呂文陵、孫珍平

(1.同煤國電同忻煤礦有限公司，山西大同，037000；2.煤科集團沈陽研究院有限公司，遼寧撫順，113122；3.煤礦安全技術(shù)國家重點實驗室,遼寧撫順，113122)

1 研究背景

近年來，隨著開采范圍不斷擴大，同忻煤礦采場應(yīng)力向深部轉(zhuǎn)移，礦井在回采初期留設(shè)較大煤柱尺寸，造成一定的煤炭資源浪費。針對這一實際，為提高礦井煤炭資源回收率，同忻礦積極探索特厚煤層綜放工作面小煤柱留設(shè)技術(shù)，設(shè)計將8305工作面與8307工作面之間的區(qū)段煤柱由原來的38 m減小為6 m。受采掘接替限制，工作面順槽采用沿空掘巷對采對掘。在回采過程中，臨空順槽受二次采動影響劇烈，巷道變形嚴(yán)重，局部地段變形已嚴(yán)重影響安全生產(chǎn)，且區(qū)段煤柱的減小可能出現(xiàn)裂隙和漏風(fēng)，導(dǎo)致臨近采空區(qū)內(nèi)的積氣通過小煤柱向開采的工作面滲漏，對工作面的安全開采造成影響，同時也可能造成臨近采空區(qū)的漏風(fēng)導(dǎo)致采空區(qū)遺煤自燃。因此，為防止8307面采空區(qū)氣體滲入5305巷內(nèi)，同忻礦結(jié)合現(xiàn)場條件，對臨近的8307面采空區(qū)進(jìn)行惰性氣體置換，消除臨近采空區(qū)自然發(fā)火隱患及對8305工作面的影響。

2 工作面概況

同忻礦8305工作面為首個小煤柱工作面，走向長度1 238 m，傾向長度200 m，采用綜合機械化放頂煤工藝開采，煤層平均厚度為15 m，煤層傾角為0°～6°左右。該工作面北部為8307工作面采空區(qū)（已于2016年10月回采完畢）、南部為實煤區(qū)、西部為礦界煤柱、東部為盤區(qū)大巷，設(shè)計8305工作面與臨近的8307工作面區(qū)段煤柱僅為6 m，經(jīng)采空區(qū)密閉埋設(shè)的束管監(jiān)測顯示，8307工作面采空區(qū)內(nèi)CH4含量達(dá)3%～6%，且8307面回采期間采用均壓通風(fēng)，采空區(qū)與外界壓差達(dá)100 mmH2O柱，區(qū)段煤柱在壓力作用下出現(xiàn)裂縫或漏風(fēng)通道，8307面采空區(qū)內(nèi)積存的高濃度瓦斯便會涌入8305工作面，嚴(yán)重威脅8305面的巷道安全掘進(jìn)及工作面開采。

3 對角式采空區(qū)氣體置換技術(shù)

3.1 采空區(qū)氣體流動理論

根據(jù)達(dá)西滲流定律基本理論分析得出，兩點間風(fēng)流運動的速度與兩點間的壓力梯度相關(guān)，假設(shè)采空區(qū)內(nèi)垮落的巖石堆積后形成的空隙是規(guī)則的，那么采空區(qū)流場內(nèi)風(fēng)流速度可表達(dá)為：

式中：V為流場內(nèi)風(fēng)流的速度，m3/min；

k為采空區(qū)滲透系數(shù)；

由式（1）可知：當(dāng)采空區(qū)任意兩點的氣體壓力不相等時，采空區(qū)流場內(nèi)的氣體由高壓點向低壓點流動。

采空區(qū)可以視為整體連續(xù)的多孔介質(zhì)體，在進(jìn)行氣體置換研究中將其簡化為具有抽氣口和注氣口的密閉空間，密閉空間內(nèi)充滿了高濃度有害氣體（CO、CH4、CO2等）。那么，對角式采空區(qū)氣體置換過程中，氣體流動的規(guī)律如圖1所示。

圖1采空區(qū)氣體流動壓力示意圖

3.2 采空區(qū)抽、注氣平衡分析

在對采空區(qū)實施氣體置換時,依據(jù)“邊抽邊注，控制抽量，監(jiān)測監(jiān)控”的原則進(jìn)行，即向采空區(qū)先注入一定量的氮氣再進(jìn)行采空區(qū)氣體抽放，抽放的同時連續(xù)向采空區(qū)注入氮氣。為防止采空區(qū)漏風(fēng)，保障氮氣平穩(wěn)向采空區(qū)深部推移，要控制對采空區(qū)氣體的抽放量，原則上注入氮氣量為氣體抽放量的1.1倍。

