陳汝旭

(山西焦煤汾西礦業(yè)集團(tuán) 高陽(yáng)煤礦,山西 孝義 032306)

煤礦井下綜采或綜掘工作面在設(shè)計(jì)時(shí),從巷道圍巖變形控制、漏風(fēng)控制、防滅火以及水害防治等方面考慮,一般在本工作面與鄰近采面間留設(shè)有一定寬度的保護(hù)煤柱[1-3]。保護(hù)煤柱礦壓長(zhǎng)時(shí)間作用下容易出現(xiàn)破碎、裂隙發(fā)育等情況,嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)纬陕╋L(fēng)通道(煤柱內(nèi)裂隙與鄰近采空連接),從而導(dǎo)致煤柱及鄰近采空區(qū)內(nèi)遺煤出現(xiàn)氧化自燃問(wèn)題[4-6]。減少甚至避免煤柱漏風(fēng)是煤柱防滅火工作開(kāi)展的關(guān)鍵,文中就以山西某礦130205工作面回風(fēng)巷煤柱防滅火為工程背景,結(jié)合采面開(kāi)采及煤柱留設(shè)等情況針對(duì)性制定防滅火技術(shù)措施,現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用后為采面安全回采創(chuàng)造了良好條件。

1 工程概況

1.1 地質(zhì)概況

130205工作面設(shè)計(jì)推進(jìn)長(zhǎng)度為1 690 m、切眼斜長(zhǎng)290 m,采面回采13號(hào)煤層,煤層厚度均值8.7 m、傾角15°,頂?shù)装鍘r性以砂巖、砂質(zhì)泥巖以及灰?guī)r為主,回采范圍內(nèi)煤層埋深均值為360 m.13號(hào)煤層具有自然發(fā)火傾向性,且煤塵具備有爆炸危險(xiǎn)性。130205工作面采用綜放開(kāi)采工藝,全部垮落法管理頂板,設(shè)計(jì)采高3.8 m、放煤高度4.9 m,推進(jìn)速度為3.48 m/d,采用U型通風(fēng)方式,供風(fēng)量為1 680 m3/min,采面回采范圍內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造不發(fā)育。130205工作面回采巷寬×高=5.0 m×4.0 m,采用錨網(wǎng)索支護(hù)方式,巷道在360～560 m范圍內(nèi)采用小煤柱沿空留巷方式掘進(jìn),巷道與鄰近的130203工作面采空區(qū)間留設(shè)有6 m寬窄煤柱,煤柱在礦壓作用下內(nèi)部裂隙較為發(fā)育。具體130205工作面回風(fēng)巷與鄰近采空區(qū)位置關(guān)系如圖1所示。

圖1 130205工作面回風(fēng)巷位置示意

礦井現(xiàn)有的防滅火系統(tǒng)為:地面一號(hào)井配備有1套60 m3液態(tài)CO2儲(chǔ)存罐籠、1套5 m3×150 m3液態(tài)N2儲(chǔ)存罐籠,液態(tài)CO2及N2系統(tǒng)共用一套汽化及管網(wǎng),汽化能力為5 000 m3/h;在采區(qū)工業(yè)廣場(chǎng)位置配備有MDZ-+60固定式灌漿、注膠防滅火系統(tǒng),最大流量為60 m3/h.

1.2 采面煤柱防滅火問(wèn)題分析

130205工作面回風(fēng)巷巷道全長(zhǎng)為1 820 m,在巷道掘進(jìn)至360～560 m范圍與鄰近的130203采空區(qū)間留設(shè)的窄煤柱寬度為6 m,窄煤柱在礦壓長(zhǎng)時(shí)間作用下內(nèi)部裂隙發(fā)育,局部漏風(fēng)明顯,導(dǎo)致煤柱內(nèi)部局部出現(xiàn)高溫問(wèn)題。在130205工作面推進(jìn)期間,窄煤柱在采動(dòng)壓力作用下變形更為明顯,煤柱內(nèi)形成的裂隙與鄰近的130205采空區(qū)貫通,煤柱更容易自然發(fā)火。130205工作面回風(fēng)巷原通過(guò)噴漿方式進(jìn)行漏風(fēng)裂隙封堵,但是在礦壓作用下噴漿層容易出現(xiàn)裂隙,導(dǎo)致噴漿效果較差。

