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底抽巷抽采条件下的坚硬顶板首采工作面防灭火技术研究

时间:2016-11-28来源: 作者: 点击: 199次


朱树来1,曹国华1,沈小青1,任万兴2,王士华3,胡继周3

(1.山东能源新矿集团金黄庄煤矿,安徽省 宿州市 235200;2.中国矿业大学安全工程学院,江苏省 徐州市 221116;3.徐州吉安矿业科技有限公司,江苏省 徐州市 221008)

摘  要: B102工作面利用底抽巷进行瓦斯抽采,随着工作面推进,采空区遗煤多次出现自燃及复燃,严重影响煤矿安全生产。首先利用标志性气体SF6对B102工作面采空区进行漏风通道的测定,给出采空区漏风通道的分布及漏风量,利用封堵废弃钻孔、整修底抽巷加喷浆措施从根本上解决深部采空区漏风问题;其次采取分段间隔垒袋墙加震动炮预放顶解决上下隅角顶板冒落困难、漏风严重的问题;最后采用新型防灭火材料普瑞特-Ⅰ对采空区已全面氧化自燃的遗煤进行全面覆盖。以上综合防灭火措施效果明显,保证了工作面的安全推进。

关键词:防灭火;控制漏风;普瑞特 ;六氟化硫

Research on the anti fire prevention technology of hard roof first mining face under the condition of bottom drainage

Zhu Shu-lai1,Ren Wan-xing2,Wang Shi-hua3,Hu Ji-zhou3

(1. Coal mine and golden energy mines in Shandong group, Suzhou city, Anhui province, 235200,China; 2. School of safety engineering, China University of Mining and Technology, Xuzhou city, Jiangsu province, 221008,China; 3. Xuzhou Ji An mining technology, Xuzhou city, Jiangsu province, 221008,China)

Abstract:B102 working face with a bottom drainage roadway gas drainage, along with the advance of working face, goaf residual coal spontaneous combustion and reburning appears several times, seriously affecting the safe production in coal mine. Firstly markers of SF6 gas of B102 working face goaf air leakage passage determination are mining goaf air leakage channel of distribution and quantity of air leakage, the abandonment plugging drilling, renovation end pumping Lane plus shotcrete measures fundamentally solve the air leakage problem of deep mining; secondly take piecewise interval barrier bag wall and vibration shot pre caving to solve the lower corner roof fall difficult, serious air leakage problem; finally, the new anti fire material Pratt - I of goaf has comprehensive oxidation and spontaneous combustion of residual coal comprehensive coverage. The above comprehensive fire prevention measures are effective, and ensure the safety of the working face.

Key words: Fire prevention ; Air leakage control; Puruite; Six sulfur fluoride

1.工作面概况及发火背景

安徽宿州金黄庄煤矿首采工作面自开采以来,采空区遗煤一直处于自燃与复燃的状态下,采取多种防灭火材料及措施均未达到理想效果,使得采空区遗煤自燃成为困扰矿井安全生产的一大难题。

B102工作面为金黄庄煤矿首采面,煤层属于结构简单、厚度稳定的中厚煤层,平均煤厚2.39m,煤层平均倾角15°,走向长度673.3m,倾向平均长度131.5m,属于自燃煤层。煤层顶板直接顶、老顶为粉砂岩、细砂岩,厚度分别为2.08m、17.1m,粉砂岩坚固性系数


为6.8,细砂岩坚固性系数为8.0,质地坚硬,不易垮落。工作面采用U型通风,上行通风,风量约1000m3/min,回采期间相对瓦斯涌出量为8.26m3/t,利用底抽巷治理瓦斯,底抽巷距B102工作面垂直距离约40m。工作面推进47m后工作面上隅角气温和CO升高,出现煤焦油气味,采空区遗煤出现自燃。根据矿方的防灭火记录显示,采取防灭火措施后,平均每隔15天,工作面的CO再次升高(最高达110ppm),严重影响了工作面的正常推进。

