王文成

（晉能控股集團(tuán)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(shí)可以轉(zhuǎn)移采動(dòng)應(yīng)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(fā)育，會造成鄰近采空區(qū)漏風(fēng)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(qū)有害氣體涌出，導(dǎo)致本工作面有害氣體濃度超標(biāo)，特別是瓦斯?jié)舛葮O易超標(biāo)。因此，研究小煤柱開采瓦斯和火災(zāi)防治技術(shù)具有重要意義。

1 工程概況

同忻煤礦現(xiàn)開采石炭二疊系3#～5#煤層，目前礦井為6 進(jìn)3 回分區(qū)式通風(fēng)系統(tǒng)。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(jù)2019 年礦井瓦斯涌出量測定結(jié)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(jìn)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(fā)火期為84 d，為自燃煤層。8305 工作面是同忻礦首個(gè)留設(shè)小煤柱的工作面，北翼與已采8307 工作面相鄰，南翼為實(shí)煤區(qū)。工作面設(shè)計(jì)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(fēng)巷，與8307 采空區(qū)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(jiān)測可知，8307 采空區(qū)主要?dú)怏w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(dòng)應(yīng)力作用下，煤柱產(chǎn)生塑性破壞，出現(xiàn)裂縫或漏風(fēng)通道，會嚴(yán)重影響8305 工作面的安全掘進(jìn)及開采。

2 瓦斯-火災(zāi)協(xié)同防治技術(shù)

2.1 采空區(qū)惰性氣體置換

根據(jù)礦井現(xiàn)有條件，采空區(qū)內(nèi)氣體置換直接利用礦井現(xiàn)有的注氮系統(tǒng)，利用8307 面永久密閉內(nèi)預(yù)埋的措施管向采空區(qū)內(nèi)注入高濃度氮?dú)?，同時(shí)在5309 巷向8307 面采空區(qū)打抽放鉆孔進(jìn)行采空區(qū)氣體抽放，采取“一進(jìn)一回”的方式整體置換出采空區(qū)內(nèi)CH4、CO、O2及CO2等氣體，并達(dá)到惰化采空區(qū)防止自然發(fā)火的目的[3-4]。8307 工作面采空區(qū)氣體置換如圖2。

圖2 8307 工作面采空區(qū)氣體置換圖

（1）管路布置

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

抽放：在臨近的5309 巷鋪設(shè)一趟Φ273 mm 鋼管，從5309 巷1600 m 位置向8307 面采空區(qū)施工3個(gè)Φ108 mm 鉆孔，利用鉆孔對8307 面采空區(qū)進(jìn)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(yù)計(jì)需置換氣體390 萬m3，按6個(gè)月置換完畢計(jì)算，注氮流量為903 m3/h。

（3）抽放鉆孔位置

設(shè)計(jì)從5309 巷向8307 面采空區(qū)距原切眼20 m、30 m、40 m 位置分別施工1 個(gè)Φ108 mm 鉆孔，鉆孔內(nèi)下入套管，管口安設(shè)截門，并在5309 巷安設(shè)一趟DN273 瓦斯抽放鋼管，與回風(fēng)大巷內(nèi)DN500瓦斯抽放管路對接，利用抽采系統(tǒng)進(jìn)行瓦斯抽放。為確保氣體進(jìn)出平衡，抽放流量為15 m3/min。

2.2 工作面均壓通風(fēng)

