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“第三十七屆科技論文交流會”三等獎論文10

青青草AV在线 www.sinomag.net 綜采工作面煤層自然發火空間展布規律與綜合防治技術  

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大興礦 ?? 張 強?? 李 生  

摘 要: 高瓦斯易自然綜采工作面基本都面臨著自然發火災害的危害,根據以往成功的回采工作面所掌握的防火方法,每個綜采工作面的防火工作都存在著一定的不確定性,除了存在工作面瓦斯涌出量大、自然發火期短的不利因素外,還有著工作面采空區“三帶”分布情況還沒有具體掌握、臨近層采空區與工作面層間距較小、工作面抽采量與配風量如何優化、通風方式對原有注惰性步距效果是否產生影響等一系列不確定因素。通過多年的經驗積累,采取了一整套行之有效的綜合防火措施,有效的解決了上述存在的問題,成功實現了絕大多數工作面的安全順利回采。    

關鍵詞: 自然發火 采空區 “三帶”分布 綜合防火    

1 綜采工作面自然發火現狀  

井下煤炭自燃的頻頻發生已經成為阻礙煤礦井下安全生產的一大障礙,同時成為礦井工人生命安全的一大威脅。 從對大興礦過去10年間煤炭自然發火的數據統計來看,煤炭自燃大概占井下火災的90%以上,有的煤層煤體自然發火期非常短,僅僅18天。 引起大興礦煤自燃的因素有很多,這些因素包括煤質及成分、煤層瓦斯含量、水分、采煤工藝、采煤方法、地質因素、煤的孔隙率和通風條件等。其中內因因素為煤質及成分、水分、煤孔隙率和煤層瓦斯含量。外因因素有地質因素、采煤工藝、采煤方法和通風條件。煤質及成分在影響 煤自燃過程中呈現規律性,水分既能夠抑制煤的自燃又在一定程度上有助于煤的自燃,孔隙率大的煤容易發生自燃,煤層中瓦斯起到惰化煤體的作用阻止其氧化。采煤工藝和采煤方法能決定工作面的推進速度和回采率,從而影響煤自燃,通風條件決定采空區的散熱及供氧,地質因素主要包括煤厚和傾角,厚度大傾角大容易使煤自燃。  

2 綜采工作面防滅火技術研究現狀  

防滅火的過程就是阻止煤氧的復合反應或使煤氧復合速度降低至一定水平以下,令放熱速度低于高溫煤體放熱的速度,進而防止煤體溫度升高導致著火或者使著火的高溫煤體不斷降低溫度而最終熄滅的過程。影響煤自燃的主要因素有煤的表面活性結構濃度、溫度和氧濃度。因此,抑制自燃火災關鍵要從3個方面著手:一是惰化煤體,使其表面活性結構降低,從而放慢煤氧復合速度,進而防止煤自燃的發生;二是煤氧隔離,令自燃火災窒熄;三是降低煤溫,令煤氧化放熱的強度減弱,最終使火熄滅。 大興礦綜采工作面開采過程中,對于工作面綜合防火工作存在的不利因素主要有以下幾方面:  

(1) 綜采工作面開采過程中,自然發火期較短,且基本都屬于易自然煤層,實際生產過程中 煤層煤體自然發火期最短僅僅為18天,局部構造地點 實際發火期可能要比目前掌握的發火期短。  

(2) 綜采工作面在回采期間,因為受到瓦斯等因素影響,推進速度相對較慢(日均推進46m),造成采空區遺煤氧化時間較長,給采空區自然留下了隱患。  

(3) 工作面通常為“U”型通風方式,對于采取此類型通風方式工作面的“三帶”考察還是處在探索階段,采空區氧氣分布情況還并沒有固定規律,埋管注惰性氣體、埋管等布局要進行考察確定。  

(4) 部分工作面周圍臨近層采空區與工作面間距較小,臨近層采空區內氣體運移情況對工作面采空區防火影響較大,同時采空區內煤柱防火也要綜合考慮。  

(5) 部分工作面局部時間段采用“三巷”布置,“三巷”頂板及兩幫松動圈煤體破碎、松散,遺留在采空區內易出現氧化蓄熱。  

3 綜采工作面綜合防火措施的確定及實施效果  

影響大興礦煤自燃的主要因素有煤的表面活性結構濃度、溫度和氧濃度。因此,防治自燃火災關鍵要從 3 個方面著手:一是惰化煤體,使其表面活性結構降低,從而放慢煤氧復合速度,進而防止煤自燃的發生;二是將煤氧隔離,令自燃火災窒熄;三是降低煤溫令煤氧化放熱的強度減弱,最終使火熄滅。

