采煤工作面煤柱自然发火防治技术研究

陈汝旭

(山西焦煤汾西矿业集团 高阳煤矿,山西 孝义 032306)

煤矿井下综采或综掘工作面在设计时,从巷道围岩变形控制、漏风控制、防灭火以及水害防治等方面考虑,一般在本工作面与邻近采面间留设有一定宽度的保护煤柱[1-3]。保护煤柱矿压长时间作用下容易出现破碎、裂隙发育等情况,严重时甚至会形成漏风通道(煤柱内裂隙与邻近采空连接),从而导致煤柱及邻近采空区内遗煤出现氧化自燃问题[4-6]。减少甚至避免煤柱漏风是煤柱防灭火工作开展的关键,文中就以山西某矿130205工作面回风巷煤柱防灭火为工程背景,结合采面开采及煤柱留设等情况针对性制定防灭火技术措施,现场应用后为采面安全回采创造了良好条件。

1 工程概况

1.1 地质概况

130205工作面设计推进长度为1 690 m、切眼斜长290 m,采面回采13号煤层,煤层厚度均值8.7 m、倾角15°,顶底板岩性以砂岩、砂质泥岩以及灰岩为主,回采范围内煤层埋深均值为360 m.13号煤层具有自然发火倾向性,且煤尘具备有爆炸危险性。130205工作面采用综放开采工艺,全部垮落法管理顶板,设计采高3.8 m、放煤高度4.9 m,推进速度为3.48 m/d,采用U型通风方式,供风量为1 680 m3/min,采面回采范围内地质构造不发育。130205工作面回采巷宽×高=5.0 m×4.0 m,采用锚网索支护方式,巷道在360～560 m范围内采用小煤柱沿空留巷方式掘进,巷道与邻近的130203工作面采空区间留设有6 m宽窄煤柱,煤柱在矿压作用下内部裂隙较为发育。具体130205工作面回风巷与邻近采空区位置关系如图1所示。

图1 130205工作面回风巷位置示意

矿井现有的防灭火系统为:地面一号井配备有1套60 m3液态CO2储存罐笼、1套5 m3×150 m3液态N2储存罐笼,液态CO2及N2系统共用一套汽化及管网,汽化能力为5 000 m3/h;在采区工业广场位置配备有MDZ-+60固定式灌浆、注胶防灭火系统,最大流量为60 m3/h.

1.2 采面煤柱防灭火问题分析

130205工作面回风巷巷道全长为1 820 m,在巷道掘进至360～560 m范围与邻近的130203采空区间留设的窄煤柱宽度为6 m,窄煤柱在矿压长时间作用下内部裂隙发育,局部漏风明显,导致煤柱内部局部出现高温问题。在130205工作面推进期间,窄煤柱在采动压力作用下变形更为明显,煤柱内形成的裂隙与邻近的130205采空区贯通,煤柱更容易自然发火。130205工作面回风巷原通过喷浆方式进行漏风裂隙封堵,但是在矿压作用下喷浆层容易出现裂隙,导致喷浆效果较差。

因此,需要针对130205工作面回风巷现场情况,对煤柱漏风及自然发火问题进行防治,以确保采面安全回采。

2 煤柱自然发火防治技术

2.1 煤柱注凝胶

为实现回风巷窄煤柱内部漏风裂隙封堵,在巷道回风巷窄煤柱内布置注浆钻孔,向煤柱内主图凝胶,具体钻孔布置情况如图2所示。煤柱按照三花眼形式布置2排注浆钻孔,其中上排、下排注浆孔与顶板间距分别为1 m、1.5 m,钻孔间距均为2.4 m.

图2 煤柱凝胶钻孔布置示意

2.2 注入三相泡沫

在130205工作面回风巷向邻近的130203采空区注入三相泡沫,具体钻孔布置情况如图3所示。煤柱上布置的钻孔间距为20 m,钻孔仰角55°、孔深9 m,钻孔终孔位于130203采空区靠近煤柱位置,钻孔钻进完成后封孔深度为6 m.

图3 三相泡沫钻孔布置示意

具体单个钻孔三相泡沫灌注量通过公式(1)计算:

Q=ηKmLH

(1)

式中:Q为单个钻孔三相泡沫灌注量,m3;m为采高,取8.7 m;K孔隙率,取0.1;L为单个钻孔走向覆盖长度,m;H为单个钻孔倾覆盖长度,m;η为三相泡沫灌注系数,取0.25.

