王 偉

（余吾煤業(yè)公司，山西 長(zhǎng)治 046100）

0 引 言

綜放開(kāi)采時(shí)采空區(qū)遺煤量大，造成采空區(qū)瓦斯涌出量大、遺煤自燃風(fēng)險(xiǎn)高，特別是采面初期開(kāi)采時(shí)頂煤冒放性差，更加劇采空區(qū)瓦斯涌出量、遺煤自燃風(fēng)險(xiǎn)[1~2]。關(guān)于綜放工作面瓦斯治理以及火災(zāi)防治方面，眾多的研究學(xué)者取得豐碩研究成果[3~7]。文中就以S5203 綜放工作面開(kāi)采為工程背景，對(duì)初采期間采取的瓦斯、火災(zāi)防治技術(shù)進(jìn)行分析、探討，以期研究成果為其他礦井瓦斯、火災(zāi)防治提供一定參考。

1 工程概況

山西潞安余吾煤業(yè)公司S5203 綜放工作面走向開(kāi)采長(zhǎng)度2 230 m、斜長(zhǎng)235 m，開(kāi)采3 號(hào)煤層，煤層平均8.53 m，為II 類自燃煤層，最短自然發(fā)火期為45d，采面開(kāi)采時(shí)絕對(duì)瓦斯涌出量12.34 m3/min。S5203 綜放工作面布置有3 條巷道，分別為高抽巷、運(yùn)輸巷及回風(fēng)巷。高抽巷沿著沿煤層頂板砂質(zhì)泥巖布置，與3 號(hào)煤層頂板相距3 m，內(nèi)錯(cuò)采面回風(fēng)巷15 m，當(dāng)高抽巷與采空區(qū)坍塌覆巖聯(lián)通后，在高抽巷正巷口位置布置兩道密封墻并鋪設(shè)1 趟管徑530 mm鋼管，通過(guò)瓦斯抽采泵（型號(hào)2BEC-72）抽采采空區(qū)瓦斯。3-5 號(hào)煤層上覆為礦井2 號(hào)煤層采空區(qū)，層間距在130~50m。具體S5204 綜放工作面位置關(guān)系見(jiàn)圖1。

2 開(kāi)采初期瓦斯涌出及采空區(qū)遺煤自燃情況分析

根據(jù)鄰近的S5202 綜放工作面開(kāi)采初期監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，并對(duì)采面開(kāi)采初期瓦斯涌出、采空區(qū)遺煤自燃風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行分析，具體為：

1）S5203 綜放工作面開(kāi)采時(shí)采用高抽巷治理采面上隅角瓦斯涌出，是由于3 號(hào)煤層老頂為厚度9.5m 的堅(jiān)硬粗砂巖，結(jié)合鄰近采面開(kāi)采情況，可基本判定S5204 綜放工作面開(kāi)采時(shí)初次來(lái)壓步距約為60~80 m，采面在開(kāi)采初期30 m 范圍內(nèi)由于覆巖壓力小，采空區(qū)內(nèi)無(wú)冒落矸石且頂煤難以回收。在采面開(kāi)采初期高抽巷與采空區(qū)間無(wú)聯(lián)通，高抽巷無(wú)法起到降低上隅角瓦斯?jié)舛茸饔谩?/p>

2）采面開(kāi)采初期采空區(qū)處于懸空狀態(tài)，采空區(qū)內(nèi)積聚有大量高濃度瓦斯，采空區(qū)覆巖頂板垮落前部分瓦斯隨采面漏風(fēng)從上隅角流出，極其容易導(dǎo)致上隅角瓦斯超限。

3）在采面開(kāi)采初期，由于不放煤，從而導(dǎo)致采空區(qū)內(nèi)有大量的遺煤，加之采空區(qū)大面積懸頂會(huì)增加采面漏風(fēng)量，采空區(qū)內(nèi)遺煤自燃氧化帶范圍增加，從而增加遺煤自然發(fā)火危險(xiǎn)。

圖1 S5204 綜放工作面位置關(guān)系圖

3 開(kāi)采初期瓦斯治理技術(shù)

針對(duì)采面開(kāi)采實(shí)際情況，采取預(yù)抽煤層瓦斯、上隅角埋管抽采、水力壓裂頂板等措施治理瓦斯。

3.1 采前預(yù)抽煤層瓦斯

根據(jù)S5203 綜放工作面煤層賦存情況，采面預(yù)先布置的瓦斯抽采孔按上下2 排布置。在回風(fēng)巷向進(jìn)風(fēng)巷施工順層長(zhǎng)鉆孔，每隔5 m 布置1 組鉆孔，每組鉆孔分上下2 排布置。上排鉆孔開(kāi)孔高度為1.8 m、終孔位于3 號(hào)煤層頂板下方2 m 位置，下排鉆孔開(kāi)孔高度1.2 m、終孔與煤層底板相距2 m。鉆孔布置見(jiàn)圖2。

