火区及动压下煤层开采技术的应用

郑旺来

(江苏煤矿安全监察局徐州监察分局,江苏徐州221006)

摘　要:徐庄煤矿主采7、8煤层,8煤层在7煤层下方,层间距为0~20 m,两煤层均为易燃煤层。

8煤历次回采过程中,矿压显现、煤炭自然发火问题突出。8215工作面在设计及施工过程中,打破常规,通过改变工作面推进方向,改进上、下巷的支护形式,实施综合防灭火技术,使工作面在火区及动压下安全回采。

关键词:火区;动压;巷道支护;防灭火

中图分类号:TD75+2.2　　　文献标识码:B　　　文章编号:1003-496X(2006)05-0019-03

　　煤炭自然发火是煤矿开采过程中严重的自然灾害之一。在煤炭自然发火严重的矿井,煤炭自然发火扰乱了矿井的采掘接续,影响矿井的安全生产,冻结大量的煤炭资源。为了使煤矿生产有序的接替,往往需要在火区的周围进行回采,由于回采动压的影响,采掘工作面、采空区围岩裂隙与火区沟通,形成漏风通道,引起老火区的复燃,尤其是开采层间距较小的两相邻煤层的下部煤层时,由于煤层间距较小,采矿动压显现严重,顶板管理困难,工作面上、下两巷变形严重,造成工作面外围漏风增大,推进速度缓慢,对工作面安全生产十分不利。因此,如何确保受火区影响及动压显现突出的工作面安全回采是很多煤矿所关心的问题。

1　矿井概况

徐庄煤矿矿井生产能力150万t/a,通风方式为中央边界式,通风方法为抽出式通风方法。可采煤层为下二迭系山西组7、8煤层。7煤层厚4~7 m,平均厚5.25 m,煤层倾角5°~25°,为主采煤层。8煤层厚0.58~6.54 m,平均厚度为2~3 m,局部可采。7、8两层煤间距0~20m,煤炭有自然发火倾向性,发火期3~6个月。历史上煤炭最短发火期不足1个月,为Ⅰ级自然发火危险程度矿井。

8215采煤工作面开采8煤层,三面为未采区,南部为8213采空区,上覆盖7213及7215采空区,7213与7215采空区间30 m煤柱位于8215采煤工作面上方。8215材料道与8213采空区间的煤柱宽度为3 m左右。

8215采煤工作面外围采空区已相互连通,且有8213、8211火区。外围采空区虽已注浆,但仍不能遏制漏风,偶尔有CO涌出。8215采面直接顶为7、8层煤间的砂质泥岩,厚度变化1.2~16 m,总体趋势由西向东变厚。工作面巷道施工采用放炮掘进;采煤方法为倾斜走向长壁式采煤法;落煤采用MG475(200)煤机落煤,一次落煤高度2.7 m,截深0.6 m;采用自然跨落法管理顶板。8215采面南部的8煤邻近采煤面已相继回采了8211、8213两个综采工作面,其中8211工作面采至距设计停采线198 m时,由于7煤采空区煤炭自然发火,CO及烟雾涌入8211工作面材料道,8211工作面因此被迫停产,工作面整套综采设备被封闭,后来重新开掘巷道撤出支架,损失煤量6万t。

8213工作面推进约200 m后,上、下两巷矿压显现严重,定型棚严重变形,尤其在工作面出口及超前50 m范围内,巷道高度最低时不足0.6 m,断面不到设计断面的十分之一,很难组织正常的原煤生产;后虽采取了打点柱、套棚等措施,但收效甚微;而后期由于直接顶极薄(局部仅有0.2 m),工作面顶板破碎,难以控制,常发生漏顶事故,同时工作面采空区煤炭氧化,回风流中CO浓度超限,威胁工作面作业人员的安全,最终在工作面距设计停采线70 m时,强行收作,损失煤量4万t,该工作面回采工期13个月,共生产原煤32万t,平均月产2.5万t,月推进45 m。造成上述2个工作面未能采至设计停采线而收作的主要原因是:

(1)采区内7、8煤层间距东部较大,西部较小,而这2个工作面均采取了自东往西回采的推进方向,造成较薄的西部顶板在回采后期极难控制。

(2)工作面上、下巷均采用常规11号矿用工字钢定型棚支护,回采期间两巷压力较大,工字钢架棚支护满足不了实际需要的强度,从而造成两道严重变形,不具备组织正常生产的条件。

