特厚煤层留小煤柱开采瓦斯与火灾防治实践

庞叶青

（大同煤矿集团有限公司通风处，山西 大同 037003）

近年来，工作面留小煤柱开采方法在诸多煤矿中得到了广泛的应用[1-3]。尤其是在特厚煤层开采条件下， 留小煤柱开采不仅能提高煤层开采的回收率，减少煤炭资源的浪费，而且还可以延长矿井的服务年限，从而增加煤矿的经济效益[4]。但受地应力影响，留设的小煤柱容易挤压变形，并产生大量的裂隙，为邻近采空区内大量的瓦斯及有毒有害气体涌向工作面提供了通道， 导致工作面瓦斯浓度超限；同时，受漏风的影响采空区内的遗煤容易自燃，对矿井的安全生产造成了严重威胁[5-7]。

1 研究背景

同忻煤矿有北一、北二两个生产盘区。 目前主要开采3#～5#煤层，该煤层倾角平均为3°，为近水平煤层；煤层平均厚度17.52 m。矿井相对瓦斯涌出量为1.5 m3/t， 绝对瓦斯涌出量为50.53 m3/min，属高瓦斯矿井；3#～5#煤层为自燃煤层，自然发火期为2～3个月。

同忻矿3#～5#煤层第一个留设小煤柱的工作面是二盘区西8205工作面，其设计走向长度983 m，倾向长度为200 m， 工作面采用走向长壁后退式采煤法，综合机械化放顶煤开采工艺，采高3.9 m，放煤厚度9.8 m，采用自然跨落法顶板管理。8205工作面北翼为西二盘区8207工作面，该工作面5205顺槽与8207工作面采空区预留煤柱净宽度为8 m， 巷道全长900 m，巷道断面为矩形断面，规格为宽5.4 m、高3.7 m。 顶板采用锚杆、锚索和金属网联合支护，护帮采用锚杆配合金属网支护。 为确保西8205工作面安全顺利回采，对工作面采空区瓦斯及遗煤自燃采取综合治理措施。 工作面位置关系见图1。

图1 8205工作面与8207工作面位置关系

2 8205面瓦斯和自然发火治理技术

2.1 8205面瓦斯防治技术

（1）回风隅角埋管抽采技术

在5205巷侧，使用粉煤灰在回风隅角切顶线处构筑一道封堵墙， 墙厚度为1.2 m， 并在墙内敷设Φ500 mm管，在采空区内露出0.5 m，在工作面前方30 m处改成Φ600 mm骨架伸缩风筒，见图2。随着工作面的推进，当粉煤灰封堵墙进入采空区10 m位置时，重新再构筑一道粉煤灰封堵墙，同时将粉煤灰封堵墙前端的风筒截断， 在管头加一个防护网，包住管头防止吸入煤矸等， 作为新的抽排瓦斯口，重复进行。 每隔30 m拆除5205巷内500 mm瓦斯抽采管路30 m，同时对接Φ600 mm负压风筒，依次类推。

图2 回风隅角埋管抽采瓦斯

（2）顶板高抽巷封闭抽采技术

西8205工作面采用三巷布置，沿煤层底板布置西5205回风顺槽和西2205皮带顺槽。 西8205顶部抽采巷道沿煤层顶板布置，并与西5205回风顺槽平行布置且内错15 m，见图1。 高抽巷与工作面导通后，将“一进一回”的工作面通风方式改为“一进一回一抽”。

实施步骤如下：将在密闭墙内敷设的2趟DN500抽采瓦斯管道和1趟DN900的瓦斯抽采管路与回风大巷内安装的瓦斯抽采管网对接；在接通西8205顶板抽采巷与工作面后，立即组织在西8205顶板抽采巷三叉口往里3 m处构筑密闭， 并开启抽采泵进行抽采，抽采流量为750 m3/min，甲烷浓度为2.5%。

（3）封堵漏风通道

在西5205巷掘进期间，进行全断面喷浆，喷浆厚度不小于100 mm，以此隔绝西8207面采空区瓦斯等有害气体向西8205工作面渗入的通道。

2.2 8205工作面自然发火防治技术

（1）气雾阻化防灭火技术

初采期间，在注氮措施无法实施时，在西2205巷串车处安装气雾阻化喷雾装置，利用高压喷雾装置将氯化镁阻化剂溶液对工作面采空区浮煤进行喷洒，降低遗煤氧化速度，阻化剂（氯化镁）和水的配比为1:30。

