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厚煤层综放面推进度与煤自燃防控效果关系研究

时间:2016-05-03来源: 作者: 点击: 117次

袁征

 (新疆生产建设兵团煤矿安全监察局,新疆 乌鲁木齐 830002)

摘要:简要介绍了1101工作面采用厚煤层综放采煤工艺,通过铺设束管开展采空区遗煤自燃“三带”研究,划分了采空区煤自燃危险区域,确定了工作面最低推进度,结合矿井实际情况,制定了加快推进速度、连续注氮、灌注凝胶、封堵、合理配风的综合防灭火技术措施防治采空区遗煤自燃,并根据工作面推进速度选择合适的治理时机和治理区域范围,结果表明,采取综合防灭火技术措施后,CO、CH4和温度数据呈下降趋势,并逐渐稳定,说明综合防灭火技术能够有效防治采空区遗煤自燃。

关键词:厚煤层;综合;推进度;防灭火技术;采空区

 

Research on relation of Comprehensive Fire-fighting Technologies for Full-mechanized Face with Thick Coal Seam and Its Advance Degree

Yuan Zheng

(Xinjiang Production and Construction Corps Administration of Coal Mine Safety, Urumqi 830002,China)

 

Abstract: Fully mechanized thick coal mining technology was applied in 1101 working face, to deal with gas and temperature anomaly in upper corner of the mining face during the period of mining, and in combination with the actual situation of the mine, comprehensive fire-fighting technologies and measures were applied, including acceleration of mining speed, continuous nitrogen injection, gel infusion, seal, reasonable air distribution, gas and temperature data in upper corner were analyzed before and after the measures, the results showed that after the comprehensive fire prevention technologies and measures, CO, CH4 and temperature data were on the decline, gradually and stably, which showed that comprehensive fire-fighting technologies were effective on prevention and treatment of coal spontaneous combustion in goaf.

Keywords:thick coal seam; comprehensive; advance degree; fire-fighting technology; goaf;

 


0引言

煤自燃火灾是矿井生产过程中的主要自然灾害之一,具有很强的隐蔽性,不仅威胁井下作业人员和机电设备的安全,造成煤炭资源损失和浪费,还会引起瓦斯和粉尘事故,降低煤矿安全生产条件和经济效益。

厚煤层综放工作面具有开采强度大、需风量大、两道丢煤多、采空区冒落范围广等特点,造成工作面采空区浮煤大量堆积,漏风严重,有利于浮煤氧化自燃,单一的防灭火技术手段往往难以实现治理目标。因此,针对厚煤层综放开采,结合矿井实际条件,有必要研发煤自燃综合防控技术,并研究最佳的治理时机和区域范围,更加有效的防治采空区煤自燃,更好的为矿井安全生产提供保障。

1工作面概况

白土窑煤矿1101综放工作面是B1煤层11采区工作面,位于矿井东翼。工作面可采走向长905m,倾斜长约90m,煤层倾角约26°,采放平均厚度12m,采用上行通风,设计风量为960m3/min,实际配风为760m3/min

煤层结构简单,一般不含夹矸,煤层厚度变异系数0.26,可采指数为1.0,可采面积100%,煤类以(31BN)不粘煤为主,少量为21号不粘煤(21BN),该煤层属易自燃煤层,最短自然发火期仅为31天,矿井瓦斯绝对涌出量为0.97m3/min,相对涌出量为4.37m3/t;二氧化碳绝对涌出量0.82m3/min,相对涌出量3.70m3/t

2工作面合理推进度研究

2.1束管铺设

进行采空区自燃三带监测时在工作面回风巷内沿巷道底板向采空区埋设一趟8芯束管,由于从工作面开切眼进行监测,考虑到开切眼位置的特殊情况,束管长度暂时定为150m,沿工作面回风巷向外每隔30m设置一个采样头,共布置5个采样头,分别编号为H1~H5。采样头一旦进入采空区即开始取气分析,直至取样分析结果表明采样头已经进入窒息带。如果因为管路被砸断等原因导致分析数据无意义时必须重新布置采样头,工作面回风巷束管铺设示意图见下图1

回风巷束管铺设示意图

为了分析自燃三带沿工作面倾斜方向上的变化情况,当工作面推过开切眼70-80m后,即回风巷束管采样头H3H4之间,沿工作面倾向在液压支架后部溜子处铺设一趟束管,由于工作面倾角26°,顶煤破碎后容易向进风侧堆积,为防止采样头进入采空区后被浮煤完全覆盖,沿工作面倾斜方向布置2个采样头,分别编号为G1~G2,相邻采样头间距约20m,束管铺设示意图如下图2所示。

沿工作面倾斜方向束管铺设示意图

2.2监测结果分析

综合考虑采空区瓦斯和二氧化碳的影响,选择按氧气浓度进行三带划分确定1101工作面回风巷氧化范围为与工作面距离大于24.6m;窒息带范围为与工作面距离大于89.1m1101工作面采空区自燃三带分布图,如下图3所示。