3.1 針對大興礦綜采工作面自然發火因素分析結論,總結出對綜采工作面采取以下幾方面綜合防火措施:    

工作面合理配風,加強工作面預測預報,考察分析采空區“三帶”劃分,調整最佳瓦斯抽采效果;優化工作面外圍通風系統,綜合考慮工作面采空區防火與上鄰近層采空區之間的運移關系,建立“上下”采空區防火聯合體;合理布置采空區注惰性氣體及充填埋管布局,尋求最佳注惰性氣體、充填防火效果;綜合考慮工作面“三巷”松動圈防火措施,采取松動圈“立體”防火方法;利用均壓防滅火技術措施達到預防和消滅火災的目的,降低采空區漏風通道兩側的風壓差,減少漏風;加強上、下隅角堵漏,隔絕對采空區煤體連續供氧。

                                                                           

1 ? 工作面 自燃過程  

3.2 合理配風,建立采空區“三帶”劃分模型  

3.2.1 綜采工作面采空區“三帶”劃分情況  

大興礦綜采工作面“三帶”劃分是直接依靠埋管取樣測定的方法來確定,同時根據工作面實際條件,科學的布設取樣點的位置和數量,提高數據資料的綜合利用率。綜采工作面回采期間基本利用4分鐵管做管套,在上、下隅角硬幫側埋設檢測束管,當前一趟束管埋入采空區50m后,再埋設第二趟,當所埋設的束管進入采空區超過100m后,將不再對束管進行檢測取樣。每班安排專人對采空區內束管進行取樣,利用地面色譜分析儀對采空區內氣樣進行化驗分析,并劃定出采空區“三帶”分布規律。  

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3.2.2 綜采工作面采空區上覆“三帶”劃分情況  

大興礦綜采工作面推進后,采空區上覆巖層發生位移,根據巖層的變形情況分成冒落帶、裂隙帶和彎曲下沉帶三帶。冒落帶在三帶的最底層,它是由于采煤工作面的移架或放頂失去支撐力后的直接頂垮落形成的,垮落的很有次序,自上而下進行。一般冒落帶垮落的下部巖石塊度比較小排列也不規則,而上部巖石塊度大,排列比較整齊。通常冒落帶的高度是采高的 2 4 倍。三帶的中間是裂隙帶,裂隙帶受冒落帶的垮落壓實影響而彎曲下沉,并出現離層現象,有的地方發生斷裂。裂隙帶的范圍變化受冒落帶巖性和采高影響。在裂隙帶上方是彎曲下沉帶,彎曲下沉帶的范圍比較大,厚度也比冒落帶和裂隙帶大,基本不產生裂縫,有也是極微小的裂縫,其地表附近形成沉降區,這個區域在采空區的上方,往往要比開采區域要大。這三帶越靠近采空區的巖帶對采煤工作面的影響越大,也就是冒落帶影響最大,其次裂隙帶,最后彎曲下沉帶。    

大興礦綜采工作面推進后,采空區上覆巖層發生位移,根據巖層的變形情況分成冒落帶、裂隙帶和彎曲下沉帶三帶。冒落帶在三帶的最底層,它是由于采煤工作面的移架或放頂失去支撐力后的直接頂垮落形成的,垮落的很有次序,自上而下進行。一般冒落帶垮落的下部巖石塊度比較小排列也不規則,而上部巖石塊度大,排列比較整齊。通常冒落帶的高度是采高的 2 4 倍。三帶的中間是裂隙帶,裂隙帶受冒落帶的垮落壓實影響而彎曲下沉,并出現離層現象,有的地方發生斷裂。裂隙帶的范圍變化受冒落帶巖性和采高影響。在裂隙帶上方是彎曲下沉帶,彎曲下沉帶的范圍比較大,厚度也比冒落帶和裂隙帶大,基本不產生裂縫,有也是極微小的裂縫,其地表附近形成沉降區,這個區域在采空區的上方,往往要比開采區域要大。這三帶越靠近采空區的巖帶對采煤工作面的影響越大,也就是冒落帶影響最大,其次裂隙帶,最后彎曲下沉帶。    

