高水材料沿空留巷防漏風技術在孤島工作面開采中的應用

李臣武

貴州職業技術學院 建筑工程學院, 貴州 貴陽 550023)

沿空留巷孤島工作面一般為工作面外段已先行開采,且運輸巷和回風巷外段均進行沿空留巷,里塊區域賦存有可開采的煤炭資源塊段,資源塊段周圍已被開采并形成采空區,剩余煤炭塊段形成孤島。孤島工作面回采過程中,因外段運輸巷和回風巷之間已成為采空區,采空區與進風巷和回風巷相鄰[1],采空區不同程度存在漏風現象[2],漏風是采空區遺煤自燃的主要因素之一,漏風為遺煤氧化自燃提供氧氣[3],可引發采空區煤炭自燃[4]. 采空區浮煤長期處于漏風供氧狀態,給礦井防火工作帶來了較大難度[5]. 由于采空區遺煤氧化具有隱蔽性,采煤工作面的遺煤自然發火潛在危險將越來越大[6]. 《煤礦安全規程》(2022版)第一百五十三條規定:“采掘工作面的進風和回風不得經過采空區或者冒頂區,無煤柱開采沿空送巷和沿空留巷時,應當采取防止從巷道兩幫和頂部向采空區漏風措施[7]. 根據規定,運輸巷和回風巷沿空留巷形成采空區的災害防治重點是預防采空區漏風,防止采空區遺煤氧化自燃。沿空留巷防止采空區漏風的主要措施通常采用構筑巷旁充填墻,巷旁充填墻的關鍵作用是隔離留巷和采空區,防止留巷內新鮮風流進入采空區引起煤層自燃[8]. 龍寶煤礦11205工作面外塊段已回采結束,運輸巷和回風巷外段均實施了高水材料巷旁充填沿空留巷。里塊回風巷、運輸巷及切眼周邊留有煤柱,里塊采面回采期間,外塊采空區的漏風管理和采空區防遺煤自燃是該面安全管理的重點。11205里塊采煤工作面回采期間,采用示蹤氣體監測技術監測外塊采空區漏風,安設束管監測系統對采空區自然發火征兆氣體進行參數分析,從而保障里塊孤島工作面的安全高效回采。

1 工程概況

11205采煤工作面位于龍寶煤礦一采區北翼C12煤層第三區段,回風巷從開口掘進到288 m,運輸巷掘進到301 m時兩條巷道的煤層都變薄,厚度變為0.3～0.4 m,正常情況下,C12煤層厚1.45～3.00 m,平均厚度2.33 m,進入薄煤區后,煤層厚度變為不可采,但從工作面走向來看,采面走向還有900 m掘到采區邊界。因前方變薄帶長度和范圍不清楚,煤層賦存缺乏可靠資料,而且當時礦井采掘接續較為緊張,決定從在煤層開始變薄處開切眼,采面外塊段回風巷及運輸巷均采用沿空留巷進行開采,先回采工作面外塊段,在下區段11207采煤工作面以及上覆C8煤層開采時,對11205采煤工作面里塊段進行鉆探補充勘察,查清里塊孤島工作面賦存的煤炭資源。通過鉆探和對比分析,確定薄煤區實際長度為80 m,里塊走向長810 m段煤層厚度較為穩定,為可采區域,對風運巷外段沿空留巷進行巷道恢復,繼續將上下巷掘進到采區邊界并形成生產系統。該工作面采用綜采工藝回采,U型通風方式進行通風[9],工程平面圖見圖1.

