特厚煤層留小煤柱開采瓦斯與火災防治實踐

龐葉青

（大同煤礦集團有限公司通風處，山西 大同 037003）

近年來，工作面留小煤柱開采方法在諸多煤礦中得到了廣泛的應用[1-3]。尤其是在特厚煤層開采條件下， 留小煤柱開采不僅能提高煤層開采的回收率，減少煤炭資源的浪費，而且還可以延長礦井的服務年限，從而增加煤礦的經濟效益[4]。但受地應力影響，留設的小煤柱容易擠壓變形，并產生大量的裂隙，為鄰近采空區內大量的瓦斯及有毒有害氣體涌向工作面提供了通道， 導致工作面瓦斯濃度超限；同時，受漏風的影響采空區內的遺煤容易自燃，對礦井的安全生產造成了嚴重威脅[5-7]。

1 研究背景

同忻煤礦有北一、北二兩個生產盤區。 目前主要開采3#～5#煤層，該煤層傾角平均為3°，為近水平煤層；煤層平均厚度17.52 m。礦井相對瓦斯涌出量為1.5 m3/t， 絕對瓦斯涌出量為50.53 m3/min，屬高瓦斯礦井；3#～5#煤層為自燃煤層，自然發火期為2～3個月。

同忻礦3#～5#煤層第一個留設小煤柱的工作面是二盤區西8205工作面，其設計走向長度983 m，傾向長度為200 m， 工作面采用走向長壁后退式采煤法，綜合機械化放頂煤開采工藝，采高3.9 m，放煤厚度9.8 m，采用自然跨落法頂板管理。8205工作面北翼為西二盤區8207工作面，該工作面5205順槽與8207工作面采空區預留煤柱凈寬度為8 m， 巷道全長900 m，巷道斷面為矩形斷面，規格為寬5.4 m、高3.7 m。 頂板采用錨桿、錨索和金屬網聯合支護，護幫采用錨桿配合金屬網支護。 為確保西8205工作面安全順利回采，對工作面采空區瓦斯及遺煤自燃采取綜合治理措施。 工作面位置關系見圖1。

圖1 8205工作面與8207工作面位置關系

2 8205面瓦斯和自然發火治理技術

2.1 8205面瓦斯防治技術

（1）回風隅角埋管抽采技術

在5205巷側，使用粉煤灰在回風隅角切頂線處構筑一道封堵墻， 墻厚度為1.2 m， 并在墻內敷設Φ500 mm管，在采空區內露出0.5 m，在工作面前方30 m處改成Φ600 mm骨架伸縮風筒，見圖2。隨著工作面的推進，當粉煤灰封堵墻進入采空區10 m位置時，重新再構筑一道粉煤灰封堵墻，同時將粉煤灰封堵墻前端的風筒截斷， 在管頭加一個防護網，包住管頭防止吸入煤矸等， 作為新的抽排瓦斯口，重復進行。 每隔30 m拆除5205巷內500 mm瓦斯抽采管路30 m，同時對接Φ600 mm負壓風筒，依次類推。

圖2 回風隅角埋管抽采瓦斯

（2）頂板高抽巷封閉抽采技術

西8205工作面采用三巷布置，沿煤層底板布置西5205回風順槽和西2205皮帶順槽。 西8205頂部抽采巷道沿煤層頂板布置，并與西5205回風順槽平行布置且內錯15 m，見圖1。 高抽巷與工作面導通后，將“一進一回”的工作面通風方式改為“一進一回一抽”。

實施步驟如下：將在密閉墻內敷設的2趟DN500抽采瓦斯管道和1趟DN900的瓦斯抽采管路與回風大巷內安裝的瓦斯抽采管網對接；在接通西8205頂板抽采巷與工作面后，立即組織在西8205頂板抽采巷三叉口往里3 m處構筑密閉， 并開啟抽采泵進行抽采，抽采流量為750 m3/min，甲烷濃度為2.5%。

（3）封堵漏風通道

在西5205巷掘進期間，進行全斷面噴漿，噴漿厚度不小于100 mm，以此隔絕西8207面采空區瓦斯等有害氣體向西8205工作面滲入的通道。

2.2 8205工作面自然發火防治技術

（1）氣霧阻化防滅火技術

初采期間，在注氮措施無法實施時，在西2205巷串車處安裝氣霧阻化噴霧裝置，利用高壓噴霧裝置將氯化鎂阻化劑溶液對工作面采空區浮煤進行噴灑，降低遺煤氧化速度，阻化劑（氯化鎂）和水的配比為1:30。

