李臣武

貴州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 建筑工程學(xué)院, 貴州 貴陽(yáng) 550023)

沿空留巷孤島工作面一般為工作面外段已先行開(kāi)采,且運(yùn)輸巷和回風(fēng)巷外段均進(jìn)行沿空留巷,里塊區(qū)域賦存有可開(kāi)采的煤炭資源塊段,資源塊段周?chē)驯婚_(kāi)采并形成采空區(qū),剩余煤炭塊段形成孤島。孤島工作面回采過(guò)程中,因外段運(yùn)輸巷和回風(fēng)巷之間已成為采空區(qū),采空區(qū)與進(jìn)風(fēng)巷和回風(fēng)巷相鄰[1],采空區(qū)不同程度存在漏風(fēng)現(xiàn)象[2],漏風(fēng)是采空區(qū)遺煤自燃的主要因素之一,漏風(fēng)為遺煤氧化自燃提供氧氣[3],可引發(fā)采空區(qū)煤炭自燃[4]. 采空區(qū)浮煤長(zhǎng)期處于漏風(fēng)供氧狀態(tài),給礦井防火工作帶來(lái)了較大難度[5]. 由于采空區(qū)遺煤氧化具有隱蔽性,采煤工作面的遺煤自然發(fā)火潛在危險(xiǎn)將越來(lái)越大[6]. 《煤礦安全規(guī)程》(2022版)第一百五十三條規(guī)定:“采掘工作面的進(jìn)風(fēng)和回風(fēng)不得經(jīng)過(guò)采空區(qū)或者冒頂區(qū),無(wú)煤柱開(kāi)采沿空送巷和沿空留巷時(shí),應(yīng)當(dāng)采取防止從巷道兩幫和頂部向采空區(qū)漏風(fēng)措施[7]. 根據(jù)規(guī)定,運(yùn)輸巷和回風(fēng)巷沿空留巷形成采空區(qū)的災(zāi)害防治重點(diǎn)是預(yù)防采空區(qū)漏風(fēng),防止采空區(qū)遺煤氧化自燃。沿空留巷防止采空區(qū)漏風(fēng)的主要措施通常采用構(gòu)筑巷旁充填墻,巷旁充填墻的關(guān)鍵作用是隔離留巷和采空區(qū),防止留巷內(nèi)新鮮風(fēng)流進(jìn)入采空區(qū)引起煤層自燃[8]. 龍寶煤礦11205工作面外塊段已回采結(jié)束,運(yùn)輸巷和回風(fēng)巷外段均實(shí)施了高水材料巷旁充填沿空留巷。里塊回風(fēng)巷、運(yùn)輸巷及切眼周邊留有煤柱,里塊采面回采期間,外塊采空區(qū)的漏風(fēng)管理和采空區(qū)防遺煤自燃是該面安全管理的重點(diǎn)。11205里塊采煤工作面回采期間,采用示蹤氣體監(jiān)測(cè)技術(shù)監(jiān)測(cè)外塊采空區(qū)漏風(fēng),安設(shè)束管監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)采空區(qū)自然發(fā)火征兆氣體進(jìn)行參數(shù)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(qū)北翼C12煤層第三區(qū)段,回風(fēng)巷從開(kāi)口掘進(jìn)到288 m,運(yùn)輸巷掘進(jìn)到301 m時(shí)兩條巷道的煤層都變薄,厚度變?yōu)?.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(jìn)入薄煤區(qū)后,煤層厚度變?yōu)椴豢刹?但從工作面走向來(lái)看,采面走向還有900 m掘到采區(qū)邊界。因前方變薄帶長(zhǎng)度和范圍不清楚,煤層賦存缺乏可靠資料,而且當(dāng)時(shí)礦井采掘接續(xù)較為緊張,決定從在煤層開(kāi)始變薄處開(kāi)切眼,采面外塊段回風(fēng)巷及運(yùn)輸巷均采用沿空留巷進(jìn)行開(kāi)采,先回采工作面外塊段,在下區(qū)段11207采煤工作面以及上覆C8煤層開(kāi)采時(shí),對(duì)11205采煤工作面里塊段進(jìn)行鉆探補(bǔ)充勘察,查清里塊孤島工作面賦存的煤炭資源。