圖1 11205里塊采煤工作面工程平面布置圖

2 工作面兩巷高水材料沿空留巷

2.1 沿空留巷方案論證

沿空留巷是指采煤工作面開采后沿采空區邊緣維護原回采巷道的一種無煤柱開采技術。經過多年的探索和發展,我國沿空留巷已形成矸石墻、密集支柱、木垛、矸石帶以及巷旁充填(矸石充填、高水充填、膏體充填等)等多種形式的巷旁支護結構,提出了木棚、工字鋼梯形棚架、U 型鋼可縮性棚架、錨桿支護以及錨梁網索聯合支護等巷內支護形式[10],巷旁支護和巷內支護共同維護巷道的穩定。當前主流沿空留巷方式主要有柔模混凝土沿空留巷、切頂卸壓自動成巷、高水材料巷旁支護沿空留巷。柔模混凝土沿空留巷墻體接頂效果差、被動承載,需后期補噴漿,頂板來壓時噴漿料易破碎,不利于巷道與采空區隔絕,采空區漏風嚴重,易引發采空區遺煤自然發火,漏風還有可能造成采空區積聚瓦斯大量涌出;切頂卸壓自動成巷需掛設擋風簾及掛網噴漿等,需待頂板垮落穩定后才能噴漿密閉采空區,且噴漿后在二次采動的影響下易產生裂隙,采空區遺煤有自燃風險的不適合采用該技術,不適用高瓦斯礦井和煤層易自燃礦井;高水材料巷旁支護的支護體增阻速度快、支護阻力大,與工作面生產平行作業,不影響工作面生產;高水材料充填體接頂效果好,主動承載,采空區密閉性好,自然發火威脅較小;高水巷旁充填材料具有早強性,膨脹性,能滿足支撐前期頂板活動要求,具有施工工藝簡單、強度增長快、成本低等突出優勢,通常被大范圍使用[11],高水材料分甲料、乙料兩組分,甲料、乙料單獨與水混合 24 h 不凝結,而甲料漿和乙料漿一旦相互混合則快速硬化[12],能實現巷旁支護和密閉采空區有機結合。該礦C12煤層自燃傾向性等級為Ⅱ級自燃煤層,煤層屬高瓦斯煤層,無突出危險性,無煤塵爆炸性。C12煤層具有自燃屬性,需防止采空區遺煤自燃,并采取相應措施降低煤層自燃風險。由于高水充填材料巷旁充填體能夠做到充分接頂,留巷后變形頂板與充填體接觸密實、漏風率較低,11205運輸巷和回風巷外段沿空留巷采用高水材料巷旁支護技術進行實施,11205運輸巷和回風巷沿空留巷支護斷面見圖2,圖3.

2.2 高水材料沿空留巷實施

11205運輸巷和回風巷掘進斷面均為梯形斷面,斷面凈寬4.4 m,中高2.7 m,凈斷面11.88 m2,支護采用錨桿(索)+鐵絲網+鋼帶聯合支護,錨桿間距0.8 m,排距0.8 m,頂錨桿使用φ20 mm×2 500 mm的螺紋鋼筋錨桿,兩幫采用φ20 mm×2 000 mm的樹脂錨桿,錨桿托盤規格為:150 mm×150 mm×10 mm(厚)。錨索間距1.6 m、排距1.6 m,錨索規格為φ17.8 mm×7 300 mm,錨索托盤采用300 mm×300 mm×15 mm(厚)的托盤。沿空留巷采用中深孔預裂爆破技術進行切頂卸壓,切頂孔深10 m,間距1.6 m.

圖2 11205運輸巷沿空留巷斷面圖

圖3 11205回風巷沿空留巷斷面圖

根據11205工作面運輸巷、回風巷外段的頂板巖層情況,結合巷旁充填體與頂板相互作用的力學模型分析,應用理論公式計算得出工作面運輸巷充填體的切頂阻力為14.94 MN/m,回風巷充填體的切頂阻力為13.45 MN/m. 現場施工時,充填體平均強度按10 MPa考慮,則所需的充填體寬度理論計算值為運輸巷1.49 m,回風巷1.35 m. 考慮巷道復用斷面要求及安全系數,充填體置于巷內,初步設計運輸巷巷旁支護體寬度為1.5 m,回風巷旁支護體寬度為1.4 m,后期根據留巷礦壓觀測結果再對巷旁支護體寬度進行優化、調整,靠采空區一側充填體高度3.2 m、靠巷道的另一側充填體高度2.8 m,平均高度3.0 m,水灰比1.5∶1. 留巷采用對拉錨桿對充填體進行加固,進一步增加充填體的承載能力和抗變形能力,更能滿足沿空留巷的使用要求,安全性和可靠性更高。

