特厚煤層小煤柱開采瓦斯-火災協同防治技術

王文成

（晉能控股集團有限公司，山西 大同 037003）

小煤柱開采是提高礦井資源回收率的一種重要方法，同時可以轉移采動應力，解決巷道圍巖變形的問題[1-2]。對于高瓦斯自燃煤層來說，采用小煤柱開采，由于小煤柱圍巖裂隙發育，會造成鄰近采空區漏風從而引起遺煤自燃，對礦井安全開采造成巨大威脅，且鄰近采空區有害氣體涌出，導致本工作面有害氣體濃度超標，特別是瓦斯濃度極易超標。因此，研究小煤柱開采瓦斯和火災防治技術具有重要意義。

1 工程概況

同忻煤礦現開采石炭二疊系3#～5#煤層，目前礦井為6 進3 回分區式通風系統。3#～5#煤層厚度為8.36～29.21 m，平均17.52 m；傾角為2°～6°，平均3°。根據2019 年礦井瓦斯涌出量測定結果：礦井相對瓦斯涌出量為4.63 m3/t，絕對瓦斯涌出量為66.59 m3/min，回采工作面最大絕對瓦斯涌出量為25.87 m3/min，掘進工作面最大絕對瓦斯涌出量為2.52 m3/min，屬高瓦斯礦井。3#～5#煤層自然發火期為84 d，為自燃煤層。8305 工作面是同忻礦首個留設小煤柱的工作面，北翼與已采8307 工作面相鄰，南翼為實煤區。工作面設計長度1 241 m，可采長度1 131 m，傾向長度為200 m。5305 巷為8305 工作面回風巷，與8307 采空區間距為6 m，最近處約1 m（2307 巷1 號硐室處），如圖1。

圖1 工作面布置示意圖

束管監測可知，8307 采空區主要氣體組分為CH4：2.94%～5.75%，CO2：4.75%～7.78%，O2：2.41%～5.30%，CO： ＜4×10-6，N2：85.70%～88.23%。由于8305 和8307 工作面之間煤柱為6 m，采動應力作用下，煤柱產生塑性破壞，出現裂縫或漏風通道，會嚴重影響8305 工作面的安全掘進及開采。

2 瓦斯-火災協同防治技術

2.1 采空區惰性氣體置換

根據礦井現有條件，采空區內氣體置換直接利用礦井現有的注氮系統，利用8307 面永久密閉內預埋的措施管向采空區內注入高濃度氮氣，同時在5309 巷向8307 面采空區打抽放鉆孔進行采空區氣體抽放，采取“一進一回”的方式整體置換出采空區內CH4、CO、O2及CO2等氣體，并達到惰化采空區防止自然發火的目的[3-4]。8307 工作面采空區氣體置換如圖2。

圖2 8307 工作面采空區氣體置換圖

（1）管路布置

注氮：由2307 正巷密閉墻內布置的兩趟Φ108 mm 措施管、8307 頂抽巷回風大巷口處密閉墻內布置的一趟Φ108 mm 措施管向8307 面采空區注氮。

抽放：在臨近的5309 巷鋪設一趟Φ273 mm 鋼管，從5309 巷1600 m 位置向8307 面采空區施工3個Φ108 mm 鉆孔，利用鉆孔對8307 面采空區進行瓦斯抽放。

（2）流量確定

8307 工作面傾斜長200 m，走向長1300 mm，平均煤厚15 m，預計需置換氣體390 萬m3，按6個月置換完畢計算，注氮流量為903 m3/h。

（3）抽放鉆孔位置

設計從5309 巷向8307 面采空區距原切眼20 m、30 m、40 m 位置分別施工1 個Φ108 mm 鉆孔，鉆孔內下入套管，管口安設截門，并在5309 巷安設一趟DN273 瓦斯抽放鋼管，與回風大巷內DN500瓦斯抽放管路對接，利用抽采系統進行瓦斯抽放。為確保氣體進出平衡，抽放流量為15 m3/min。

2.2 工作面均壓通風

8305 綜放工作面鄰側為8307 面采空區，8307面已回采封閉完畢，上覆為同家梁礦侏羅紀14#層采空區，與3#～5#煤層間距為175～220 m，采空區內存在積氣區。8305 面采用綜采放頂煤開采工藝，采用頂抽道封閉式機械抽放方法治理上隅角瓦斯，特厚煤層放煤工藝使得本工作面采空區與上覆侏羅紀采空區溝通，形成漏風通道，可能導致上覆采空區煤體自燃，影響工作面安全生產。8305 工作面回采期間，每天對工作面的進回風巷及頂抽巷的風量進行測定，每班由瓦斯檢查員對工作面頭、中、尾、上隅角及回風流的CO、CO2和O2濃度進行測定。如果工作面上隅角連續2 d 觀測氧氣濃度低于18.5%，工作面CO 濃度超過2.4×10-5或CO2濃度超過1.5%，且工作面漏風量超過10%，工作面必須斷電撤人，并立即啟動均壓通風系統[5]，如圖3 所示。

圖3 8307 工作面均壓通風示意圖

2.3 采空區防火

在8305 工作面回采期間，在工作面安設阻化劑泵對工作面機道、頭尾端頭及支架后采空區浮煤噴灑MgCl2阻化劑，每日噴灑量不低于150 kg。同時利用采空區內提前埋設的束管對臨近采空區及本采空區內氣體進行連續在線監測，發現自然發火指標性氣體出現異常時，及時調整采空區注氮量,加強端頭封堵。

2.4 調風調壓調流量

均壓通風期間，提前施工與上覆采空區和臨近采空區聯通鉆孔并安設壓差計，調整工作面均壓壓力，確保小煤柱工作面壓力與上覆采空區及臨近采空區內壓力基本平衡，防止上覆采空區內及臨近采空區內氣體異常涌出。工作面正常回采期間，通過監測上隅角氣體變化情況，合理調整頂抽巷抽放流量，在保證工作面回風量充足的情況下，有效抽采采空區氣體，防止上隅角有毒有害氣體超限。

2.5 煤柱噴漿封閉

為防止采空區漏風，在8305 工作面5305 順槽沿小煤柱掘進過程中，對小煤柱巷道臨空側及時進行噴漿封堵裂隙。

3 應用效果分析

通過為期10 個月的采空區惰性氣體置換，累計注入氮氣648 萬m3，相當于采空區內空間的1.66倍，采空區內的主要氣體成分發生了顯著變化，具體見表1。

表1 8307 工作面采空區氣體成分表

對比置換前后采空區內氣體成分變化，CH4濃度平均降幅達70%，降至了合理范圍，切實緩解了臨近采空區氣體泄漏對8305 工作面安全開采帶來的威脅；通過惰性氣體置換，使采空區內N2濃度處于較高水平。同時配合工作面噴灑阻化劑，加強本工作面采空區及鄰近采空區氣體監測，以及煤壁裂隙封閉和調整頂抽巷流量等措施，8305 工作面回采期間未出現采空區遺煤自燃、工作面及上隅角瓦斯及有害氣體超限的現象。

4 結語

通過對小煤柱工作面相鄰采空區實施惰性氣體置換，掘進巷道臨空側補強噴漿，加強工作面各地點有毒有害氣體監測等措施，8307 工作面采空區內O2、CO2、CH4等有害氣體濃度大幅度降低，N2含量大幅度增加，對于防止8305 工作面臨近采空區氣體泄漏、上覆采空區氣體下泄、抑制采空區煤炭自然發火起到了很好的作用。同時配套建立了工作面均壓通風系統，出現異常現象可立即啟動，起到了后備保障的作用。