通過(guò)鉆探和對(duì)比分析,確定薄煤區(qū)實(shí)際長(zhǎng)度為80 m,里塊走向長(zhǎng)810 m段煤層厚度較為穩(wěn)定,為可采區(qū)域,對(duì)風(fēng)運(yùn)巷外段沿空留巷進(jìn)行巷道恢復(fù),繼續(xù)將上下巷掘進(jìn)到采區(qū)邊界并形成生產(chǎn)系統(tǒng)。該工作面采用綜采工藝回采,U型通風(fēng)方式進(jìn)行通風(fēng)[9],工程平面圖見(jiàn)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(kāi)采后沿采空區(qū)邊緣維護(hù)原回采巷道的一種無(wú)煤柱開(kāi)采技術(shù)。經(jīng)過(guò)多年的探索和發(fā)展,我國(guó)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(hù)結(jié)構(gòu),提出了木棚、工字鋼梯形棚架、U 型鋼可縮性棚架、錨桿支護(hù)以及錨梁網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)等巷內(nèi)支護(hù)形式[10],巷旁支護(hù)和巷內(nèi)支護(hù)共同維護(hù)巷道的穩(wěn)定。當(dāng)前主流沿空留巷方式主要有柔?；炷裂乜樟粝?、切頂卸壓自動(dòng)成巷、高水材料巷旁支護(hù)沿空留巷。柔?；炷裂乜樟粝飰w接頂效果差、被動(dòng)承載,需后期補(bǔ)噴漿,頂板來(lái)壓時(shí)噴漿料易破碎,不利于巷道與采空區(qū)隔絕,采空區(qū)漏風(fēng)嚴(yán)重,易引發(fā)采空區(qū)遺煤自然發(fā)火,漏風(fēng)還有可能造成采空區(qū)積聚瓦斯大量涌出;切頂卸壓自動(dòng)成巷需掛設(shè)擋風(fēng)簾及掛網(wǎng)噴漿等,需待頂板垮落穩(wěn)定后才能?chē)姖{密閉采空區(qū),且噴漿后在二次采動(dòng)的影響下易產(chǎn)生裂隙,采空區(qū)遺煤有自燃風(fēng)險(xiǎn)的不適合采用該技術(shù),不適用高瓦斯礦井和煤層易自燃礦井;高水材料巷旁支護(hù)的支護(hù)體增阻速度快、支護(hù)阻力大,與工作面生產(chǎn)平行作業(yè),不影響工作面生產(chǎn);高水材料充填體接頂效果好,主動(dòng)承載,采空區(qū)密閉性好,自然發(fā)火威脅較小;高水巷旁充填材料具有早強(qiáng)性,膨脹性,能滿足支撐前期頂板活動(dòng)要求,具有施工工藝簡(jiǎn)單、強(qiáng)度增長(zhǎng)快、成本低等突出優(yōu)勢(shì),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(dú)與水混合 24 h 不凝結(jié),而甲料漿和乙料漿一旦相互混合則快速硬化[12],能實(shí)現(xiàn)巷旁支護(hù)和密閉采空區(qū)有機(jī)結(jié)合。該礦C12煤層自燃傾向性等級(jí)為Ⅱ級(jí)自燃煤層,煤層屬高瓦斯煤層,無(wú)突出危險(xiǎn)性,無(wú)煤塵爆炸性。C12煤層具有自燃屬性,需防止采空區(qū)遺煤自燃,并采取相應(yīng)措施降低煤層自燃風(fēng)險(xiǎn)。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(shí)、漏風(fēng)率較低,11205運(yùn)輸巷和回風(fēng)巷外段沿空留巷采用高水材料巷旁支護(hù)技術(shù)進(jìn)行實(shí)施,11205運(yùn)輸巷和回風(fēng)巷沿空留巷支護(hù)斷面見(jiàn)圖2,圖3.