将上述参数带入到公式(1)即可求得Q=63.8 m3,三相泡沫中发泡剂添加量为5%,将三相泡沫密度按照1 000 kg/m3计算,则单个钻孔所需的发泡量为0.32 t.灌注三相泡沫时每次灌注3个钻孔,单孔灌注量为63.8 m3,则一次灌注的三相泡沫为191.4 m3,一次灌注需要的发泡剂量为320 kg.

2.3 巷道表面喷涂

针对130205工作面回风巷表面裂隙发育,以及常规的水泥喷浆后期容易二次开裂形成新的漏风裂隙问题,提出采用塑性喷涂材料密闭巷道煤柱帮。塑性喷涂材料喷涂时的具体要求为[7-8]:

1) 结合130205工作面回风巷现场情况及喷涂,巷道煤柱帮采用初喷及复喷工艺,提高喷涂区巷道表面裂隙封闭效果;

2) 对于部分煤柱破碎、裂隙发育区域,若直接使用塑性喷涂材料喷涂存在材料消耗量大、经济性差等问题,为此先使用无机发泡材料进行打底,以便封堵较大的漏风裂隙,随后采用塑性喷涂材料进行全覆盖喷涂。

2.3.1 喷涂材料

130205工作面回风巷煤柱帮表面喷涂使用盖尼克塑性喷涂材料,该材料在巷道煤柱帮喷涂后形成的涂层具备较强的密闭功能,可有效封堵煤柱表面裂隙,防止煤柱漏风;喷涂层具备有较强的延伸性及塑性,拉伸率可超过100%,可有效应封堵矿压引起煤柱帮二次开裂。具体使用的喷涂材料性能技术指标为:①粘附性能强,喷涂材料在煤岩体表面具有较强的粘附力;②延伸性好,喷涂材料拉伸率超过100%,对巷道表面位移有较强的应对能力;③防渗性好且长期不风化。具体回风巷煤柱帮现场喷涂使用的盖尼克塑性喷涂材料技术参数如表1所示。

表1 喷涂材料技术参数

2.3.2 喷涂工艺

在回风巷煤柱帮喷涂时使用的盖尼克塑性喷涂材料由A、B、b组分构成,具体A∶B组分体积比为2∶1混合液,b组分与水按照2∶1混合;A、B组分混合液以及b组分与水按照10∶1配比在喷涂系统前端混浆装置内均匀混合,最后通过喷头喷出。具体盖尼克塑性喷涂材料喷涂工艺如图4所示。

图4 喷涂工艺流程

3 煤柱自然发火防治效果

通过在130205工作面回风巷煤柱使用注入凝胶、三相泡沫以及在煤柱帮表面喷涂盖尼克塑性喷涂材料等技术措施后,煤柱漏风裂隙得以有效封堵,实测煤柱无漏风点;同时煤柱内高温点得以快速降温。在130205工作面后续回采期间,采动压力虽然导致煤柱产生新的裂隙,但是由于煤柱帮喷涂材料具有较强的延伸性及韧性,后续未出现喷涂层脱落或开裂等情况。

在煤柱自燃防灭火技术应用前,热成像仪显示煤柱内最高温度为35 ℃左右,而采用防灭火技术后,煤柱内温度与巷道内温度保持一致,温度在20 ℃左右且后续未再有温度升高情况发生。

4 结 语

1) 130205工作面回风巷窄煤柱(煤柱宽度6 m)段,在邻近采空区侧向应力、地应力以及采动压力等作用下出煤柱破碎、内部裂隙发育,导致煤柱自燃氧化风险较高,煤柱内容易出现高温蓄热点。同时回风巷煤柱帮表面喷浆使用的水泥浆在动压作用下封堵效果较差。

2) 为有效解决130205工作面回风巷煤柱自然发火问题,提出采用凝胶材料封堵煤柱内漏风裂隙;使用三相泡沫封堵邻近采空区靠近煤柱段;使用盖尼克塑性喷涂材料密闭回风巷煤柱帮表面裂隙,充分利用喷涂材料在延伸性、密闭性及封堵性优势,实现动压影响下煤柱表面裂隙有效封堵。

3) 现场应用后,130205工作面回风巷煤柱漏风裂隙得以有效封堵,煤柱高温点基本消除,取得较好的煤柱自然发火防治效果。