新维矿8102工作面自然发火防治技术_饶孜.pdf

第 51 卷第 3 期 2020 年 3 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.3 Mar. 2020 新维矿 8102 工作面自然发火防治技术 饶孜 1， 王 帅 2,3， 胡 雷 1， 唐 辉 2,3 （1.四川芙蓉集团实业有限责任公司， 四川 宜宾 644002； 2.煤科集团沈阳研究院有限公司， 辽宁 抚顺 113122； 3.煤矿安全技术国家重点实验室， 辽宁 抚顺 113122） 摘要 针对川南矿区近距离煤层群开采过程中面临的自然发火防治难题， 以新维矿 8煤层首 采工作面为例， 通过 8102 工作面回采期间面临的自然发火危险因素分析， 得出高位遗煤与采空 区遗煤是自然发火的高危区域。提出以自然发火预测预报为先导， 以堵漏控风、 开区注氮和高位 注浆为核心的综合防灭火技术措施， 根本上降低了煤层自然发火概率。回采过程中工作面及采 空区各地点 CO 浓度始终保持在 2010-6以下， 保障了工作面的安全回采。 关键词 川南矿区； 高位遗煤； 预测预报； 自然发火； 高位注浆 中图分类号 TD752.2文献标志码 B文章编号 1003-496X （2020 ） 03-0084-04 Prevention and Control Technology of Spontaneous Combustion in 8102 Fully-Mechanized Mining Face of Xinwei Mine RAO Zi1, WANG Shuai2,3, HU Lei1, TANG Hui2,3 （1.Sichuan Furong Group Industrial Co., Ltd., Yibin 644002, China;2.China Coal Technology and Engineering Group Shenyang Research Institute, Fushun 113122, China;3.State Key Laboratory of Coal Safety Technology, Fushun 113122, China） Abstract Aiming at the problem of spontaneous combustion prevention in the process of mining close distance coal seams in southern Sichuan Mining Area, this paper takes the first mining face of No. 8 coal seam in Xinwei Mine as an example, and analyzes spontaneous combustion risk factors during the recovery of 8102 working face. It is concluded that high residual coal and goaf residual coal are high risk areas of spontaneous combustion. The comprehensive fire prevention technical measures with spontaneous combustion prediction and forecasting as the lead, the plugging and controlling wind, the open area nitrogen injection and the high position grouting as the core are proposed, which fundamentally reduces the natural fire probability of the coal seam. During the recovery process, the CO concentration in the working face and the goaf is always kept below 20 ppm, which ensures the safe recovery of the working face. Key words southern Sichuan Mining Area; high residual coal; forecasting; spontaneous combustion; high level grouting 煤炭作为我国的主要能源，在我国一次能源消 耗占比 60％以上[1-3]。川南矿区作为四川省主要的煤 炭生产基地之一，区内主要以开采近距离自燃煤层 为主，由于开采技术条件的特殊性与复杂性，火灾 事故时有发生,给矿井安全生产带来极大威胁[4-7]。 如 何科学有效的防治近距离煤层群开采过程中的自然 发火， 成为目前亟待解决的难题[8-10]。 