3.2 高抽巷強(qiáng)化抽采

由于采面開(kāi)采初期采空區(qū)覆巖頂板無(wú)法及時(shí)垮落，高抽巷無(wú)法充分發(fā)揮作用，為此采取下述強(qiáng)化抽采措施：

1）采用礦用深孔鉆車(chē)（型號(hào)CMS1-6000/90）從采面切眼斜向高抽巷施工10 個(gè)孔徑150 mm 鉆孔，鉆孔間距3 m，從而使得高抽巷與采面煤體提前聯(lián)通。在采面生產(chǎn)時(shí)適當(dāng)減緩回采、放煤速度，通過(guò)鉆孔抽采放煤過(guò)程中的卸壓瓦斯，從而減少采空區(qū)內(nèi)瓦斯集聚量。

2）在回風(fēng)巷內(nèi)提前施工高位抽采鉆孔，采用預(yù)先鋪設(shè)的瓦斯抽采管路對(duì)頂煤卸壓瓦斯以及上隅角瓦斯進(jìn)行抽采。高位瓦斯抽采鉆孔每隔5m 布置1組，每組由4 個(gè)孔徑150mm 鉆孔構(gòu)成，開(kāi)孔位于回風(fēng)巷頂板、間距500 mm、鉆進(jìn)長(zhǎng)度25 m、封孔長(zhǎng)度3m。

3）在采面對(duì)應(yīng)地表施工地面鉆孔，強(qiáng)化對(duì)采面頂煤卸壓瓦斯抽采，并截留部分采空區(qū)瓦斯，從而降低采空區(qū)向上隅角瓦斯涌出量。施工參數(shù)為：在采面回風(fēng)巷內(nèi)側(cè)50 m 距采面切眼約30 m 位置施工第1個(gè)孔徑300 mm 地面鉆孔，在回風(fēng)巷方向上距第1 個(gè)地面鉆孔30 m 位置施工第2 個(gè)地面鉆孔，見(jiàn)圖2。

圖2 采前預(yù)抽鉆孔布置示意圖

4）上隅角埋管。利用回風(fēng)巷內(nèi)的DN350 瓦斯抽采管路進(jìn)行上隅角瓦斯抽采，在距采面切眼50 m 范圍內(nèi)變成2 趟孔徑108 mm 鋼絲繩繞管并引入到上隅角位置，通過(guò)瓦斯抽采泵對(duì)上隅角瓦斯進(jìn)行抽采。通過(guò)抽采管路負(fù)壓從而減少采空區(qū)向上隅角瓦斯涌出量。

3.3 水力壓裂

由于開(kāi)采的3 號(hào)煤層堅(jiān)硬，采面開(kāi)采過(guò)程中頂煤不容易破碎，因此采用水力壓裂方式弱化頂煤。在切眼、回風(fēng)巷分別布置水力壓裂鉆孔，提升煤層透氣性并降低其強(qiáng)度，從而使得頂板可以及時(shí)垮落，避免頂板突然冒落時(shí)造成采空區(qū)瓦斯然發(fā)、大量涌出。頂煤及頂板巖層及時(shí)冒落后可實(shí)現(xiàn)高抽巷與采空區(qū)及時(shí)聯(lián)通，起到截流采空區(qū)瓦斯目的。

在采面切眼內(nèi)每隔20 m 布置1 組水力壓裂鉆孔、每組鉆孔由4 個(gè)壓裂孔組成，采面內(nèi)共計(jì)布置10組水力壓裂孔；在回風(fēng)巷內(nèi)距采面60 m 范圍內(nèi)每隔20 m 布置1 組水力壓裂孔，每組鉆孔由由4 個(gè)壓裂孔組成，共計(jì)布置12 個(gè)水力壓裂孔。

4 開(kāi)采初期火災(zāi)治理技術(shù)

根據(jù)S5203 綜放工作面生產(chǎn)情況，確定采用束管監(jiān)測(cè)技術(shù)對(duì)采空區(qū)內(nèi)遺煤自然發(fā)火情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并采用注氮為主，堵漏、噴灑阻燃劑等為輔的綜合火災(zāi)防治技術(shù)。

4.1 束管監(jiān)測(cè)

在S5203 綜放工作面內(nèi)共計(jì)布置4 個(gè)束管監(jiān)測(cè)測(cè)點(diǎn)，第1 個(gè)測(cè)點(diǎn)布置在采面回風(fēng)巷與切眼交匯位置，隨采面推進(jìn)測(cè)點(diǎn)逐漸被埋入采空區(qū)內(nèi)，直至采面回采完畢或者測(cè)點(diǎn)進(jìn)入到窒息帶后測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)將不再發(fā)生變化；在與第1 個(gè)測(cè)點(diǎn)相距30、60 m 位置分別布置第2、第3 測(cè)點(diǎn)，2、3 測(cè)點(diǎn)隨著采面開(kāi)采逐漸經(jīng)歷冷卻帶、氧化帶及窒息帶等，根據(jù)束管監(jiān)測(cè)結(jié)果確定采空區(qū)“三帶”分布范圍；在回風(fēng)上隅角位置布置移動(dòng)測(cè)點(diǎn)并隨采面開(kāi)采而移動(dòng)，從而實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)上隅角位置氣體濃度及組分。