采空區(qū)有害氣體濃度Ct與抽放時間t符合下列關(guān)系：

式中：Ct為抽放t小時后的采空區(qū)有害氣體濃度，%；

C0為抽放前采空區(qū)有害氣體濃度，%；

Q為采空區(qū)氣體抽放流量，m3/h；

V為采空區(qū)體積，m3；

t為抽放時間，h。

由式（2）可以看出：為保障置換過程的安全，在氣體置換過程中，應(yīng)采取周密的監(jiān)測監(jiān)控措施，對采空區(qū)內(nèi)的氣體成分和溫度等進(jìn)行采樣和測定，以進(jìn)一步判斷是否具備抽放條件和判斷抽放時的安全可靠程度。

4 對角式采空區(qū)氣體置換技術(shù)應(yīng)用

4.1 總體思路

在8307臨近采空區(qū)采取邊注邊抽的方式進(jìn)行氣體置換，具體方法為：利用8307面2307順槽巷密閉內(nèi)預(yù)先埋設(shè)的2趟?108 mm注氮管路和8307頂抽巷永久密閉內(nèi)預(yù)先埋設(shè)的1趟?108 mm注氮管路，對采空區(qū)進(jìn)行連續(xù)注氮，注氮流量為1 000 m3/h；同時在830面5309順槽向8307面采空區(qū)施工3個?108 mm鉆孔，將鉆孔連接瓦斯抽放管路，利用礦井已有的瓦斯抽放系統(tǒng)從工作面的另一端角處對采空區(qū)內(nèi)氣體進(jìn)行抽放，抽放流量900 m3/h，邊注邊抽，由外向里逐漸將工作面采空區(qū)內(nèi)的瓦斯等有害氣體進(jìn)行置換。

4.2 注氮路線

注氮：由2307正巷密閉墻內(nèi)布置的兩趟?108 mm措施管、8307頂抽巷回風(fēng)大巷口處密閉墻內(nèi)布置一趟?108 mm措施管向8307面采空區(qū)注氮。注氮路線為：

①二盤區(qū)地面注氮車間→二盤區(qū)進(jìn)風(fēng)立井?480鋼管→二盤區(qū)變電所回風(fēng)繞道?480鋼管→二盤區(qū)回風(fēng)大巷?480鋼管→三盤區(qū)回風(fēng)大巷?480鋼管→5305巷回風(fēng)繞道→2307巷兩趟?108鋼絲纏繞管→8307面采空區(qū)。

②二盤區(qū)地面注氮車間→二盤區(qū)進(jìn)風(fēng)立井?480鋼管→二盤區(qū)變電所回風(fēng)繞道?480鋼管→二盤區(qū)回風(fēng)大巷?480鋼管→三盤區(qū)回風(fēng)大巷?480鋼管→8307頂抽巷一趟?108鋼絲纏繞管→8307面采空區(qū)。

4.3 抽放路線

在臨近的5309巷鋪設(shè)一趟?273 mm鋼管，從5309巷1 600 m位置向8307面采空區(qū)施工3個?108 mm鉆孔，利用鉆孔對8307面采空區(qū)進(jìn)行瓦斯抽放。抽放路線為：

8307面采空區(qū)→5309巷?273鋼管→5309巷回風(fēng)繞道?273鋼管→三盤區(qū)回風(fēng)大巷?530鋼管→二盤區(qū)回風(fēng)大巷?530鋼管→二盤區(qū)回風(fēng)立井?530鋼管→二盤區(qū)地面抽放泵站→排空。

4.4 置換管路布置

8307面采空區(qū)氣體置換管路布置如圖2所示。

圖2三盤區(qū)8307面采空區(qū)置換管路布置圖

4.5 效果分析

通過對8307采空區(qū)進(jìn)行對角式邊注邊抽氣體置換，采空區(qū)內(nèi)主要氣體成分發(fā)生了顯著變化,見下表。

表1置換前后采空區(qū)氣體變化（這個數(shù)據(jù)是實際的化驗數(shù)據(jù)）

如表1所示，對比置換前后采空區(qū)內(nèi)氣體成分變化，CH4濃度平均降幅達(dá)70%，降至了爆炸界限的合理范圍切實緩解了臨近采空區(qū)氣體泄漏對8305工作面安全開采帶來的威脅；且通過惰性氣體置換，使采空區(qū)內(nèi)N2濃度位于在較高水平，對于抑制采空區(qū)煤炭自燃具有重要意義。

5 結(jié)論

通過對小煤柱工作面相鄰采空區(qū)實施惰性氣體置換，使采空區(qū)內(nèi)O2、CO2、CH4等氣體濃度大幅度降低、N2含量大幅度增加，對采空區(qū)氣體進(jìn)行置換，有利于抑制采空區(qū)內(nèi)有害氣體泄漏和采空區(qū)自然發(fā)火的發(fā)生，保障小煤柱工作面的安全回采，為探索小煤柱臨空開采成套技術(shù)做出了科學(xué)有效的探索，為小煤柱安全開采提供了有力技術(shù)支撐和安全保障。