基于上述问题,从煤炭自然发火的“四要素”分析,判断出底抽巷向深部采空区持续漏风是导致深部遗煤不断出现自燃和采取防灭火措施后出现复燃的主要原因。

2.发火原因及防灭火工作难点分析

1)底抽巷受上覆工作面采动影响,破碎严重,造成底抽巷顶部裂隙与B102工作面采空区深部直接相通,加之底抽巷存在大量钻场和废弃的B102工作面的瓦斯预抽钻孔,造成漏风通道分布十分复杂、紊乱,也是造成采空区深部遗煤出现自燃和复燃的主要原因。

2B102工作面顶板岩性为细砂岩,质地坚硬,周期性垮落步距大,加之该工作面为首采工作面,周围地质构造敷存稳定,上下隅角顶板很难及时冒落和压实,导致上下隅角漏风十分严重,架后遗煤得到充分氧化。随着工作面的推进,已经氧化的遗煤进入采空区深部,在存在漏风的情况下,继续氧化,且失去及时散热的条件,最终导致采空区深部及氧化带遗煤氧化自燃。

3B102工作面开切眼处局部煤层厚度大于设计的最大采高,所以该区域采取留底煤的方式进行回采,由于煤质强度低,易破碎,跨落的顶板以及底板压力会导致留底煤区域出现破碎堆积的浮煤,加之推进过程中遇Fs-5断层,过断层处也存在大量遗煤,导致采空区遗煤量大且氧化覆盖范围广。

3.采空区漏风通道的测定

所谓漏风,是指煤矿开采中通过与生产无关通路的部分风流 [1]。漏风往往给煤矿生产带来严重的安全隐患,可为火区提供供氧通道,加剧火区蔓延速度;也可因火区引燃采空区遗煤自燃等[2]。因此,有效检测漏风通道,分析可能漏风的部分情况,可以针对火区采取有针对性的预防措施,有效控制火区发展,消除矿井安全生产的重大隐患。

3.1 材料及装置

SF6示踪气体,规格瓶装,10L;纯度要求多99.9%SF6示踪气体连续释放装置如图1所示,该装置由SF6气体钢瓶、减压阀、稳压阀、稳流阀和流量计组成[3]

 

1SF6示踪气体连续释放装置

3.2 SF6示踪气体连续释放法检测原理

采用示踪技术测量矿井风量的基本原理为示踪气体质量守恒方程。示踪气体释放后与巷内空气迅速而充分混合,巷道内空气密度不发生变化,当在释放点以连续恒定的释放速率释放示踪气体后,经过足够的距离示踪气体与巷道风流充分均匀混合。若巷道风量稳定,在一定时间后,接收点的示踪气体浓度是1个常数,即[1]

连续恒量释放法即为在需要考察的井巷进风风

流中,连续恒量释放示踪气体,然后分别在顺风流方向设定的采样点采集气样。如果沿途不漏风或者向外漏风,则沿途各点风流中的示踪气体浓度保持不变;如果当沿风流方向有漏风涌入时,会使井巷中示踪气体浓度发生变化呈下降趋势。通过对采样点示踪气体浓度变化的分析,即可求得漏风量,从而找出漏风规律。

示踪气体的释放速率为q,假定采样时示踪气体已与空气充分均匀混合,通过某一采样点A的风量为QA,示踪气体的浓度为CA,沿途有风流漏入,下一采样点B的风量为QB,SF6的浓度为CB,则这2点之间的漏风量△Q为:

 

设漏风率为K,则

3.3 SF6测试方案

在巷道风压测定的基础上,通过分析,掌握巷道内各点的压差分布,在压差较大的地点有针对性的释放SF6进行漏风通道检测。根据压差比较及对采空区漏风通道的预判,确定释放地点为底抽巷钻场处。方案的具体实施参数如表1所示,测压点如图2所示,释放点及采样点如图3所示。

1. SF6气体连续释放法实施参数

释放方法

释放量

初次采样时间

采样间隔时间

采样次数

检测时间

取样点

释放点

连续性释放

2030ml/min

距释放时间间隔20min

1520min不等

10

不超过24h

3

1

2、测压点分布示意图

3SF6释放点及采样点分布示意图

3.4 测试结果分析

在底抽巷释放点通过连续释放法释放SF6以后,利用B102采空区中的1#2#4#束管进行气体采样,通过色谱仪对气样进行分析,分析结果如下图4、图5、图6所示。

 