采用束管監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)上隅角、采空區(qū)內(nèi)CO、CH4、O2、C2H4以及 N2等氣體成分，并對(duì)遺煤自然發(fā)火標(biāo)志性氣體進(jìn)行分析，可及時(shí)對(duì)遺煤自然發(fā)火情況進(jìn)行預(yù)測(cè)。

4.2 注 氮

1）切眼注氮。在切眼內(nèi)綜放設(shè)備安裝期間就沿著切眼布置一趟注氮管路，沿采面切眼一直布置止回風(fēng)巷，實(shí)現(xiàn)切眼內(nèi)均衡注氮，避免由于注氮不均衡而出現(xiàn)遺煤自燃問(wèn)題。

2）采空區(qū)注氮。在采面切眼內(nèi)停止注氮后，采空區(qū)采用邁步式方式注氮。采面開(kāi)采初期移動(dòng)步距暫定30 m。在后續(xù)采面回采過(guò)程中根據(jù)監(jiān)測(cè)到的采空區(qū)內(nèi)“三帶”范圍變化情況以及采空區(qū)內(nèi)遺煤自然發(fā)火標(biāo)志性氣體分析結(jié)果，對(duì)注氮步距進(jìn)行調(diào)整，注氮步距最大為50 m。

4.3 噴灑阻化劑

在安裝綜放設(shè)備之前就采面切眼周邊煤壁上、切眼擴(kuò)刷側(cè)破碎煤壁等遺煤容易自燃位置，均勻噴灑阻化劑。

4.4 端頭封堵

在S5203 綜放工作面切眼上下端頭空頂時(shí)，采用構(gòu)筑密閉墻措施降低采空區(qū)內(nèi)漏風(fēng)量。在開(kāi)采初期暫定每隔20 m 布置1 道封堵墻，隨著采面回采若采面上下端頭頂板巖層時(shí)垮落時(shí)可不布置密閉墻而改成每隔10 m 對(duì)端頭位置進(jìn)行噴漿，從而封堵漏風(fēng)裂隙，降低采空區(qū)漏風(fēng)量。

4.5 地面瓦斯抽采鉆孔注漿

在地面瓦斯抽采鉆孔抽采采空區(qū)及采面上覆頂煤卸壓瓦斯時(shí)，對(duì)抽采的氣體成分、溫度等進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、分析。當(dāng)監(jiān)測(cè)到抽采氣體中含有CO 且含量持續(xù)增加時(shí)或者氣體溫度呈上升趨勢(shì)，則立即停止地面瓦斯抽采，通過(guò)地面鉆孔向采面采空區(qū)進(jìn)行預(yù)防性灌漿，避免采空區(qū)內(nèi)遺煤自燃。

5 防治效果

在S5203 綜放工作面開(kāi)采初期，采用瓦斯、火災(zāi)協(xié)同防治技術(shù)后，采面回風(fēng)上隅角位置瓦斯?jié)舛仍?.4%以內(nèi)，束管監(jiān)測(cè)系統(tǒng)未監(jiān)測(cè)到采空區(qū)、上隅角位置其他存在異常情況。采面開(kāi)采初期采用的瓦斯、火災(zāi)協(xié)同防治技術(shù)有效確保了采面生產(chǎn)安全。

6 總 結(jié)

1）在厚煤層綜放工作面初期開(kāi)采時(shí)，采用煤層瓦斯預(yù)抽、高抽巷強(qiáng)化抽采、上隅角埋管抽采以及地面鉆孔瓦斯抽采等綜合瓦斯防治措施可降低采面回采初期瓦斯涌出量，避免上隅角位置瓦斯超限。

2）采用水力壓裂技術(shù)提升采面上覆煤體透氣性并對(duì)煤體進(jìn)行弱化可提高頂煤冒落性及瓦斯抽采效果；在采面內(nèi)布置傾向鉆孔并與高抽巷聯(lián)通，在采面上覆煤體冒落性差、采空區(qū)上覆巖層不能及時(shí)垮落情況下也可充分發(fā)揮高抽巷截留采空區(qū)瓦斯效果。

3）在采面采空區(qū)及上隅角采用束管進(jìn)行24 h 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，在切眼周邊破碎圍巖中均勻噴灑阻化及注氮，在采空區(qū)內(nèi)注氮、端頭封堵等防滅火技術(shù)措施可避免采空區(qū)內(nèi)遺煤自燃。

4）采面地面布置的瓦斯抽采鉆孔正常情況下可降低采空區(qū)瓦斯涌出量，當(dāng)監(jiān)測(cè)到采空遺煤有自然發(fā)火危險(xiǎn)性又可進(jìn)行預(yù)防性灌漿工作。