(3)8煤比7煤氧化性更强,更容易着火,同时7、8煤层间距较小,8煤回采后使得8煤与7煤采空区相沟通,采空区漏风引起7煤及8煤采空区遗煤自然发火。

2　8215工作面安全回采对策与实施

2.1　优化生产系统改变支护方式

(1)改变工作面传统推进方向。根据8211、8213综采工作面的回采实践,8215工作面的推进方向改为自东向西推进,回采时直接顶逐渐变厚,虽然切眼及回采初期直接顶较薄,但由于掘进、安装时间短,控顶时间相对较短,受采动影响小。此方案对回采后期的顶板管理十分有利。

(2)改进支护方式。8211、8213工作面两巷均采用单一的工字钢金属支架支护,开掘巷道时即出现顶板下沉,生产中由于受到采动压力的影响,巷道变形加剧,两帮内移、顶板下沉、底鼓,严重制约工作面的生产。而推进速度慢,又加大了工作面管理的难度,使工作面冒顶现象时有发生,采空区遗煤自然发火,对工作面的安全生产造成威胁,鉴于这两方面的经验教训,结合徐庄矿在使用锚网、锚索支护方取得的经验,根据7、8煤层间距的变化分别采取不同的支护方式:①当7、8煤层间距大于5 m时,采用“锚网+钢筋带+锚索”的支护方式。顶板采用Ф20 mm、长2 m的高强度螺绞钢树脂锚杆,树脂药卷为K2355型,每孔两支,锚固长度1 m,锚杆间、排距800 mm×800 mm,中间锚杆垂直顶板,两个肩窝的锚杆向两帮煤体倾斜15°。钢筋带采用Ф12 mm的圆钢焊制,铺设范围为顶板,排距800 mm。锚索采用Ф15.24 mm的1860型低松弛钢绞线,长度为5.3 m,锚固长度2 m,采用K2350树脂药卷,每眼3支。锚索每排两根,间距1.5 m,并利用2 m长的12#槽钢护顶,槽钢排距为3 m。两帮锚杆Ф33mm,长800 mm,排距均为800 mm,两帮中间锚杆垂直煤帮,最上、最下的锚杆分别向上、向下倾斜10°。顶锚杆的初锚力不低于50 kN,帮锚杆的初锚力不低于30 kN,锚索的初锚力不低于100 kN。②当7、8煤的层间距在2~5 m时,采用“架棚+锚网”联合支护式。架棚的规格为梁长3.4 m,中高2.4m,中间加一颗点柱,棚距为800 mm,锚杆的间排距为800 mm×800 mm,锚杆打在两棚之间,顶、帮锚杆同上。③当7、8煤的层间距<2 m时,仍采用架棚支护方式,同时中间布置一排点柱,支架由过去的梯形改为拱形,棚距为600 mm,施工时顶部两肩窝必须用半圆木接实。

2.2　抢先正规循环加快推进速度

(1)加大配套设备的功率。一般的综采工作面设备配置为:MG300煤机、SGZ-764/264底部敞开式刮板输送机,为保障8215工作面的高效回采,该面在设备选型上选用了功率和生产能力较高的配套设备,煤机型号为:MG475(200),功率400 kW,生产能力850 t/h,工作面刮板输送机型号为:SGZ-764 t/h,功率400 kW,生产能力600 t/h。

(2)完善包机制,提高开机率。机电管理是保证综采工作面正常生产的重要手段。为了保证设备检修质量,从提高机电检修队伍素质入手,成立了以机电技术员为首的设备检修管理小组。通过建立设备检修管理制度,规范设备运行记录,使每台设备的使用、检修情况及事故分析都记录在案,故障抢修变为超前预防检修,降低了设备故障率,缩短了设备检修时间,实现煤机开机率46%,创矿历史最好水平。

(3)推行激励机制,调动职工积极性。制定“超产嘉奖”经济政策,实行多劳多得的分配原则,有效提高了职工的出勤率、工时利用率和工作积极性。

(4)强化技术管理,杜绝顶板事故。①8215工作面开采初期,7、8煤层间距小,顶板压力大,顶板

破碎,顶板管理困难,采取了支架顶梁上沿铺设金属网的办法,取得了较好的效果,开采期间没有发生冒顶事故;②根据上下两巷超前压力显现情况及时加大两巷超前支护长度,上巷支护长度为50~100 m,下巷支护长度为30~50 m。为提高支柱的初撑力,减少顶板下沉,采取了支柱下面放底梁的方法,有效地控制了顶板下沉,确保了上、下巷的回采高度。

