板,減少因采動應力造成的頂板下沉;另一方面,密集單體支柱用于懸掛和固定高水充填袋,并與高水充填擋墻共同起到阻擋矸石涌入巷道的作用。

在過渡支架后方設置一架擋矸支架。設置擋矸支架一方面防止垮落的矸石涌入巷道,另一方面也是鋼筋梯子梁和高水充填袋的操作空間。與擋矸支架平行搭接金屬網、鋼筋梯子梁和充填袋。單根單體支柱在架設前需要做柱窩,柱窩至少低于巷道底板100 mm。密集支柱+高水充填隔墻施工工藝圖見圖3所示。

圖3 密集支柱+高水充填隔墻施工工藝圖Fig.3 Construction drawing of dense-pillar and high-water-filling-partition-wall

為防止靜電通過金屬網導入采空區,擋矸金屬網每隔50 m采用單排塑料網(網寬1 m)進行全斷面隔斷。

2.3.2高水充填隔墻施工工藝

澆筑500 mm厚高水充填體構筑隔墻的具體技術方案為:在擋矸支架掩護區內靠近采空區側,距離密集單體柱500 mm處設置鋼筋梯子梁,用Φ18 mm鋼筋將鋼筋梯子梁與單體柱金屬網連接固定,鋼筋梯子梁間距1 000 mm。在單體柱與鋼筋梯子梁之間懸掛充填袋,袋子規格為3 000 mm×500 mm×3 600 mm(長×寬×高),然后向袋子里充填高水材料,保證充填體接頂嚴密。袋式充填隔墻如圖4、圖5所示。

圖4 高水充填體隔墻側視圖Fig.4 Side view of high-water-filling-partition-wall

圖5 高水充填體隔墻斷面圖Fig.5 Cross-section view of high-water-filling-partition-wall

充填體抗壓強度按3～5 MPa考慮,甲料:乙料=1:1,水灰質量比暫按3:1考慮,施工期間根據填充情況進行調整。

3 其他防滅火措施

除了上述采空區封閉方案外,針對采空區遺煤封閉和防滅火問題,還采取了包括束管監測、噴灑阻化劑和注凝膠在內的綜合防滅火措施[9-10]。

3.1 監測方面的措施

礦井裝備KJ83X型監測監控系統,實現對CO、溫度和CH4等指標的動態監控;裝備SG-2003型地面永久束管監測系統,實現對自燃發火標志性氣體的分析和監測,并定期檢查、分析整理,發現自燃發火指標超過或達到臨界值等異常變化時,立即發出自燃發火預報,采取措施進行處理。

根據15號煤層特點,初步確定標志氣體及預測預報指標體系，主要以CO為主,C2H4、C2H2為輔。當監測到CO體積分數超過24×10-6以后,溫度超過80 ℃,表明煤開始迅速氧化,應發出預警,采取預防措施;當檢測出C2H4,煤溫已經達到180～210 ℃,是煤自燃進程加速氧化階段的標志,采取針對性自燃防治措施迫在眉睫;當監測出C2H2,說明煤溫已經超過220 ℃,表明煤自燃發火步入激烈氧化階段,很快就會發展到明火,此時采取滅火措施時應注意高溫火源可能引起爆炸等次生災害。所有檢測分析結果必須記錄在專用的防火記錄薄內,并定期檢查、分析整理,發現自燃發火指標超過或達到臨界值等異常變化時,立即發出自燃發火預報,采取措施進行處理。

3.1.1回采工作面采空區束管監測

在回采前沿工作面兩側順槽靠保護煤柱一幫(距頂板不大于200 mm)敷設束管至工作面開切眼,并在開切眼處設置1個束管監測點,隨著工作面的推進,每隔一定距離(30～50 m,根據現場實際采空區三帶劃分進行調整)增置1個束管監測點,保證采空區內部每一側束管監測點不少于3個。監測點進入采空區后就取樣分析,當最后的監測點進入窒息帶后即可斷開并重新埋設。以此類推,直至工作面回采結束。

