特厚煤层小煤柱开采瓦斯-火灾协同防治技术

王文成

（晋能控股集团有限公司，山西 大同 037003）

小煤柱开采是提高矿井资源回收率的一种重要方法，同时可以转移采动应力，解决巷道围岩变形的问题[1-2]。对于高瓦斯自燃煤层来说，采用小煤柱开采，由于小煤柱围岩裂隙发育，会造成邻近采空区漏风从而引起遗煤自燃，对矿井安全开采造成巨大威胁，且邻近采空区有害气体涌出，导致本工作面有害气体浓度超标，特别是瓦斯浓度极易超标。因此，研究小煤柱开采瓦斯和火灾防治技术具有重要意义。

1 工程概况

同忻煤矿现开采石炭二叠系3#～5#煤层，目前矿井为6 进3 回分区式通风系统。3#～5#煤层厚度为8.36～29.21 m，平均17.52 m；倾角为2°～6°，平均3°。根据2019 年矿井瓦斯涌出量测定结果：矿井相对瓦斯涌出量为4.63 m3/t，绝对瓦斯涌出量为66.59 m3/min，回采工作面最大绝对瓦斯涌出量为25.87 m3/min，掘进工作面最大绝对瓦斯涌出量为2.52 m3/min，属高瓦斯矿井。3#～5#煤层自然发火期为84 d，为自燃煤层。8305 工作面是同忻矿首个留设小煤柱的工作面，北翼与已采8307 工作面相邻，南翼为实煤区。工作面设计长度1 241 m，可采长度1 131 m，倾向长度为200 m。5305 巷为8305 工作面回风巷，与8307 采空区间距为6 m，最近处约1 m（2307 巷1 号硐室处），如图1。

图1 工作面布置示意图

束管监测可知，8307 采空区主要气体组分为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 工作面之间煤柱为6 m，采动应力作用下，煤柱产生塑性破坏，出现裂缝或漏风通道，会严重影响8305 工作面的安全掘进及开采。

2 瓦斯-火灾协同防治技术

2.1 采空区惰性气体置换

根据矿井现有条件，采空区内气体置换直接利用矿井现有的注氮系统，利用8307 面永久密闭内预埋的措施管向采空区内注入高浓度氮气，同时在5309 巷向8307 面采空区打抽放钻孔进行采空区气体抽放，采取“一进一回”的方式整体置换出采空区内CH4、CO、O2及CO2等气体，并达到惰化采空区防止自然发火的目的[3-4]。8307 工作面采空区气体置换如图2。

图2 8307 工作面采空区气体置换图

（1）管路布置

注氮：由2307 正巷密闭墙内布置的两趟Φ108 mm 措施管、8307 顶抽巷回风大巷口处密闭墙内布置的一趟Φ108 mm 措施管向8307 面采空区注氮。

抽放：在临近的5309 巷铺设一趟Φ273 mm 钢管，从5309 巷1600 m 位置向8307 面采空区施工3个Φ108 mm 钻孔，利用钻孔对8307 面采空区进行瓦斯抽放。

（2）流量确定

8307 工作面倾斜长200 m，走向长1300 mm，平均煤厚15 m，预计需置换气体390 万m3，按6个月置换完毕计算，注氮流量为903 m3/h。

（3）抽放钻孔位置

设计从5309 巷向8307 面采空区距原切眼20 m、30 m、40 m 位置分别施工1 个Φ108 mm 钻孔，钻孔内下入套管，管口安设截门，并在5309 巷安设一趟DN273 瓦斯抽放钢管，与回风大巷内DN500瓦斯抽放管路对接，利用抽采系统进行瓦斯抽放。为确保气体进出平衡，抽放流量为15 m3/min。

2.2 工作面均压通风

8305 综放工作面邻侧为8307 面采空区，8307面已回采封闭完毕，上覆为同家梁矿侏罗纪14#层采空区，与3#～5#煤层间距为175～220 m，采空区内存在积气区。8305 面采用综采放顶煤开采工艺，采用顶抽道封闭式机械抽放方法治理上隅角瓦斯，特厚煤层放煤工艺使得本工作面采空区与上覆侏罗纪采空区沟通，形成漏风通道，可能导致上覆采空区煤体自燃，影响工作面安全生产。8305 工作面回采期间，每天对工作面的进回风巷及顶抽巷的风量进行测定，每班由瓦斯检查员对工作面头、中、尾、上隅角及回风流的CO、CO2和O2浓度进行测定。如果工作面上隅角连续2 d 观测氧气浓度低于18.5%，工作面CO 浓度超过2.4×10-5或CO2浓度超过1.5%，且工作面漏风量超过10%，工作面必须断电撤人，并立即启动均压通风系统[5]，如图3 所示。

图3 8307 工作面均压通风示意图

2.3 采空区防火

在8305 工作面回采期间，在工作面安设阻化剂泵对工作面机道、头尾端头及支架后采空区浮煤喷洒MgCl2阻化剂，每日喷洒量不低于150 kg。同时利用采空区内提前埋设的束管对临近采空区及本采空区内气体进行连续在线监测，发现自然发火指标性气体出现异常时，及时调整采空区注氮量,加强端头封堵。

2.4 调风调压调流量

均压通风期间，提前施工与上覆采空区和临近采空区联通钻孔并安设压差计，调整工作面均压压力，确保小煤柱工作面压力与上覆采空区及临近采空区内压力基本平衡，防止上覆采空区内及临近采空区内气体异常涌出。工作面正常回采期间，通过监测上隅角气体变化情况，合理调整顶抽巷抽放流量，在保证工作面回风量充足的情况下，有效抽采采空区气体，防止上隅角有毒有害气体超限。

2.5 煤柱喷浆封闭

为防止采空区漏风，在8305 工作面5305 顺槽沿小煤柱掘进过程中，对小煤柱巷道临空侧及时进行喷浆封堵裂隙。

3 应用效果分析

通过为期10 个月的采空区惰性气体置换，累计注入氮气648 万m3，相当于采空区内空间的1.66倍，采空区内的主要气体成分发生了显著变化，具体见表1。

表1 8307 工作面采空区气体成分表

对比置换前后采空区内气体成分变化，CH4浓度平均降幅达70%，降至了合理范围，切实缓解了临近采空区气体泄漏对8305 工作面安全开采带来的威胁；通过惰性气体置换，使采空区内N2浓度处于较高水平。同时配合工作面喷洒阻化剂，加强本工作面采空区及邻近采空区气体监测，以及煤壁裂隙封闭和调整顶抽巷流量等措施，8305 工作面回采期间未出现采空区遗煤自燃、工作面及上隅角瓦斯及有害气体超限的现象。

4 结语

通过对小煤柱工作面相邻采空区实施惰性气体置换，掘进巷道临空侧补强喷浆，加强工作面各地点有毒有害气体监测等措施，8307 工作面采空区内O2、CO2、CH4等有害气体浓度大幅度降低，N2含量大幅度增加，对于防止8305 工作面临近采空区气体泄漏、上覆采空区气体下泄、抑制采空区煤炭自然发火起到了很好的作用。同时配套建立了工作面均压通风系统，出现异常现象可立即启动，起到了后备保障的作用。