2.3　实施综合防灭火技术

(1)封堵8215外围采空区漏风通道。现场调查发现,8215外围采空区由于注浆及注凝胶后水的疏干,大部分密闭墙漏风,为此对所有的密闭漏风点进行了补注凝胶、注粉煤灰堵漏风处理。

(2)建立8215外围采空区均压防灭火系统。利用SF6示踪检测出8215外围采空区的进出风点,并对各进出风点进行压能测定,摸清了8215外围采空区内部漏风规律。根据采空区内部漏风调查结果,建造调节风门进行调节,重新建立起了8215外围采空区开区动态均压系统。并根据井下情况变化,及时调整和维护均压防灭火系统。

(3)加强煤炭自燃预测预报,及时处理煤炭自燃隐患。在8215工作面掘进、安装、回采过程中查火人员先后3次发现8215材料道巷道预留顶煤,工作面切眼遗煤出现自燃预兆,为煤炭自燃的处理赢得了时间。①8215材料道逆断层附近巷道预留顶煤煤炭自燃出现明火,采用放落顶煤并用木板封闭冒落空洞,向冒落空洞内插管注凝胶300 m3,填实冒落空洞的方法,消灭了该处煤炭自燃。②8215工作面回采推进20 m左右,采空区内切眼遗煤出现煤炭自然发火预兆,77架架顶CO浓度为100×10-6,工作面上隅角温度为32℃,利用工作面尾巷预埋直径为50 mm的钢管向采空区注MEA-1高分子材料防灭火剂300 m3,消灭了煤炭自然发火现象。③工作面下隅角建筑阻燃防火墙。随着工作面的推进,每隔20 m在工作面下隅角建筑阻燃防火墙。方法为:将高分子防灭火剂、煤、水按一定比例混合,然后装入编织袋扎好袋口垒起,填实工作面下隅角。有效地阻止了采空区遗煤自燃。

2.4　对策实施效果

(1)工作面在生产期间上隅角的CO浓度始终维持在10×10-6以下,没有出现煤炭自燃现象。(2)工作面实现了快速高效推进,平均月产原煤8.2万t,平均工效24.7 t/工,实现了高产高效。

(3)锚网、锚索段共施工60 m,锚网、架棚段共施工650 m,拱形支架扶棚段共施工80 m,在掘进及回采过程中支护效果良好;实践表明,采用拱形支架顶板下沉量要比梯形支架小300 mm以上,拱形支架比梯形支架支护效果好。

3　结论及建议

(1)采区内的回采顺序不论7煤、8煤都应采用由深部向浅部的回采方式。这种回采方式老空区处于回采工作面下方,易实施无煤柱开采,有利于巷道支护,且可以预先通过下巷向采空区预打注浆孔,一旦采空区出现异常现象,有条件注浆灭火;如果7煤采用无煤柱开采,有利于8煤的顶板管理和防灭火工作。

(2)鉴于8煤顶、底板动压大的特点,巷道支护方式应优先选择锚杆、锚索、喷浆、金属架棚等联合支护方式,且根据不同的层间距选择不同的支护方式。

(3)对8煤回煤系统,其推进方向应是由层间距薄的地方向层间距厚的地方推进,即切眼布置在层间距较薄的地方。

(4)在进行生产系统设计时,对工作面的防灭火系统必须全盘考虑,既考虑利于封闭又要尽量减少漏风源,在切眼附近尽量避免开掘不相关的巷道。

(5)在掘进过程中,对断层处预留顶煤的处理要十分谨慎,应采取喷浆注凝胶或高分子材料的方法处理,这样既能有效地防止煤炭自燃,也有利于回采,决不可草率采取放煤的方法处理,因放煤既不能将断层带的煤放净,又极易使8煤与7煤采空区相沟通,给防火带来极大的困难。

　　作者简介:郑旺来(1964-),男,高级工程师,安徽宿松人,1988年毕业于淮南矿业学院采矿系矿山通风与安全专业,现在江苏煤矿安全监察局徐州监察分局工作,曾发表论文6篇。

(收稿日期:2005-11-04;责任编辑:郭瑞年)

·国外煤矿安全信息·

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摘自《БЕЗОΠАСНОСТЬТРУДАВПРОМ-СΤИ》　2005 No.7