高水充填材料甲料漿、乙料漿按1∶1比例配合使用,高水材料沿空留巷施工工藝為:工作面割煤→推溜→端頭頂板鋪網、工作面支架移架→架后充填區域靠采空區側打密集單體液壓支柱→充填區域上方頂板維護→清理支模空間→支模(打設護模單體液壓支柱、掛鋼筋網、掛充填袋、穿對拉錨桿、扎口、安裝鋼筋梯子梁、安裝錨桿托盤螺母等)→泵站打水試泵→泵站上料攪拌→泵送漿液→清洗管路和注漿設備→拆除后方采空區單體支柱→準備下一循環。

3 沿空留巷采空區漏風監測及煤層自燃氣體分析

3.1 沿空留巷區域采空區漏風分析

沿空留巷頂板巖層運動具有規律性,圍巖變形、巷旁充填體變形以及支護體載荷的變化都與回采工作面的周期來壓有密切關系。回采工作面后方20～40 m,巷道圍巖變形速度較大;當周期來壓引起工作面后方基本頂弧形三角板失穩時,巷道圍巖及巷旁充填體產生劇烈變形,充填體承受載荷也劇烈增加。采空區側的頂板巖層斷裂、垮落時會對巷旁充填體頂部產生壓力和沖擊,甚至產生一定破壞,而沿空留巷側的巖層頂板切頂一般不是完全規則的直線型,因此高水材料沿空留巷充填體頂部存在漏風現象,而充填體墻體中下部不會出現漏風現象。11205運輸巷和回風巷外段均采用高水材料進行沿空留巷,在礦井通風負壓的作用下漏風一般從高位能點流向低位能點,即從運輸巷沿空留巷上幫頂部進入,經過采空區,從回風巷下幫充填體頂部流入回風巷,漏風量均隨工作面傾向呈拋線狀變化。C12煤層為Ⅱ級自燃煤層,11205運輸巷和回風巷外段沿空留巷恢復以及里塊回采巷道掘進、采煤工作面回采期間,外塊采空區內的底板遺煤在漏風的氧化下有可能出現發火征兆,甚至會出現采空區火災。因此11205里塊工作面掘進及回采期間,外塊采空區的漏風及內因火災的監測將成為該工作面安全管理的重點。

3.2 沿空留巷區域采空區漏風監測

11205里塊工作面掘進及回采期間對外塊采空區的一項重要管控措施就是對采空區漏風進行監測。采空區漏風風流一般是從高壓側流向低壓側,采用SF6示蹤氣體進行監測,在運輸巷上幫頂部釋放SF6氣體,在各回風地點取樣分析,確定有無示蹤氣體以及觀測氣體濃度變化即可確定漏風通道和漏風量[13].

11205外塊采空區SF6氣體監測點布置:示蹤氣體釋放點設置于外塊停采線下口和停采線下口前120 m處,測量接收點分別設置于停采線上口往前5 m位置和100 m 位置兩處。釋放點和接收點布置見圖4. 示蹤氣體釋放檢測方法分為連續定量和瞬時釋放兩種。現場試驗采用連續定量法釋放氣體,在運輸巷1#和2#釋放點同時釋放氣體,釋放15 min后,在1#接收點檢測到SF6氣體,釋放20 min后,在2#接收點檢測到SF6氣體,從2#接收點往外每隔5 m加設一個檢測點,連續檢測6個點,均檢測到SF6氣體,可以定性說明采空區外塊存在一定的漏風量。

11205里塊采面回采期間,工作面設計配風量為1 500 m3/min,生產期間在外塊采空區運輸巷和回風巷分別布設測風點A、B、C、D,A點和D點位于停采線外側,距停采線10 m,B點和C點位于采空區往里,距采空區邊沿10 m. 經過現場人工測風,A、B、C、D四個點的實測風量分別為1 499.5 m3/min、1 465.3 m3/min、1 464.9 m3/min、1 499.35 m3/min,可知A點與D點的風量相近,B點與C點的風量相近,A點與B點的風量相差34.2 m3/min,C點與D點的風量相差34.45 m3/min. 經過數據對比得出,運輸巷進入外塊采空區的漏風和采空區進入回風巷的風量相近,11205里塊采煤工作面無漏風現象。經過計算得出外塊采空區的漏風率為2.28%,里塊采煤工作面的有效風量率為97.72%,大于85%,符合《煤礦安全質量標準化標準及考核評級辦法》的要求。在運輸巷A點和B點之間每隔30 m增設一個臨時測風點,并對各點進行測風,經過數據統計和分析得出由外往里采空區漏風量逐漸減小,漏風規律遵從于兩點間負壓守恒原理。通過漏風監測,測定漏風量和漏風通道,進一步采用高水材料進行堵漏和噴涂處理,做到最大限度降低采空區的漏風。