2.2 高水材料沿空留巷實(shí)施

11205運(yùn)輸巷和回風(fēng)巷掘進(jìn)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(hù)采用錨桿(索)+鐵絲網(wǎng)+鋼帶聯(lián)合支護(hù),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(shù)脂錨桿,錨桿托盤(pán)規(guī)格為:150 mm×150 mm×10 mm(厚)。錨索間距1.6 m、排距1.6 m,錨索規(guī)格為φ17.8 mm×7 300 mm,錨索托盤(pán)采用300 mm×300 mm×15 mm(厚)的托盤(pán)。沿空留巷采用中深孔預(yù)裂爆破技術(shù)進(jìn)行切頂卸壓,切頂孔深10 m,間距1.6 m.

圖2 11205運(yùn)輸巷沿空留巷斷面圖

圖3 11205回風(fēng)巷沿空留巷斷面圖

根據(jù)11205工作面運(yùn)輸巷、回風(fēng)巷外段的頂板巖層情況,結(jié)合巷旁充填體與頂板相互作用的力學(xué)模型分析,應(yīng)用理論公式計(jì)算得出工作面運(yùn)輸巷充填體的切頂阻力為14.94 MN/m,回風(fēng)巷充填體的切頂阻力為13.45 MN/m. 現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí),充填體平均強(qiáng)度按10 MPa考慮,則所需的充填體寬度理論計(jì)算值為運(yùn)輸巷1.49 m,回風(fēng)巷1.35 m. 考慮巷道復(fù)用斷面要求及安全系數(shù),充填體置于巷內(nèi),初步設(shè)計(jì)運(yùn)輸巷巷旁支護(hù)體寬度為1.5 m,回風(fēng)巷旁支護(hù)體寬度為1.4 m,后期根據(jù)留巷礦壓觀測(cè)結(jié)果再對(duì)巷旁支護(hù)體寬度進(jìn)行優(yōu)化、調(diào)整,靠采空區(qū)一側(cè)充填體高度3.2 m、靠巷道的另一側(cè)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(duì)拉錨桿對(duì)充填體進(jìn)行加固,進(jìn)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(wǎng)、工作面支架移架→架后充填區(qū)域靠采空區(qū)側(cè)打密集單體液壓支柱→充填區(qū)域上方頂板維護(hù)→清理支?？臻g→支模(打設(shè)護(hù)模單體液壓支柱、掛鋼筋網(wǎng)、掛充填袋、穿對(duì)拉錨桿、扎口、安裝鋼筋梯子梁、安裝錨桿托盤(pán)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(shè)備→拆除后方采空區(qū)單體支柱→準(zhǔn)備下一循環(huán)。

3 沿空留巷采空區(qū)漏風(fēng)監(jiān)測(cè)及煤層自燃?xì)怏w分析

3.1 沿空留巷區(qū)域采空區(qū)漏風(fēng)分析

沿空留巷頂板巖層運(yùn)動(dòng)具有規(guī)律性,圍巖變形、巷旁充填體變形以及支護(hù)體載荷的變化都與回采工作面的周期來(lái)壓有密切關(guān)系?；夭晒ぷ髅婧蠓?0～40 m,巷道圍巖變形速度較大;當(dāng)周期來(lái)壓引起工作面后方基本頂弧形三角板失穩(wěn)時(shí),巷道圍巖及巷旁充填體產(chǎn)生劇烈變形,充填體承受載荷也劇烈增加。采空區(qū)側(cè)的頂板巖層斷裂、垮落時(shí)會(huì)對(duì)巷旁充填體頂部產(chǎn)生壓力和沖擊,甚至產(chǎn)生一定破壞,而沿空留巷側(cè)的巖層頂板切頂一般不是完全規(guī)則的直線型,因此高水材料沿空留巷充填體頂部存在漏風(fēng)現(xiàn)象,而充填體墻體中下部不會(huì)出現(xiàn)漏風(fēng)現(xiàn)象。11205運(yùn)輸巷和回風(fēng)巷外段均采用高水材料進(jìn)行沿空留巷,在礦井通風(fēng)負(fù)壓的作用下漏風(fēng)一般從高位能點(diǎn)流向低位能點(diǎn),即從運(yùn)輸巷沿空留巷上幫頂部進(jìn)入,經(jīng)過(guò)采空區(qū),從回風(fēng)巷下幫充填體頂部流入回風(fēng)巷,漏風(fēng)量均隨工作面傾向呈拋線狀變化。C12煤層為Ⅱ級(jí)自燃煤層,11205運(yùn)輸巷和回風(fēng)巷外段沿空留巷恢復(fù)以及里塊回采巷道掘進(jìn)、采煤工作面回采期間,外塊采空區(qū)內(nèi)的底板遺煤在漏風(fēng)的氧化下有可能出現(xiàn)發(fā)火征兆,甚至?xí)霈F(xiàn)采空區(qū)火災(zāi)。因此11205里塊工作面掘進(jìn)及回采期間,外塊采空區(qū)的漏風(fēng)及內(nèi)因火災(zāi)的監(jiān)測(cè)將成為該工作面安全管理的重點(diǎn)。

3.2 沿空留巷區(qū)域采空區(qū)漏風(fēng)監(jiān)測(cè)

11205里塊工作面掘進(jìn)及回采期間對(duì)外塊采空區(qū)的一項(xiàng)重要管控措施就是對(duì)采空區(qū)漏風(fēng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。采空區(qū)漏風(fēng)風(fēng)流一般是從高壓側(cè)流向低壓側(cè),采用SF6示蹤氣體進(jìn)行監(jiān)測(cè),在運(yùn)輸巷上幫頂部釋放SF6氣體,在各回風(fēng)地點(diǎn)取樣分析,確定有無(wú)示蹤氣體以及觀測(cè)氣體濃度變化即可確定漏風(fēng)通道和漏風(fēng)量[13].