       

3? 采空區上覆巖層三帶示意    

3.2.3 綜采工作面采空區 滲透率的計算    

綜采工作面采空區冒落情況非常不復雜,難以準確去計算某個地點的滲透率,但是采空區滲透率的分布具有一定的規律性,可以根據這種規律性進行研究采空區的滲透率。采空區遺煤的滲透性跟煤的孔隙結構、裂隙以及地應力有關。煤的孔隙率越大,孔隙越多,滲流通道增多,越容易滲透,所以滲透率越大。裂隙越多,通道也越多,滲透率越大。遠離工作面的采空區冒落的巖石壓實程度較大,孔隙率低,裂隙少,地應力大,所以滲透率低,當距工作面一定距離時,孔隙率、裂隙數和地應力都趨于一定值,滲透率也趨近一定值。

由多孔介質的 Carman 公式,滲透率的計算公式為: 

             

式中 ? Dm ——多孔介質骨架的平均粒徑,取值一般為 0.014~0.016m 。從采空區邊緣到中 ??? 心壓實區,滲透率的計算過程中碎脹系數ε的取值為 1.58~1.10 n 為孔隙率: n 1 1/ ε,ε為碎脹系數。

從采空區中心壓實區域到靠近采空區邊界的碎脹系數取 值為1.1~16。將對采空區不同地點所采煤樣的研究得出的粒徑和孔隙率數據帶入公式,再將所求解與煤樣所在采空區的位置進行繪制采空區煤體的滲透率分布圖從采空區煤體滲透率的分布圖可以看出滲透率變化比較規律,靠近工作面比較大,遠離工作面比較小,在工作面的的傾斜方向變化不大。  

根據滲透率的指數遞減規律擬合滲透率K變化曲線為:  

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式中 μ——空氣的粘性系數,常溫取1.7894e-4kg/ms。X為采空區距工作面的距離,y為采空區距離通風順槽的距離。

       

4? 大興礦采空區煤體滲透率分布    

3.3 合理布置采空區注氮及充填埋管布局,實現注氮充填防火方式一體化  

3.3.1 選擇最佳注氮量  

根據以往綜采工作面的經驗得出,工作面配風量1/60為該工作面的最佳注氮量的相關理論。同時在回采過程中,對不同的注氮量進行了測試比較,根據對工作面采空區“三帶”氧氣濃度的取樣分析得出,當注氮量為12001500 m3/h ,采空區進風側50100m范圍內氧氣的含量為10%3%,回風側上隅角CO濃度保持在 0.0008%0.0016%之間,說明采空區雖然存在一定程度的煤炭氧化,但工作面各種有防火指標均未超限 ,能保證安全生產。因此得出一般情況下12001500 m3/h的注氮量為正常生產時的最佳注氮。  

3.3.2 注氮埋管在采空區內的合理步距  

采空區注氮出口與工作面之間的距離也是注氮防火的一個重要參數 , 注氮出口距工作面過近 ,則氮氣流程短,泄漏大,易造成采空區內氧氣含量過高 ,而且不利于采空區的注氮防火;注氮出口距工作過遠,則不利于采空區次氧化帶的惰化。因此綜采工作面在回采期間,通過運順采空區注氮管路的埋設步距,考察了注氮出口距工作面切頂線不同距離時, 回風側采空區氧含量變化情況。當注氮出口距工作面切頂線為15m30m時(工作面采取埋設雙注氮管路方式),回風側采空區30m50m內氧含量為10%15%之間,符合以往綜采工作面注氮防火最優效果的標準。因此,選擇15m30m為綜采工作面采空區注氮防火的合理步距。  

3.3.3?????? 實現注氮、充填防火方式的一體化  

大興礦綜采工作面在采取采空區注氮防火方式的同時,也將采空區充填防火與注氮防火相結合,實現兩種防火方式效果的最大化。注氮充填防火一體化重點體現在兩者“1+1”大于2的理論上,在注氮管路出口的上風側和下風側,利用事先埋設充填管路進行充填封堵,使之在工作面采空區運順構成一個“空間注氮”氣室,在墮化采空區氣體的同時,形成一道封堵屏障,減小采空區漏風,縮短采空區漏風帶和氧化帶的距離,實現注氮、充填防火的最佳效果。  