41#束管采集SF6浓度变化

 

52#束管采集SF6浓度变化

 

64#束管采集SF6浓度变化

SF6数据分析图可知,气样浓度随着时间逐渐减少,整个取样过程均检测到SF6,其中,2#密闭墙处检测的气样浓度最高,稳定时期平均浓度分别为:0.83ppm1.1ppm0.86ppm。基本可以判定漏风通道成型性好,漏风量稳定。根据实验数据,利用测漏风原理,给出最大漏风速度:

1#密闭附近:

2#密闭附近:

4#密闭附近:

根据测试结果分析,绘制出底抽巷向采空区漏风示意图,如图7所示。

7、底抽巷向采空区漏风示意图

4综合防灭火技术的应用

基于底抽巷漏风的测试结果,从B102工作面防灭火工作的实际情况出发,针对性提出综合防灭火措施:1、底抽巷破损严重区域重新维护,全断面喷浆,对废弃钻场及钻孔实施封堵和喷浆;2B102工作面上下隅角分段间隔垒袋墙、上下隅角架后5-10m处放震动炮进行预放顶;3、针对采空区大面积发火的遗煤,采用灌注普瑞特防灭火材料进行全面覆盖。

4.1 底抽巷减漏措施

对自燃性煤层进行防灭火,防止其持续氧化,控制漏风技术尤为关键[4]。根据测漏风的实验结果,判断出底抽巷就是采空区持续漏风的关键漏风点,针对这一问题,实施以下措施。

1)底抽巷破损严重区域进行维护整修,将顶帮破碎岩石挑落,重新铺网,利用混凝土进行填充,。

2)将废弃钻孔进行封堵,封堵深度不小于1.5m

3)废弃钻场及底抽巷通风部分进行全面喷浆,喷浆厚度为200mm

4.2 上下隅角减漏措施

控制漏风实际上是在工作面两端风压差一定的情况下,通过改变漏风风阻及对漏风量的调节,降低采空区的漏风量[4]。鉴于上述理论基础,针对上下隅角放顶困难、漏风量大的问题,采取在工作面上下隅角分段间隔垒袋墙,袋墙间隔为5m,同时在端头支架架后5-10m范围内放震动炮的方式进行预放顶,从而促使上下隅角顶板充分冒落,冒落破碎岩石充填于袋墙之间,袋墙周围形成密实区域,增大采空区漏风阻力,当进回风巷压力变化不大的情况下,采空区漏风大量减少,氧化自燃带范围前移并缩小,从而防止采空区浮煤大范围持续氧化发生自燃。分段间隔垒袋墙如下图8所示。

8.分段间隔垒袋墙示意图

4.3采用普瑞特新型防灭火材料全面覆盖遗煤区

4.3.1 普瑞特防灭火特点分析

采取减少漏风措施后,采空区氧化带范围必然缩小并前移[5],但是由于采取控制漏风前采空区遗煤已大范围的氧化,想要彻底防止采空区遗煤自燃,对采空区已充分氧化的遗煤需要利用防灭火材料进行全面覆盖。

防治煤炭自燃的新型防灭火材料普瑞特-Ⅰ与现有的防灭火技术及材料相比,兼有一般防灭火注浆和惰气泡沫防灭火的优点。其具有如下技术特点:

①集凝胶、黄泥灌浆、两相或三相泡沫、惰性气体和阻化剂的防灭火优点于一体,能把泡沫中的水固结在凝胶体内,避免了黄泥灌浆和其他泡沫大量水流失或者溃浆的缺点;

②在采空区具有良好的扩散性能,生成的凝胶以泡沫为载体能够对采空区火区的高、中、低位火源进行大范围、全方位的覆盖,持久保持煤体湿润冷却,隔绝氧气,且添加剂中含有的阻化剂能长久对煤体阻化,彻底防治煤炭自燃;

③普瑞特被注入火区后,会在火区全方位覆盖一层凝胶层,并且凝胶层中95%以上都是水,具有长久的吸热降温作用,能够有效防止火区复燃;