3  1101工作面自燃三带分布示意图

2.3采空区危险区域判定

采空区遗煤自燃必须要具备四个条件:浮煤堆积要有足够厚度,使热量能够积聚;足够的O2浓度供应,使浮煤产生足够的氧化热;充足的反应时间,使浮煤充分氧化;漏风强度不能过大,以免风流带走大量的热量。

散热带是松散煤体氧化放热量难以积聚的区域,散热带浮煤厚度h≤hmin或者漏风强度的区域。

窒息带由于氧含量低,松散煤体氧化放出的热量受氧含量的影响而偏少,造成热量难以积聚,即,氧气浓度Co2极限氧浓度Cmin的区域。

氧化升温带,即,自燃危险区域则处于散热带和窒息带之间,要同时满足以下条件:

其中:

浮煤厚度,m

自燃临界浮煤厚度,m

氧气浓度,%

自燃临界氧浓度,%

工作面平均日推进度,m/d

自燃工作面平均最低日推进度,m/d

散热带到窒息带的最大距离,m

浮煤最短自然发火期,d

采煤工作面自然发火防治要求在最短自然发火期内,工作面推进速度保证能将采空区内遗煤甩到自燃三带的窒息带以内,保证采空区遗煤接触氧气的时间小于其最短自然发火期。

2.4工作面最低推进度

采煤工作面自然发火防治要求在最短自然发火期内,工作面推进速度保证能将采空区内遗煤甩到自燃三带的窒熄带以内,即保证采空区遗煤接触氧气开始到被甩入窒熄带的时间小于最短自然发火期,简要的数学描述公式如下:

式中:

自燃带到工作面的最大距离,m

煤层最短自然发火期,d

工作面不含停产检修时间的日平均推进速度,m/d

分别表示累计的正常回采和停采检修的总天数,d

1101工作面最短自然发火期为31天,计算防止采空区浮煤自燃最低推进度的表达式为:

解得v=2.87m/d,即在保持工作面当前风量不变,保证工作面推进度为2.87m/d即可防止工作面采空区自然发火。

3综合防灭火措施

3.1加快推进速度

1101工作面为综采放顶煤工作面,放顶煤高度9.2m,回采率相对较低,顶板冒实周期长,必须加快工作面推进度,使采空区较集中的浮煤在发火期内迅速由氧化带进入缺氧窒息带,从而抑制自燃的发生。对受各种因素影响而放慢推进速度的工作面要重点加强防火管理,并制定专门措施。

3.2注氮防灭火

注氮防灭火的实质是采用不助燃的氮气注入到能引起煤炭自燃或已经产生火灾的空间,使该空间内的氧气含量降低并达到不再使可燃烧物氧化和继续燃烧的程度,达到防灭火的目的。

另外,向采空区注氮后,由于提高了其内的静压,则减少了向采空区的漏风,对降低采空区浮煤的氧化、自燃或加速火区的熄灭也是非常有利的。

1)注氮量计算

在计算采空区防火注氮流量时,分别按工作面产量、吨煤注氮量、采空区氧化带内漏风量进行计算,取计算结果的最大值,并考虑一定的安全系数。通过核算,设计注氮量为800 m3/h,而工作面注氮量为800m3/h的安全通风量为459m3/min,因此,在工作面通风量为978m3/min时设计注氮量为800m3/h时不影响工作面人员的人身安全。然而,矿井现有注氮系统为老旧设备,最大注氮能力仅为300m3/h

2)注氮路线

注氮管路铺设路径为:地面制氮机房——副立井——800m水平巷道——1101工作面进风巷——1101工作面采空区,管路铺设路径如图1所示,管路总长度为1655m,考虑10%的不平和不直系数,注氮管路总长度为1821m。图4中粗实线即为注氮路线。


4 注氮路线


3)注氮工艺

在工作面生产期间,通过在工作面进风巷并列铺设输氮工艺管,向采空区注氮。出氮口间隔距离通过考察确定,暂时定为25m。当一条工艺管口埋入一定深度后开始注氮,当另外一条工艺管口埋入采空区氧化带与散热带的交界部位时向采空区注氮,同时停止第一趟管路注氮,将第一趟注氮管路在采空区附近截断,形成新的注氮口,如此循环,直至工作面采完为止。并列铺设长支管注氮示意图如图5所示。


并列铺设长支管注氮示意图


3.3灌注凝胶

利用1101回风顺槽内预埋的注浆管路,向采空区灌注凝胶。注胶工艺见下图6所示。

灌注凝胶工艺示意图

凝胶灌注方式采用间歇式,当上隅角气体或温度异常时,立即灌注凝胶,由于注胶设备功率较小,每班注胶量约为20m3,截止目前为止,已累计注凝胶100m3

3.4上、下端头封堵

1101工作面回采期间,上、下端头顶煤垮落不及时会造成工作面向采空区大量漏风,由于工作面沿煤层倾向布置,倾角约为26℃,顶煤垮落后沿坡度向下端头堆积,下端头通常垮落效果较好。当上端头顶煤垮落不及时时,安排工人堆砌煤袋墙,防止向采空区漏风,同时也能防止采空区有毒有害气体逸散至工作面,确保工作面作业人员及设备的安全,保证工作面的安全生产。