3.4 實現“三巷”松動圈立體防火技術,科學使用輔助防火措施

“三巷”松動圈防火檢測,對運、回順、泄水巷頂板有頂煤的地點每50m施工防火觀測鉆孔,鉆孔內下4分套管,套管中穿入φ8mm束管到孔底,用于觀測煤體防火指標參數變化情況,如發現問題立即采取注水、注泥等措施。  

運、回順頂板有頂煤處提前施工注水鉆孔,每隔3m打一排鉆孔,每排2個鉆孔,鉆孔間距為2m;運、回順切眼硬幫往外打兩排注水孔,第一排在巷幫的中間每1.5m打一個孔深5m傾角0°方位0°的鉆孔;第二排在第一排上方0.8m的位置每間隔第一排鉆孔向上施工孔深5m傾角30°方位0°的鉆孔,施工完畢后的鉆孔用φ10mm膠管(或4分鐵管)、聚氨酯膠封口,每天原班距工作面5m以內的鉆孔注水;運順設一臺阻化劑泵,(每天四點、零點班注水,白班注阻化劑)。  

在運、回順鉆場內施工斜交注水鉆孔,由運順鉆場向工作面下隅角(氧化帶)至工作面50#綜采液壓支架范圍煤層頂板10m位置均勻布置注水孔,終孔點間距15m;回順布置有高位鉆場及消火道的工作面,可在高位鉆場及消火道內補充上隅角及回順頂板注水孔。

3.5 運、回順均壓防滅火措施  

綜采工作面利用均壓防滅火技術措施達到預防和消滅火災的目的,需要降低采空區漏風通道兩側的風壓差,減少漏風。大興礦綜采工作面均壓防滅火技術主要是對采煤工作面采空區進行均壓。其原理是利用降壓運、回順壓差的調壓手段,杜絕或減少采空區漏風,降低煤體自燃火災存在的危險系數。均壓防滅火工藝非常簡單、易行,工程量小,成本低,能夠取到良好效果。  

4 經驗體會  

大興礦高瓦斯易自然綜采工作面,雖然影響工作面自然發火的因素很多,但是還是有規律是可尋的。通過分析和研究高瓦斯易自然綜采工作面煤層自然發火特點及其規律,提出煤層自燃早期預測預報及預防體系,合理運用煤層綜合防火治理技術,制定高瓦斯易自然綜采工作面綜合防滅火技術方案,能夠實現工作面的安全順利回采。但不可否認,一些尚未解決的技術難題影響了自燃火災的防治效果,這些技術難題也是綜采開采工作面自燃火災防治進一步發展的障礙。技術難題包括 :  

綜采工作面采空區“三帶”的劃分。采空區“三帶”的劃分對自燃火災防治措施的防治效果有很大影響,但由于綜采工作面的大采高以及各煤層自燃發火期和煤層地質條件的不同,綜采工作面“三帶”的劃分沒有確定的通用標準與劃分方法。  

注氮預防自燃火災時,由于對氮氣在采空區移動規律的不了解,造成注氮防滅火效果不明顯。特別是對于不同地質條件的工作面采空區,采空區所注氮氣移動規律尚需研究。  

本煤層綜采工作面與鄰近層采空區之間的氣體運移關系的考察還處于摸索階段,如何處理好本煤層防火同臨近層采空區防火之間的關系,還存在著較大的技術難題。  

參考文獻:  

[1] 、王省身 礦井火災防治[M.徐州:中國礦業大學出版社,1990.  

[2] 、徐精彩 煤自燃危險區域判定理論[M.北京:煤炭工業出版社, 2001.    

[3] 《大興礦保護層開采卸壓條件下N2九層煤瓦斯參數與自然發火研究》.[D].中國礦業大學 2009.    

[4] 牛會永,張辛亥.煤炭自燃機理及防治技術分類研究[M].北京:煤炭工業出版社,2007.  

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第一作者簡介: 張強( 1983- ),男,工程師, 2007年畢業于遼寧工程技術大學安全工程專業,現任鐵煤集團大興煤礦保安區區長,從事煤礦通風與安全技術與管理工作,聯系電話:15941077995  

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