针对近距离煤层群开采期间的自然发火防治问 题， 国内外学者开展了大量研究。肖旸、 徐精彩等人[11] 利用近距离煤层采空区渗流及扩散数学模型，建立 了近距离煤层采空区自然发火预测模型。贺明新[12] 通过自然发火危险因素分析，系统地建立了西山矿 区近距离煤层组自然发火综合防治技术体系。伍好 好[13]结合白皎煤矿掘进工作面出现的上覆采空区自 燃隐患，提出以施工观测钻孔探查为先导，采取采 DOI10.13347/ki.mkaq.2020.03.017 饶孜， 王帅， 胡雷， 等. 新维矿 8102 工作面自然发火防治技术 ［J］ .煤矿安全， 2020， 51 （3） 84-87. RAO Zi, WANG Shuai, HU Lei, et al. Prevention and Control Technology of Natural Fire in 8102 Fully- Mechanized Mining Face of Xinwei Mine［J］ . Safety in Coal Mines, 2020, 51 （3） 84-87. 基金项目 中国煤炭科工集团有限公司科技创新创业资金专项项 目 - 青年资助项目 （2018- 2- QN012） 移动扫码阅读 84 ChaoXing Vol.51No.3 Mar. 2020 Safety in Coal Mines 第 51 卷第 3 期 2020 年 3 月 图 1采空区测点布置图 Fig.1Layout of measuring points in goaf 空区注液态 CO2灭火降温、巷道喷浆堵漏以及注氮 惰化等手段,成功处理了发火隐患。汪月伟[14]针对近 距离煤层同采采空区建立了气体流动数学模型， 提 出了采空区危险区域判定机理。白金燕[15]结合珙泉 煤矿 3煤层回采期间面临典型易燃极近距离煤层 群自然发火防治难题， 建立超前监测、 超前预防、 应 急处理等自然发火防治治理机制。保障了工作面安 全回采。在总结借鉴川南矿区范围内老矿井自然发 火防治经验的基础上， 结合新维煤矿 8102 综采工作 面实际情况，提出了针对性的近距离煤层采空区综 合防灭火化技术。 1工作面概况 新维煤矿隶属于川煤集团芙蓉公司， 位于宜宾市 筠连县境内， 区内主采 2、 3以及 8煤层， 局部可采7 煤层， 除 2煤层属Ⅲ类不易自燃煤层外， 其余煤层均 属Ⅱ类自燃煤层。8102 工作面为新场井一盘区 8煤 层首采工作面， 工作面东西走向长度为 156 m， 南 北倾斜长度为 400 m， 煤层厚度 2.0～4.0 m， 倾角 5～ 13。采用沿空切巷条件下倾斜长壁后退式综合机械 化采煤工艺， 全部垮落法管理顶板。工作面位于一盘 区东翼， 东与 1瓦斯抽放石门相连； 南邻472 m 运输 巷； 西邻 8104 工作面； 开切眼紧邻二水平隔离煤柱。 采用内错布置，上部为依次为未开采的 7煤层以及 已回采完毕的 3102 工作面和 2102 工作面。 28102 工作面自然发火因素 根据 8102 工作面周边采空区及本煤层开采技 术条件，分析影响工作面回采过程中自然发火因素 主要有以下几个方面 1） 8煤层平均含硫量为 2.52，同样伴随局部 富集现象， 同时 8煤层为富灰高硫煤， 由于硫与氧 气和水相互作用能发生不同形式的化学反应，放出 热量，促进煤低温氧化自燃进程，且煤中硫铁矿石 受热膨胀， 会扩大煤体裂隙， 增加煤体氧化强度， 会 缩短煤的自然发火期， 增大煤层自燃风险。 2） 8煤层大面积开采之后，破坏了采场原岩应 力平衡状态及其分布状态，从而引起围岩移动、 变 形和破坏。根据经验数据，垮落带的高度一般为采 高的 7～8 倍。8102 工作面平均采高为 3 m， 垮落带 高度可达 21～24 m。8煤层与 7煤层平均间距为 6.31 m， 层间岩性主要为粉砂砂岩、 细砂岩、 粉砂岩、 泥质粉砂岩， 8煤层开采后， 7煤层以破碎的形态 垮落至采空区形成高位遗煤，遗煤厚度平均增加 1.25 m 以上。垮落到采空区后形成高位遗煤， 不易 压实， 孔隙率大， 在漏风作用下， 其供氧条件和蓄热 条件比较充分， 导致自然发火概率升高。 3） 8102 工作面采用沿空切巷回采工艺， 一方面 本煤层首采工作面采空区漏风控制难度大，后期涉 及到多区段连通采空区的整体防火，采空区内部流 场分布规律复杂，不利于自然发火防治工作的开展 及自燃隐患事故的治理。 3综合防灭火技术方案 3.1建立自然发火预测预报体系 近距离煤层群开采工作面自燃火灾防治的关键 是对采空区遗煤自然氧化过程的准确监测，以此实 现采空区自然发火的预测预报。为及时掌握采空区 内遗煤氧化产生的各种指标气体的变化情况，建立 以束管监测为主，配合人工定期巡检的自然发火预 测预报系统。 1） 采空区回风侧束管系统建立。沿 8102 工作 面采空区回风侧沿帮的下部布置 1 趟 3 芯集束管， 每芯束管连接 1 个气体采样器， 集束管外套 φ50 mm 无缝钢管保护，无缝钢管之间用法兰连接。在停采 线附近建立井下抽气泵站，利用防爆电机带动真空 泵，联合作为束管系统的抽气动力。