④凝胶以泡沫为载体,在防灭火区域内能向高处堆积,所到之处凝胶能有效覆盖并黏附浮煤裂隙,具有良好的封堵漏风通道的性能;

⑤泡沫中的氮气缓慢释放,避免单独注氮时氮气容易流失的缺点,持久保持火区惰化。

4.3.2 普瑞特注浆工艺流程

注浆防灭火系统主要是将形成普瑞特-Ⅰ的A、B两种料液按比例混合后引导至采空区,实现快速、安全、高效的防灭火, 为实现普瑞特-Ⅰ能够覆盖整个采空区遗煤,通过上隅角架后30m和50m的预埋的灌浆管路向采空区注入普瑞特-Ⅰ。注浆工艺流程如图9所示,采空区注浆示意图如图10所示。

 

9  普瑞特-Ⅰ灌注工艺图

10  采空区注浆示意图

5 应用效果

金黄庄煤矿B102首采工作面回风隅角CO浓度自2016年1月13日开始反复出现升高趋势,采空区遗煤自燃情况不容乐观。针对CO反复出现升高的情况,采取上述综合性防灭火措施。采取以上措施后,回风隅角CO浓度显著降低并趋于稳定,1月21日检测到回风隅角CO浓度为6ppm,防灭火效果十分显著,持续跟踪了2个月,回风隅角均未出现CO超限情况,保证了工作面的正常推进。1月13日至1月21日回风隅角CO浓度实测数据如表2所示,温度变化实测数据如表3所示。CO变化趋势如图11所示,温度变化趋势如图12所示。

2. 1月13日至1月21日回风隅角CO浓度实测数据(增加温度变化情况)

日期

1

13

1

14

1

15

1

16

1

17

1

18

1

19

1

20

1

21

CO浓度(%

0.0014

0.0015

0.0020

0.0029

0.0018

0.0011

0.0011

0.0006

0.0006

3. 1月13日至1月21日回风隅角温度实测数据(增加温度变化情况)

日期

1

13

1

14

1

15

1

16

1

17

1

18

1

19

1

20

1

21

温度°

19

20

22

25

24

21

19

18

17

 

 

11. 1月13日至1月21日CO浓度实测数据变化趋势图

 

12. 1月13日至1月21日上隅角温度实测数据变化趋势图

6 结论

1)结合B102首采工作面的实际情况,分析了采空区遗煤反复出现自燃及复燃的原因,有针对性设计了工作面回采时期的综合防灭火方案。

2)实践证明,底抽巷向采空区深部漏风是造成采空区反复出现自燃及复燃的主要原因,采取底抽巷减漏措施后,从根本上解决了采空区遗煤自燃及复燃的问题。

3)新型防灭火材料普瑞特-Ⅰ兼具多种防灭火材料的优点,能够对采空区大范围已氧化遗煤进行高、中、低位全面覆盖,有效阻止了采空区遗煤进一步氧化并能带走采空区大量热量,有效预防了采空区已氧化遗煤的复燃。


参考文献: 

[1]   刘国忠,李国华,王正辉,等。SF6 示踪气体连续释放法在采空区漏风检测中的应用[J]。煤矿安全, 2011,42( 9) : 114-117

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[2]    刘瑛忠,马忠利。示踪技术在煤矿漏风检测中的应用[J]。煤矿安全,2002,33( 4) : 26-28
LIU Ying-zhong MA Zhong-liApplication of tracingtechnique in coal mine air leakage detection[J.Safety in Coal Mines,2002,33( 4) : 26-28

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     Ren Xiao-peng. SF6 tracer gas in the short distance coal seam leakage detection in the application. Coal technology, 1008-8725 (2013) 06-0188-03

[4]   苑铎,张清宣, 宣德全容易自燃厚煤层开采期间自然发火特点分析及防治对策[J]。西部探矿工程,
2014( 3) : 135-138

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[4]   王德明。《矿井通风与安全》。徐州:中国矿业大学出版社,2005

Wang De-ming. Mine ventilation and safety. Xuzhou: Publishing House of China University of Mining and Technology, 2005.

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