3.5合理配风

开采自燃煤层时,合理的通风系统可以大大减少或消除自然发火的供氧因素。无供氧蓄热条件,煤是不会发生自燃的。所谓合理的通风系统是指:矿井通风网络结构简单,风网阻力适中,主要通风机与风网匹配,通风压力分布适宜;通风设施布置合理、可靠。

1)风网结构合理,主要通风机与风网匹配。

从全矿井网络结构来看,开采自燃煤层的大中型矿井,以中央分列式和两翼对角式通风为好,这种方式一是有利于防火,因为采区封闭后可以调节其压力,消除主要通风机风压的影响;二是便于灾变时进行通风控制,防止主井进风流发火而危及全矿井。

2)通风设施布置合理

通风设施布置合理是指风门、风墙、调节风门等通风构筑物及设施位置恰当、布局合理。一般来说,以减小采空区或火区进、回风密闭墙两侧通风压差为原则。

3.6治理时机选择

当工作面正常推采且速度大于工作面最低推进度时,选择一项或几项措施进行预防性处理;当工作面推采推采速度小于最低推进度,甚至停采时,则要采取综合防灭火技术措施进行及时治理,防止采空区遗煤自燃;而且治理的区域主要是氧化升温带和散热带。

4效果分析

为了考察综合防灭火技术措施的效果,将采取措施处理后上隅角气体和温度早班监测数据整理分析,汇总成下表1


 

 

 

1 采取措施后上隅角监测数据

日期

CO/PPm

CH4/%

温度/

日期

CO/PPm

CH4/%

温度/

9.19

140

0.7

20

10.6

120

0.5

19

9.20

140

0.6

21

10.7

90

0.6

18.5

9.21

110

0.9

20

10.8

150

0.6

19

9.22

160

1

21.5

10.9

160

0.5

19

9.23

50

0.9

21

10.10

130

0.4

19

9.24

180

1.2

 

10.11

120

0.7

20

9.25

170

0.8

20

10.12

160

0.7

20.5

9.26

80

0.7

20.5

10.13

180

0.8

20.5

9.27

140

0.8

21

10.14

120

0.6

20

9.28

170

0.6

 

10.15

180

0.4

20

9.29

100

0.9

20

10.16

120

0.7

18

9.30

150

0.7

21

10.17

130

0.6

19.5

10.1

160

0.5

21

10.18

160

0.7

19

10.2

130

0.5

21

10.19

180

0.9

19

10.3

120

0.55

20

10.20

130

0.7

19

10.4

120

0.7

19

10.21

200

0.9

19

10.5

90

0.5

19

10.22

190

0.7

19



从表1可以看出,采取措施后COCH4和温度数据呈整体下降趋势,并逐渐稳定。为了更为直观的对比采取措施前后气体及温度数据变化规律,将表1CO和温度数据分别绘图,见图7和图8

措施前后温度变化曲线

观察图7和图8可以看出,采取综合措施处理后,CO和温度数值都呈下降趋势,并逐渐稳定。主要是因为综合防灭火技术措施中,直接作用于采空区浮煤自燃的措施主要是采空区连续注氮和灌注凝胶,注氮防灭火主要是通过稀释氧气浓度使采空区氧气含量降低并达到不再使可燃烧物氧化和继续燃烧的程度,达到防灭火的目的,所需周期较长;而凝胶能够很好的覆盖在浮煤表面,凝胶内的水分能够使煤体表面温度迅速降低,实现快速降温和阻隔浮煤氧化的目的,但是注胶设备注胶能力太低,灌注的凝胶量相对于已形成的采空区体积而言是杯水车薪,导致防灭火效果不太明显,只能起到抑制作用,无法彻底消除采空区遗煤自燃。建议下一步要加大灌注凝胶工程量,保证工作面安全生产。

5结论

1)通过查阅相关资料和文献,厚煤层综放开采工艺,回采率较低,采空区内浮煤大量堆积,自燃危险性很高;

2)通过铺设束管,对工作面采空区进行了煤自燃“三带”监测,划分了煤自燃危险区域,并确定了工作面最低推进度;

3)根据厚煤层综放面工艺特点,结合矿井实际情况,制定了加快推进速度、连续注氮、灌注凝胶、封堵、合理配风的综合防灭火技术措施,并根据工作面实际推进情况,选择最佳的治理时机和治理范围;

4)通过分析上隅角气体和温度数据,确定综合防灭火技术能够有效的抑制采空区遗煤自燃,效果较好。

参考文献:

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作者简介:

袁征(1968-),男、新疆人,本科,现从事煤矿安全生产监察工作。

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