工作面束管采樣系統布置示意圖見圖6。

圖6 工作面束管采樣系統布置圖Fig.6 Layout of beam tube sampling system on the working face

3.1.2回采工作面上隅角和工作面留巷尾部束管監測

在回采工作面上隅角布設一個束管監測點,用于監測上隅角有毒有害氣體濃度,分析判斷工作面以及進風順槽發火情況。另外,在工作面留巷尾部增設一個束管監測點,用于判斷采空區和留巷順槽發火情況。工作面上隅角及留巷尾部束管監測和采空區束管監測共用抽氣泵,滿足束管采氣要求。

3.2 噴射阻化劑防滅火措施

噴灑阻化劑作為生產期間的日常防火措施。對于回采工作面,每割一刀煤即從工作面機頭向機尾從支架間隙向采空區噴灑阻化劑,起到預防浮煤自燃的目的;對于裸露的煤體噴灑阻化劑起到封閉煤體的作用。

在工作面兩側順槽適當位置(盡量靠近工作面)放置阻化劑藥箱,將氯化鈣(CaCl2)倒入儲液箱,用供水管路嚴格按比例加足清水,配成質量分數15%的溶液攪拌均勻后,用礦用液壓泵(置于平板車上)將阻化液沿順槽鋪設的Φ38.1 mm無縫鋼管壓至工作面,與膠管和噴槍相連。一臺泵配一支噴槍,由專人手持噴槍,從工作面機頭向機尾，從支架間隙向采空區噴灑,工作面割煤后每班進行噴灑。

針對順槽煤柱和留巷段煤柱發火主要采用噴灑阻化劑的防滅火方式,采用工作面移動式噴灑系統對兩順槽煤柱側和留巷段煤柱進行噴灑。隨著工作面的推進噴灑系統向前移動并完成兩側順槽煤柱和留巷段煤柱的噴灑工作,噴灑至煤壁滲出阻化劑為準,保證順槽煤柱側在回采前完成噴灑阻化劑的防滅火工作,留巷段煤柱為定期噴灑。

3.3 凝膠防滅火措施

注凝膠作為滅火措施,當井下任一地點(含采空區)出現自燃標志性氣體超標;空氣、煤炭、圍巖及其他介質溫度超過70℃或出現火炭、火焰、煙霧等明火時,應實施注凝膠滅火。

采用NJB-100/10-G型凝膠泵,凝膠由基料、促凝劑和水按比例混合而成。基料:促凝劑:水=10:4:86(質量比)。

采空區采用打鉆注凝膠方式。在留巷內向采空區打鉆注膠,鉆孔Φ89 mm,鉆孔間距根據凝膠成膠時間和覆蓋范圍由現場實際確定,暫定為5 m。工作面采空區打鉆注凝膠示意圖見圖7。

圖7 工作面采空區打鉆注凝膠示意圖Fig.7 Drilling and injecting gel in goaf of working face

4 應用效果分析

首采工作面自2019年7月投產至今已安全推進207 m,監測結果顯示:留巷內CO體積分數最低為0,最高為0.001 2%,平均為0.000 3%;CH4體積分數處于0.03%～0.05%之間,自燃發火標志氣體未出現超限。工作面漏風監測采空區漏風率控制在5%以內。實踐證明，采用上述方案能夠有效防止煤層自燃發火。

5 結論

1)“110工法”開采工藝造成的采空區漏風嚴重,是制約其在自燃煤層中推廣應用的主要問題,因此,如何更好地控制采空區漏風是解決問題的關鍵。

2)通過技術經濟，對比分析方法,確定密集支柱+高水充填隔墻方案是解決采空區漏風的技術可行、經濟合理的方案。

3)工程實踐證明,采用密集支柱+高水充填隔墻方案解決采空區漏風問題,同時配合束管監測系統、噴灑阻化劑和注凝膠防滅火措施,保證了“110工法”在自燃煤層的安全應用。