11205外塊采空區(qū)SF6氣體監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置:示蹤氣體釋放點(diǎn)設(shè)置于外塊停采線下口和停采線下口前120 m處,測(cè)量接收點(diǎn)分別設(shè)置于停采線上口往前5 m位置和100 m 位置兩處。釋放點(diǎn)和接收點(diǎn)布置見(jiàn)圖4. 示蹤氣體釋放檢測(cè)方法分為連續(xù)定量和瞬時(shí)釋放兩種?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)采用連續(xù)定量法釋放氣體,在運(yùn)輸巷1#和2#釋放點(diǎn)同時(shí)釋放氣體,釋放15 min后,在1#接收點(diǎn)檢測(cè)到SF6氣體,釋放20 min后,在2#接收點(diǎn)檢測(cè)到SF6氣體,從2#接收點(diǎn)往外每隔5 m加設(shè)一個(gè)檢測(cè)點(diǎn),連續(xù)檢測(cè)6個(gè)點(diǎn),均檢測(cè)到SF6氣體,可以定性說(shuō)明采空區(qū)外塊存在一定的漏風(fēng)量。

11205里塊采面回采期間,工作面設(shè)計(jì)配風(fēng)量為1 500 m3/min,生產(chǎn)期間在外塊采空區(qū)運(yùn)輸巷和回風(fēng)巷分別布設(shè)測(cè)風(fēng)點(diǎn)A、B、C、D,A點(diǎn)和D點(diǎn)位于停采線外側(cè),距停采線10 m,B點(diǎn)和C點(diǎn)位于采空區(qū)往里,距采空區(qū)邊沿10 m. 經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)人工測(cè)風(fēng),A、B、C、D四個(gè)點(diǎn)的實(shí)測(cè)風(fēng)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(diǎn)與D點(diǎn)的風(fēng)量相近,B點(diǎn)與C點(diǎn)的風(fēng)量相近,A點(diǎn)與B點(diǎn)的風(fēng)量相差34.2 m3/min,C點(diǎn)與D點(diǎn)的風(fēng)量相差34.45 m3/min. 經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)對(duì)比得出,運(yùn)輸巷進(jìn)入外塊采空區(qū)的漏風(fēng)和采空區(qū)進(jìn)入回風(fēng)巷的風(fēng)量相近,11205里塊采煤工作面無(wú)漏風(fēng)現(xiàn)象。經(jīng)過(guò)計(jì)算得出外塊采空區(qū)的漏風(fēng)率為2.28%,里塊采煤工作面的有效風(fēng)量率為97.72%,大于85%,符合《煤礦安全質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)化標(biāo)準(zhǔn)及考核評(píng)級(jí)辦法》的要求。在運(yùn)輸巷A點(diǎn)和B點(diǎn)之間每隔30 m增設(shè)一個(gè)臨時(shí)測(cè)風(fēng)點(diǎn),并對(duì)各點(diǎn)進(jìn)行測(cè)風(fēng),經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和分析得出由外往里采空區(qū)漏風(fēng)量逐漸減小,漏風(fēng)規(guī)律遵從于兩點(diǎn)間負(fù)壓守恒原理。通過(guò)漏風(fēng)監(jiān)測(cè),測(cè)定漏風(fēng)量和漏風(fēng)通道,進(jìn)一步采用高水材料進(jìn)行堵漏和噴涂處理,做到最大限度降低采空區(qū)的漏風(fēng)。

圖4 SF6氣體釋放點(diǎn)和接收點(diǎn)布置圖

3.3 沿空留巷區(qū)域采空區(qū)煤炭自燃指標(biāo)氣體分析

采空區(qū)防火的一項(xiàng)重點(diǎn)措施就是煤炭自燃指標(biāo)氣體的監(jiān)測(cè),11205采煤工作面自然發(fā)火重點(diǎn)監(jiān)測(cè)區(qū)域是上下沿空留巷圍成的外塊采空區(qū),建立以束管監(jiān)測(cè)為主、人工取樣為輔的氣體監(jiān)測(cè)體系?；馂?zāi)預(yù)測(cè)的束管監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由地面氣體分析中心和井下束管取樣系統(tǒng)組成[14].

