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【摘 要】 自燃煤层工作面回采时选用沿空留巷技术虽然可降低巷道掘进工程量、提升煤炭开采效率,但也存在采空区漏风量过大、遗煤自燃发火问题.文章以3506综采工作面为工程研究对象,提出采用砌筑高水充填墙体对采空区进行密闭,布置气体成分监测系统对遗煤自燃发火进行预测,并结合喷洒阻化剂、采空区注氮、注凝胶等措施降低遗煤与氧气接触并惰化采空区气体.现场应用表明,采面漏风率降低至5%以下,采面及采空区内未监测到自燃发火气体成分且采空区内温度保持正常,确保了采面生产安全.
【关键词】 自燃煤层;遗煤;采空区漏风;阻化剂;防灭火;沿空留巷
近些年来切顶卸压留巷技术通过恒阻锚索、深孔预裂爆破卸压降低留巷难度,为无煤柱沿空留巷工作开展提供了切实可行的技术方法.但是采用切顶卸压沿空留巷技术时也存在漏风量较大问题,在自燃煤层中应用存在一定的安全隐患.文中就对自燃煤层沿空留巷工作面防灭火技术展开研究,以期能在一定程度上促进沿空留巷技术推广应用.
1工程概况
山西某矿3#煤厚3.6m,赋存稳定,倾角1～5°,埋深280m,煤层瓦斯原始含量为3.5m3/t,自燃发火危险性为II类（自燃发火区80d）.3#煤顶底板岩性以泥岩为主,直接顶随采随垮.
3506综采工作面开采3#煤,采用Y型通风方式（即为两进一回通风方式）.运输巷为主进风巷（风量1320m3/min）、材料巷为辅助进风巷（风量480m3/min）,乏风通过留巷段、邻近采面回风巷流向采区回风上山,具体通风线路见图1.3506材料巷采用沿空留巷方式保留下来为邻近3508采面生产服务,巷道断面为矩形（宽×高等于5.0m×3.6m）.
采用Y型通风时由于材料巷留巷段为采面通风负压最低点,采面切眼内部分风流会经过采空区流向留巷段,漏风量较大.
2防灭火技术
采用沿空留巷技术时防灭火工作可从降低采空区漏风、喷洒阻燃剂以及预防性注胶等方面开展.
2、1采空区密封技术
沿空留巷工作面采空区漏风量较大主要原因是留巷内漏风严重,可通过在布置密集支柱以及砌筑充填墙方式降低漏风量.
2、1.1密集支柱施工
在3506综采工作面推进后,在切顶线内侧600mm位置布置密集支柱支护顶板,支柱间间距为500mm.通过布置密集支护一方面可降低顶板下沉量、控制围岩变形;另一方面可用固定充填袋,后与充填墙体共同配合起到挡矸作用.
在采面靠近材料巷一侧的过渡支架后方设置用以支撑顶板及阻挡采空区矸石的挡矸支架,在挡矸支架保护下可为充填袋布置以及梯子梁搭设提供作业空间.与密集支柱平行铺设金属网、充填袋及梯子梁.在支柱布置前应提前在巷道底板上开挖柱窝,柱窝深度在100mm以上.具体密集支柱、梯子梁、金属网以及充填袋布置情况见图2.
2、1.2高水充填墙体施工
在采空区旁浇筑厚度800mm高水充填墙体可有效降低采空区内漏风量,具体充填墙体施工方式为：在挡矸支架提供的作业空间内,与密集单体相距800mm位置安装钢筋梯子梁,并将梯子梁通过钢筋、托盘与单体支柱连接.在梯子梁与单体支柱间悬挂充填袋（长×宽×高等于3000mm×800mm×3600mm）,随后在充填袋内充填高水材料,确保充填袋与巷道顶板紧密接触.充填后形成的高水充填墙体抗压强度应在3～5MPa,高水充填材料中的A料、B料按照1∶1配合比混合,水灰比为3∶1,并根据充填效果对水灰比进行调整.具体充填墙体结构见图3.