圖4 SF6氣體釋放點和接收點布置圖

3.3 沿空留巷區域采空區煤炭自燃指標氣體分析

采空區防火的一項重點措施就是煤炭自燃指標氣體的監測,11205采煤工作面自然發火重點監測區域是上下沿空留巷圍成的外塊采空區,建立以束管監測為主、人工取樣為輔的氣體監測體系。火災預測的束管監測系統主要由地面氣體分析中心和井下束管取樣系統組成[14].

外塊采空區的氣體監測點設置在采空區上邊沿,共設置 3 個監測點,束管監測點布置見圖5,1號監測點距停采線10 m,2號監測點距停采線130 m,3號監測點距采空區里邊沿10 m,監測束管沿回風巷下幫頂上敷設,由回風巷沿空留巷下幫向采空區預埋 3 芯束管,束管經一采區回風下山、回風斜井,再到地面氣體分析中心的參數分析室,束管采樣時分析人員在地面進行自動采樣、自動分析[15]. 里塊工作面掘進及回采期間,人工每天將外塊采空區氣體抽到地面分析室進行分析,每天分析3次,同時每天對采空區進行一次人工球膽取樣分析,通過數據分析,準確掌握采空區氣體情況,判斷煤的自然發火狀況和發展程度,及時作出預報預警[16]. 在里塊采面工程掘進及回采期間,外塊采空區的氣體絕大多數時間處于正常狀態,測試參數見表1. 在整個11205里塊工作面采掘活動期間,外塊采空區偶爾監測到CO,從未檢測到乙烯和乙炔氣體,CO最大濃度為32×10-6,小于礦井多年監測的C12煤層自燃臨界值40×10-6,說明采空區遺煤未出現過自燃現象。針對采空區CO異常情況,采用從運輸巷注氮的措施進行處理,逐步降低CO濃度,直到消失,有效防止采空區內因火災的產生。

圖5 11205外塊采空區束管監測點布置圖

表1 11205外塊采空區煤炭自燃指標氣體監測表

4 效果分析

11205外塊運輸巷和回風巷采用高水材料進行沿空留巷,在里塊采面掘進及回采期間對采空區進行漏風測量和對煤層自燃征兆氣體進行束管監測,得出有效風量率大于85%,符合煤礦通風質量標準化要求,里塊采面在掘進及回采期間,外塊采空區未出現過C2H4、C2H2等煤層自燃征兆性氣體。11205里塊采面走向長810 m,傾斜長205 m,可采儲量60萬t,里塊采面采掘活動期間,因外塊采空區的漏風及煤層自燃監測措施得當,里塊工作面的采掘活動從未出現過因防滅火工作造成停產停掘現象。

5 結 論

1) 11205外塊運輸巷和回風巷沿空留巷采用高水材料作為充填體,實現了采煤工作面雙巷沿空留巷,同時充分利用高水材料的密封性,有效減少了采空區漏風,降低采空區遺煤自燃的風險,并實現外塊采空區漏風率符合《煤礦安全規程》和《煤礦安全質量標準化標準及考核評級辦法》的要求,為里塊孤島工作面的開采提供了安全保障。

2) 采用SF6示蹤氣體監測和風運巷人工測風,定性定量地明確外塊采空區漏風問題,并進一步掌握采空區漏風的規律,為降低采空區漏風實施針對性措施。

3) 采用束管監測定期分析采空區的氣體,準確掌握采空區煤層自然發火征兆和制定針對性的防滅火措施,科學掌控采空區內因火災的防火和滅火過程。