外塊采空區(qū)的氣體監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)置在采空區(qū)上邊沿,共設(shè)置 3 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn),束管監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置見(jiàn)圖5,1號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)距停采線10 m,2號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)距停采線130 m,3號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)距采空區(qū)里邊沿10 m,監(jiān)測(cè)束管沿回風(fēng)巷下幫頂上敷設(shè),由回風(fēng)巷沿空留巷下幫向采空區(qū)預(yù)埋 3 芯束管,束管經(jīng)一采區(qū)回風(fēng)下山、回風(fēng)斜井,再到地面氣體分析中心的參數(shù)分析室,束管采樣時(shí)分析人員在地面進(jìn)行自動(dòng)采樣、自動(dòng)分析[15]. 里塊工作面掘進(jìn)及回采期間,人工每天將外塊采空區(qū)氣體抽到地面分析室進(jìn)行分析,每天分析3次,同時(shí)每天對(duì)采空區(qū)進(jìn)行一次人工球膽取樣分析,通過(guò)數(shù)據(jù)分析,準(zhǔn)確掌握采空區(qū)氣體情況,判斷煤的自然發(fā)火狀況和發(fā)展程度,及時(shí)作出預(yù)報(bào)預(yù)警[16]. 在里塊采面工程掘進(jìn)及回采期間,外塊采空區(qū)的氣體絕大多數(shù)時(shí)間處于正常狀態(tài),測(cè)試參數(shù)見(jiàn)表1. 在整個(gè)11205里塊工作面采掘活動(dòng)期間,外塊采空區(qū)偶爾監(jiān)測(cè)到CO,從未檢測(cè)到乙烯和乙炔氣體,CO最大濃度為32×10-6,小于礦井多年監(jiān)測(cè)的C12煤層自燃臨界值40×10-6,說(shuō)明采空區(qū)遺煤未出現(xiàn)過(guò)自燃現(xiàn)象。針對(duì)采空區(qū)CO異常情況,采用從運(yùn)輸巷注氮的措施進(jìn)行處理,逐步降低CO濃度,直到消失,有效防止采空區(qū)內(nèi)因火災(zāi)的產(chǎn)生。

圖5 11205外塊采空區(qū)束管監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置圖

表1 11205外塊采空區(qū)煤炭自燃指標(biāo)氣體監(jiān)測(cè)表

4 效果分析

11205外塊運(yùn)輸巷和回風(fēng)巷采用高水材料進(jìn)行沿空留巷,在里塊采面掘進(jìn)及回采期間對(duì)采空區(qū)進(jìn)行漏風(fēng)測(cè)量和對(duì)煤層自燃征兆氣體進(jìn)行束管監(jiān)測(cè),得出有效風(fēng)量率大于85%,符合煤礦通風(fēng)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)化要求,里塊采面在掘進(jìn)及回采期間,外塊采空區(qū)未出現(xiàn)過(guò)C2H4、C2H2等煤層自燃征兆性氣體。11205里塊采面走向長(zhǎng)810 m,傾斜長(zhǎng)205 m,可采儲(chǔ)量60萬(wàn)t,里塊采面采掘活動(dòng)期間,因外塊采空區(qū)的漏風(fēng)及煤層自燃監(jiān)測(cè)措施得當(dāng),里塊工作面的采掘活動(dòng)從未出現(xiàn)過(guò)因防滅火工作造成停產(chǎn)停掘現(xiàn)象。

5 結(jié) 論

1) 11205外塊運(yùn)輸巷和回風(fēng)巷沿空留巷采用高水材料作為充填體,實(shí)現(xiàn)了采煤工作面雙巷沿空留巷,同時(shí)充分利用高水材料的密封性,有效減少了采空區(qū)漏風(fēng),降低采空區(qū)遺煤自燃的風(fēng)險(xiǎn),并實(shí)現(xiàn)外塊采空區(qū)漏風(fēng)率符合《煤礦安全規(guī)程》和《煤礦安全質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)化標(biāo)準(zhǔn)及考核評(píng)級(jí)辦法》的要求,為里塊孤島工作面的開(kāi)采提供了安全保障。

2) 采用SF6示蹤氣體監(jiān)測(cè)和風(fēng)運(yùn)巷人工測(cè)風(fēng),定性定量地明確外塊采空區(qū)漏風(fēng)問(wèn)題,并進(jìn)一步掌握采空區(qū)漏風(fēng)的規(guī)律,為降低采空區(qū)漏風(fēng)實(shí)施針對(duì)性措施。

3) 采用束管監(jiān)測(cè)定期分析采空區(qū)的氣體,準(zhǔn)確掌握采空區(qū)煤層自然發(fā)火征兆和制定針對(duì)性的防滅火措施,科學(xué)掌控采空區(qū)內(nèi)因火災(zāi)的防火和滅火過(guò)程。