2、2监测技术
在3506综采工作面采用KJ83X综合监测系统对采面内温度、瓦斯以及CO等实时监测,采用地面束管监测系统（SG-2003）对自燃发火标志性气体浓度进行定时测定,当发现有自燃发火征兆时即发出预警信息,提醒相关人员及时采取措施进行防灭火.
2、2.1采空区束管监测
在采面回采前即在回采巷道内靠近护巷煤柱侧（与顶板相距在200mm以内）铺设束管,并在运输巷与开切眼交汇位置处布置第1个束管采样点,随着采面推进每隔30m布置一个束管采样点,并确保采空区内束管采样点数量在3个以上.采样点埋入采空区后即采样分析气体成分.
2、2.2留巷段束管监测
在采面与材料巷交汇位置、留巷段尾部位置以及留巷段内每隔30～50m布置一个采样点,对上隅角以及留巷段内气体成分进行分析,从而判定采空区内以及留巷段内是否出现自燃发火征兆.具体束管监测系统采样点位置见图4.
2、3喷洒阻化剂
阻化剂是采面回采过程中常用防灭火技术,采煤机每割一刀煤后即从液压支架间向采空区内喷洒阻化剂,从而预防采空区内遗落自然.同时对于裸露的煤体也应喷洒阻化剂起到隔绝氧气作用.
在回采巷道内靠近采面位置处布置阻化剂存储箱,按照预先设定配比稀释阻化剂后,通过液压泵将阻化剂箱、无缝钢管、高压软管与高压喷连接,安排专人在采面内全覆盖喷洒阻化剂.
采面内的护巷煤柱防灭火主要通过喷洒阻化剂实现,通过采面内的移动式喷洒系统对煤柱进行全覆盖喷洒.随着采面推进阻化剂喷洒系统随之前移,在煤柱内喷洒的阻化剂直至煤壁外渗阻化剂时结束.
2、4注氮
在材料巷内铺设注氮管路向采空区内注氮.注氮量依据采空区内氧气浓度判定,正常情况氮量为300m3/h;若检测到采空区内氧气浓度在15%以上或者存在有自燃发火标志性气体时则应增加注氮量,将注氮量增加至600m3/h以上.具体注氮管路布置见图5.
2、5采空區注凝胶
当采面、采空区内任意位置检测到有自燃发火标志性气体或者温度异常时,应立即在采空区内注凝胶.采用的凝胶中水∶促凝剂∶基料等于8.6∶0.4∶1,采用凝胶泵（型号NJB-100/10-G）灌注.具体在留巷段内通过施工φ93mm灌注钻孔来进行注凝胶,钻孔深度为50m、间距为6m,具体井下布置见图6.
3应用效果
通过在3506综采工作面布置高水充填墙体降低采空区漏风量;采用常规安全监测系统以及束管监测系统对采面、留巷段以及采空区内气体成分进行实时检测,可以及时发现采面煤层自燃发火倾向;向采空区喷洒阻化剂、采空区注氮以及注凝胶等措施预防遗煤自燃.在采面内采用的防灭火技术可惰化采空区内气体,并减少遗煤与氧气接触、降低采空区内温度,具有显著的防灭火效果.
3506综采工作面从2020年1月开始回采,至今已经推进超过650m,留巷段内CO浓度最高为pm（仅在2020年4月20日检测到,后续未能再检测到）,CH4浓度在0.02～0.05%间;采空区内温度始终保持正常.采面采空区漏风率控制在5%以内.现场应用表明,文中所提防灭火技术可满足现场应用需要,可有效防止采面内煤层以及采空區内遗煤自燃.
4总结
沿空留巷技术在自燃煤层中应用面临的主要问题之一是采空区漏风量较大,如何解决采空区内遗煤自燃问题是需要解决的现实问题.通过综合分析发现通过布置高水充填墙可有效减少采空区内漏风量且应用成本相对较低;在采面内采用气体成分监测系统、喷洒阻化剂,采空区内采用注氮、注凝胶等措施可有效降低采空区内遗煤自燃发火危险性.
现场应用表明,采空区漏风率降低至5%以下,采空区遗煤未出现自燃发火征兆.文中所提防灭火技术在自燃煤层沿空留巷回采工作面取得了显著的防灭火效果.
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