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開啟液泵，實施汽霧阻化噴氯化鎂。 阻化噴頭設置在端頭支架后部，噴頭需斜向上45°，以確保汽霧能隨風流進入采空區；同時，每日二班組織人工對工作面頭尾巷及支架后方浮煤進行阻化劑的噴灑工作，確保浮煤均被阻化劑覆蓋。

（2）注氮防滅火技術

①注氮工藝

工作面采用進風順槽埋管注氮工藝。具體作法是：在工作面的進風隅角埋設1趟DN100鋼絲纏繞管路。當管路進入采空區25 m后開始注氮，同時埋入第二趟注氮管路； 當第二趟注氮管口進入采空區25 m后，使用第二趟管路進行注氮，斷開第一趟管路，并埋設第三趟注氮管路。

工作面氮氣主要是利用北二風井地面制氮車間安設的制氮機制取。注氮量不低于2 000 m3/h，氮氣濃度不低于98%， 正常生產期間工作面實施24小時連續注氮。

封堵漏風通道主要采取以下兩個措施：

①對西8207、西8205工作面采空區對應地表裂隙進行勘測和充填。

②在西5205巷貼近小煤柱側灌注一道高強度鋼筋混凝土墻， 一方面為了降低小煤柱頂板承壓，防止小煤柱“崩塌”，產生裂隙；另一方面混凝土墻進一步隔絕回采期間西8207采空區氣體涌向西8205工作面。 在5205巷8 m煤柱側構筑鋼筋混凝土墻（寬×高為0.6 m×3.7 m），施工前沿煤柱幫地板開挖地槽（寬×深為0.6 m×0.5 m），配筋作業要求將鋼筋、 頂底錨桿用鐵絲綁牢， 使用混凝土強度C50，施工設計見圖3。

圖3 5205巷煤柱側鋼筋混凝土墻剖面

3 西8207采空區自然發火防治技術

8207面采空區注漿孔布置在西5205巷靠采空區一側， 從西8205工作面切眼開始間隔50 m施工1組鉆孔，共布置22組注漿鉆孔，每組鉆孔由兩個鉆孔（1個高位孔和1個低位孔）組成：高位鉆孔開孔高度為2 m、仰角為30°；低位鉆孔開孔高度為1.5 m、仰角為15°， 見圖4。 考慮各鉆孔處西5205巷和西2207巷巷道底板高差的影響，確保鉆孔準確、到位。每個鉆孔施工完畢立即進行封孔， 并由通風區、地測科組織進行驗收。 要求封孔嚴密不漏風，驗收合格后，方可進行注漿工作。 采用水泥砂漿封孔，封孔前鉆孔內下套管，具體鉆孔封孔情況見圖5。

圖4 注漿鉆孔

圖5 鉆孔封孔

鉆孔注漿順序為從里到外、 先低位后高位，即從工作面切眼往外逐個進行注漿作業，鉆孔內漿液注不進或者注漿泵壓力達到5 MPa時方可認為注漿結束。 所有鉆孔完成注漿后，通過巷道底部施工的窺視孔，查看漿液充填程度，并對注漿前、注漿期間、注漿后采空區氣體成分進行監測、記錄及分析，注漿效果見圖6。

圖6 西8207采空區注漿效果

4 應用效果

通過對西8205工作面及西8207采空區的瓦斯和遺煤自燃問題進行綜合防治，西8205工作面采空區內的主要氣體成分發生了明顯的變化，見表1。

表1 采取措施前后采空區氣體成分

如表1中對比采取綜合措施前后西8205工作面采空區內氣體的成分變化， 其中CH4濃度平均降幅達88.2%；O2濃度降幅達76.3%，有效降低了采空區遺煤自燃的風險，為西8205工作面的正常推進提供了有效的保障。

5 結語

針對同忻礦留設小煤柱的西8205工作面采空區瓦斯治理及遺煤自燃防治的問題，提出了多措并舉、綜合治理措施，通過對比防治措施前后采空區內主要氣體成分的變化，驗證了該項措施具有較好的應用效果。