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开启液泵，实施汽雾阻化喷氯化镁。 阻化喷头设置在端头支架后部，喷头需斜向上45°，以确保汽雾能随风流进入采空区；同时，每日二班组织人工对工作面头尾巷及支架后方浮煤进行阻化剂的喷洒工作，确保浮煤均被阻化剂覆盖。

（2）注氮防灭火技术

①注氮工艺

工作面采用进风顺槽埋管注氮工艺。具体作法是：在工作面的进风隅角埋设1趟DN100钢丝缠绕管路。当管路进入采空区25 m后开始注氮，同时埋入第二趟注氮管路； 当第二趟注氮管口进入采空区25 m后，使用第二趟管路进行注氮，断开第一趟管路，并埋设第三趟注氮管路。

工作面氮气主要是利用北二风井地面制氮车间安设的制氮机制取。注氮量不低于2 000 m3/h，氮气浓度不低于98%， 正常生产期间工作面实施24小时连续注氮。

封堵漏风通道主要采取以下两个措施：

①对西8207、西8205工作面采空区对应地表裂隙进行勘测和充填。

②在西5205巷贴近小煤柱侧灌注一道高强度钢筋混凝土墙， 一方面为了降低小煤柱顶板承压，防止小煤柱“崩塌”，产生裂隙；另一方面混凝土墙进一步隔绝回采期间西8207采空区气体涌向西8205工作面。 在5205巷8 m煤柱侧构筑钢筋混凝土墙（宽×高为0.6 m×3.7 m），施工前沿煤柱帮地板开挖地槽（宽×深为0.6 m×0.5 m），配筋作业要求将钢筋、 顶底锚杆用铁丝绑牢， 使用混凝土强度C50，施工设计见图3。

图3 5205巷煤柱侧钢筋混凝土墙剖面

3 西8207采空区自然发火防治技术

8207面采空区注浆孔布置在西5205巷靠采空区一侧， 从西8205工作面切眼开始间隔50 m施工1组钻孔，共布置22组注浆钻孔，每组钻孔由两个钻孔（1个高位孔和1个低位孔）组成：高位钻孔开孔高度为2 m、仰角为30°；低位钻孔开孔高度为1.5 m、仰角为15°， 见图4。 考虑各钻孔处西5205巷和西2207巷巷道底板高差的影响，确保钻孔准确、到位。每个钻孔施工完毕立即进行封孔， 并由通风区、地测科组织进行验收。 要求封孔严密不漏风，验收合格后，方可进行注浆工作。 采用水泥砂浆封孔，封孔前钻孔内下套管，具体钻孔封孔情况见图5。

图4 注浆钻孔

图5 钻孔封孔

钻孔注浆顺序为从里到外、 先低位后高位，即从工作面切眼往外逐个进行注浆作业，钻孔内浆液注不进或者注浆泵压力达到5 MPa时方可认为注浆结束。 所有钻孔完成注浆后，通过巷道底部施工的窥视孔，查看浆液充填程度，并对注浆前、注浆期间、注浆后采空区气体成分进行监测、记录及分析，注浆效果见图6。

图6 西8207采空区注浆效果

4 应用效果

通过对西8205工作面及西8207采空区的瓦斯和遗煤自燃问题进行综合防治，西8205工作面采空区内的主要气体成分发生了明显的变化，见表1。

表1 采取措施前后采空区气体成分

如表1中对比采取综合措施前后西8205工作面采空区内气体的成分变化， 其中CH4浓度平均降幅达88.2%；O2浓度降幅达76.3%，有效降低了采空区遗煤自燃的风险，为西8205工作面的正常推进提供了有效的保障。

5 结语

针对同忻矿留设小煤柱的西8205工作面采空区瓦斯治理及遗煤自燃防治的问题，提出了多措并举、综合治理措施，通过对比防治措施前后采空区内主要气体成分的变化，验证了该项措施具有较好的应用效果。