因此,需要針對(duì)130205工作面回風(fēng)巷現(xiàn)場(chǎng)情況,對(duì)煤柱漏風(fēng)及自然發(fā)火問(wèn)題進(jìn)行防治,以確保采面安全回采。

2 煤柱自然發(fā)火防治技術(shù)

2.1 煤柱注凝膠

為實(shí)現(xiàn)回風(fēng)巷窄煤柱內(nèi)部漏風(fēng)裂隙封堵,在巷道回風(fēng)巷窄煤柱內(nèi)布置注漿鉆孔,向煤柱內(nèi)主圖凝膠,具體鉆孔布置情況如圖2所示。煤柱按照三花眼形式布置2排注漿鉆孔,其中上排、下排注漿孔與頂板間距分別為1 m、1.5 m,鉆孔間距均為2.4 m.

圖2 煤柱凝膠鉆孔布置示意

2.2 注入三相泡沫

在130205工作面回風(fēng)巷向鄰近的130203采空區(qū)注入三相泡沫,具體鉆孔布置情況如圖3所示。煤柱上布置的鉆孔間距為20 m,鉆孔仰角55°、孔深9 m,鉆孔終孔位于130203采空區(qū)靠近煤柱位置,鉆孔鉆進(jìn)完成后封孔深度為6 m.

圖3 三相泡沫鉆孔布置示意

具體單個(gè)鉆孔三相泡沫灌注量通過(guò)公式(1)計(jì)算:

Q=ηKmLH

(1)

式中:Q為單個(gè)鉆孔三相泡沫灌注量,m3;m為采高,取8.7 m;K孔隙率,取0.1;L為單個(gè)鉆孔走向覆蓋長(zhǎng)度,m;H為單個(gè)鉆孔傾覆蓋長(zhǎng)度,m;η為三相泡沫灌注系數(shù),取0.25.

將上述參數(shù)帶入到公式(1)即可求得Q=63.8 m3,三相泡沫中發(fā)泡劑添加量為5%,將三相泡沫密度按照1 000 kg/m3計(jì)算,則單個(gè)鉆孔所需的發(fā)泡量為0.32 t.灌注三相泡沫時(shí)每次灌注3個(gè)鉆孔,單孔灌注量為63.8 m3,則一次灌注的三相泡沫為191.4 m3,一次灌注需要的發(fā)泡劑量為320 kg.

2.3 巷道表面噴涂

針對(duì)130205工作面回風(fēng)巷表面裂隙發(fā)育,以及常規(guī)的水泥噴漿后期容易二次開(kāi)裂形成新的漏風(fēng)裂隙問(wèn)題,提出采用塑性噴涂材料密閉巷道煤柱幫。塑性噴涂材料噴涂時(shí)的具體要求為[7-8]:

1) 結(jié)合130205工作面回風(fēng)巷現(xiàn)場(chǎng)情況及噴涂,巷道煤柱幫采用初噴及復(fù)噴工藝,提高噴涂區(qū)巷道表面裂隙封閉效果;

2) 對(duì)于部分煤柱破碎、裂隙發(fā)育區(qū)域,若直接使用塑性噴涂材料噴涂存在材料消耗量大、經(jīng)濟(jì)性差等問(wèn)題,為此先使用無(wú)機(jī)發(fā)泡材料進(jìn)行打底,以便封堵較大的漏風(fēng)裂隙,隨后采用塑性噴涂材料進(jìn)行全覆蓋噴涂。