8305 綜放工作面鄰側(cè)為8307 面采空區(qū)，8307面已回采封閉完畢，上覆為同家梁礦侏羅紀(jì)14#層采空區(qū)，與3#～5#煤層間距為175～220 m，采空區(qū)內(nèi)存在積氣區(qū)。8305 面采用綜采放頂煤開采工藝，采用頂抽道封閉式機(jī)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(qū)與上覆侏羅紀(jì)采空區(qū)溝通，形成漏風(fēng)通道，可能導(dǎo)致上覆采空區(qū)煤體自燃，影響工作面安全生產(chǎn)。8305 工作面回采期間，每天對工作面的進(jìn)回風(fēng)巷及頂抽巷的風(fēng)量進(jìn)行測定，每班由瓦斯檢查員對工作面頭、中、尾、上隅角及回風(fēng)流的CO、CO2和O2濃度進(jìn)行測定。如果工作面上隅角連續(xù)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(fēng)量超過10%，工作面必須斷電撤人，并立即啟動(dòng)均壓通風(fēng)系統(tǒng)[5]，如圖3 所示。

圖3 8307 工作面均壓通風(fēng)示意圖

2.3 采空區(qū)防火

在8305 工作面回采期間，在工作面安設(shè)阻化劑泵對工作面機(jī)道、頭尾端頭及支架后采空區(qū)浮煤噴灑MgCl2阻化劑，每日噴灑量不低于150 kg。同時(shí)利用采空區(qū)內(nèi)提前埋設(shè)的束管對臨近采空區(qū)及本采空區(qū)內(nèi)氣體進(jìn)行連續(xù)在線監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)自然發(fā)火指標(biāo)性氣體出現(xiàn)異常時(shí)，及時(shí)調(diào)整采空區(qū)注氮量,加強(qiáng)端頭封堵。

2.4 調(diào)風(fēng)調(diào)壓調(diào)流量

均壓通風(fēng)期間，提前施工與上覆采空區(qū)和臨近采空區(qū)聯(lián)通鉆孔并安設(shè)壓差計(jì)，調(diào)整工作面均壓壓力，確保小煤柱工作面壓力與上覆采空區(qū)及臨近采空區(qū)內(nèi)壓力基本平衡，防止上覆采空區(qū)內(nèi)及臨近采空區(qū)內(nèi)氣體異常涌出。工作面正常回采期間，通過監(jiān)測上隅角氣體變化情況，合理調(diào)整頂抽巷抽放流量，在保證工作面回風(fēng)量充足的情況下，有效抽采采空區(qū)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(qū)漏風(fēng)，在8305 工作面5305 順槽沿小煤柱掘進(jìn)過程中，對小煤柱巷道臨空側(cè)及時(shí)進(jìn)行噴漿封堵裂隙。

3 應(yīng)用效果分析

通過為期10 個(gè)月的采空區(qū)惰性氣體置換，累計(jì)注入氮?dú)?48 萬m3，相當(dāng)于采空區(qū)內(nèi)空間的1.66倍，采空區(qū)內(nèi)的主要?dú)怏w成分發(fā)生了顯著變化，具體見表1。

表1 8307 工作面采空區(qū)氣體成分表

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%，降至了合理范圍，切實(shí)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；通過惰性氣體置換，使采空區(qū)內(nèi)N2濃度處于較高水平。同時(shí)配合工作面噴灑阻化劑，加強(qiáng)本工作面采空區(qū)及鄰近采空區(qū)氣體監(jiān)測，以及煤壁裂隙封閉和調(diào)整頂抽巷流量等措施，8305 工作面回采期間未出現(xiàn)采空區(qū)遺煤自燃、工作面及上隅角瓦斯及有害氣體超限的現(xiàn)象。

4 結(jié)語

通過對小煤柱工作面相鄰采空區(qū)實(shí)施惰性氣體置換，掘進(jìn)巷道臨空側(cè)補(bǔ)強(qiáng)噴漿，加強(qiáng)工作面各地點(diǎn)有毒有害氣體監(jiān)測等措施，8307 工作面采空區(qū)內(nèi)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(qū)氣體泄漏、上覆采空區(qū)氣體下泄、抑制采空區(qū)煤炭自然發(fā)火起到了很好的作用。同時(shí)配套建立了工作面均壓通風(fēng)系統(tǒng)，出現(xiàn)異?，F(xiàn)象可立即啟動(dòng)，起到了后備保障的作用。