2.3.1 噴涂材料

130205工作面回風(fēng)巷煤柱幫表面噴涂使用蓋尼克塑性噴涂材料,該材料在巷道煤柱幫噴涂后形成的涂層具備較強(qiáng)的密閉功能,可有效封堵煤柱表面裂隙,防止煤柱漏風(fēng);噴涂層具備有較強(qiáng)的延伸性及塑性,拉伸率可超過(guò)100%,可有效應(yīng)封堵礦壓引起煤柱幫二次開(kāi)裂。具體使用的噴涂材料性能技術(shù)指標(biāo)為:①粘附性能強(qiáng),噴涂材料在煤巖體表面具有較強(qiáng)的粘附力;②延伸性好,噴涂材料拉伸率超過(guò)100%,對(duì)巷道表面位移有較強(qiáng)的應(yīng)對(duì)能力;③防滲性好且長(zhǎng)期不風(fēng)化。具體回風(fēng)巷煤柱幫現(xiàn)場(chǎng)噴涂使用的蓋尼克塑性噴涂材料技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 噴涂材料技術(shù)參數(shù)

2.3.2 噴涂工藝

在回風(fēng)巷煤柱幫噴涂時(shí)使用的蓋尼克塑性噴涂材料由A、B、b組分構(gòu)成,具體A∶B組分體積比為2∶1混合液,b組分與水按照2∶1混合;A、B組分混合液以及b組分與水按照10∶1配比在噴涂系統(tǒng)前端混漿裝置內(nèi)均勻混合,最后通過(guò)噴頭噴出。具體蓋尼克塑性噴涂材料噴涂工藝如圖4所示。

圖4 噴涂工藝流程

3 煤柱自然發(fā)火防治效果

通過(guò)在130205工作面回風(fēng)巷煤柱使用注入凝膠、三相泡沫以及在煤柱幫表面噴涂蓋尼克塑性噴涂材料等技術(shù)措施后,煤柱漏風(fēng)裂隙得以有效封堵,實(shí)測(cè)煤柱無(wú)漏風(fēng)點(diǎn);同時(shí)煤柱內(nèi)高溫點(diǎn)得以快速降溫。在130205工作面后續(xù)回采期間,采動(dòng)壓力雖然導(dǎo)致煤柱產(chǎn)生新的裂隙,但是由于煤柱幫噴涂材料具有較強(qiáng)的延伸性及韌性,后續(xù)未出現(xiàn)噴涂層脫落或開(kāi)裂等情況。

在煤柱自燃防滅火技術(shù)應(yīng)用前,熱成像儀顯示煤柱內(nèi)最高溫度為35 ℃左右,而采用防滅火技術(shù)后,煤柱內(nèi)溫度與巷道內(nèi)溫度保持一致,溫度在20 ℃左右且后續(xù)未再有溫度升高情況發(fā)生。

4 結(jié) 語(yǔ)

1) 130205工作面回風(fēng)巷窄煤柱(煤柱寬度6 m)段,在鄰近采空區(qū)側(cè)向應(yīng)力、地應(yīng)力以及采動(dòng)壓力等作用下出煤柱破碎、內(nèi)部裂隙發(fā)育,導(dǎo)致煤柱自燃氧化風(fēng)險(xiǎn)較高,煤柱內(nèi)容易出現(xiàn)高溫蓄熱點(diǎn)。同時(shí)回風(fēng)巷煤柱幫表面噴漿使用的水泥漿在動(dòng)壓作用下封堵效果較差。

2) 為有效解決130205工作面回風(fēng)巷煤柱自然發(fā)火問(wèn)題,提出采用凝膠材料封堵煤柱內(nèi)漏風(fēng)裂隙;使用三相泡沫封堵鄰近采空區(qū)靠近煤柱段;使用蓋尼克塑性噴涂材料密閉回風(fēng)巷煤柱幫表面裂隙,充分利用噴涂材料在延伸性、密閉性及封堵性?xún)?yōu)勢(shì),實(shí)現(xiàn)動(dòng)壓影響下煤柱表面裂隙有效封堵。

3) 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用后,130205工作面回風(fēng)巷煤柱漏風(fēng)裂隙得以有效封堵,煤柱高溫點(diǎn)基本消除,取得較好的煤柱自然發(fā)火防治效果。