通过人工定期 采样并通过色谱仪进行气体成分分析，实现对采空 区自然发火的预测预报。 2） 测点布置。自工作面开始， 向采空区内部每 间隔 24 m 布置 1 个测点，各测点记为 A1、 A2、 A3， 随工作面推进，当距离工作面最近的 A3 测点距离 工作面 24 m 时， 断开 A1 测点的束管， 并重新布置 测点， 以此类推， 直至工作面回采结束。采空区束管 测点布置如图 1。 3） 人工巡检。正常情况下， 每天大班由瓦斯检 查员利用 CO 检定管、 氧气检定管、 温度计或便携式 85 ChaoXing 第 51 卷第 3 期 2020 年 3 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.3 Mar. 2020 表 1高位钻孔参数 Table 1High borehole parameters 多参数测定器等检测设备对 8102 工作面回风隅角、 液压支架架间、 工作面回风流中 CO 浓度、 温度等参 数进行测定， 并向通风调度进行汇报， 其中 架间检 测至少保证每隔 5 架检测 1 次。出现煤层自燃征兆 时， 根据现场实际情况， 适当增加检测次数， 并及时 连续取样化验， 根据监测结果采取针对性预防措。 3.2控制采空区漏风优化通风系统 在保证工作面瓦斯不超限情况下，尽量降低工 作面配风量。强化巷道支护质量， 减少漏风， 同时及 时对沿空切巷段巷道进行喷浆处理，喷浆厚度建议 在 30～50 mm 以上， 喷浆质量满足相关规定， 以进一 步控制采空区漏风强度，为工作面安全回采创造有 利条件。若发现沿空留巷喷浆段受采动影响或局部 压裂，有漏风现象施工队需及时安排进行补喷。保 证工作面通风断面，运输巷、回风巷断面不得小于 设计断面的 70，工作面进风侧必须施工超前缺 口， 超前缺口施工参数为沿工作面走向 2 m， 沿工作 面倾向 5 m。 3.3采空区注氮 坚持沿空侧插管注氮与采空区回风侧埋管注氮 相结合的方式，将其作为预防采空区高位遗煤自燃 的主要手段。 制氮机能力按下式计算 QN60KNQ0 C1-C2 CNC2-1 （1） 式中 QN为制氮机供氮量， m3/h； Q0为采空区氧 化带内漏风量，取 7.0 m3/min； C1为采空区氧化带内 平均氧浓度，取 14； C2为采空区惰化防火标志， 其 值为煤自燃临界氧浓度，取 7； CN为注入氮气的氮 气浓度， 取 97；KN为备用系数， 取 1.2～1.5。 根据各系数的取值结果，8102 综采工作面所 需的供氮能力为 当取 KN1.5 时， 经计算， 供氮量为 1 100 m3/h。 根据 8102 综采工作面的实际情况， 采用插管注 氮与埋管注氮工艺相结合的方式。 插管注氮在沿空切 巷段巷道实施， 埋管注氮视隐患区域位置在回风侧或 运输侧巷道实施，条件允许时还可利用 3底板瓦斯 抽放巷进行打钻注氮。采空区自燃 “三带” 未划定前， 按照工作面生产技术条件的实际情况（如配风量、 推 进度等 ） ，将氮气释放口的位置初步设定在工作面采 空区内距工作面 30 m 处， 待采空区自燃 “三带” 划定 及注氮效果考察后调整， 出口压力不低于 0.2 MPa。 3.4高位钻孔注浆 注浆的主要作用是隔氧与降温，即利用浆体材 料包裹垮落至采空区的 7煤层及 8煤层开采过程 中的遗煤， 隔绝氧气与遗煤接触， 防止煤的氧化， 注 浆防灭火在防止高位遗煤自然发火具有较大优势。 注浆材料选用粉煤灰、 水、 胶凝剂复合而成， 并 按照胶凝剂与粉煤灰 1∶9 的比例配伍，配伍后复合 材料与水按照 1∶10 的比例配置， 保证材料具有良好 的流动性， 且对遗煤具有较好的包裹作用。 采用钻孔高位注浆的方法，浆液扩散半径初步 未定为 10 m，从风巷煤壁开始走向间距 20 m 左右 1 个终孔位， 终孔位置距 8煤层底板距离 6 m、 钻孔 开孔位置可在 1 个钻场内， 须保证终孔点在倾斜方 向的 1 条直线上， 根据现场考察注浆半径确定每组 钻孔终孔位置为 20 m，当工作面推进 15 m 后开始 注浆，保证浆液覆盖遗煤。灌注工艺可以采用管网 式灌注，或者单个注浆管从下往上依次灌。高位钻 孔参数见表 1。 注浆量按下式进行计算 QKjmLHC（2 ） 式中 Q 为固体浆材量， m3； m 为终孔距煤层底 板高度， 6 m； L 为灌浆区走向长度， m； C 为采空区孔 隙率， ； H 为灌浆区的倾斜长度， m； Kj为灌浆系 数，为固体浆材体积与需要灌浆的采空区空间体积 之比，影响 Kj值的因素有垮落岩石的松散系数、 跑 浆系数、 浆液收缩系数等， 一般可取 0.03～0.3。 计算结果得 Q11 232 m3。 3.5效果分析 通过采用“堵漏控风开区注氮高位注浆” 为 核心的综合防灭火技术措施， 使得 8102 工作面回采 期间采空区氧气浓度始终保持在 6以下，各地点 CO 稳定在 2010-6， 无其他标志气体， 保障了工作面 的安全回采。同时， 也为新维矿 8煤层其它工作面 编号长度/m倾角/ （ ）与巷道夹角/ （ ） 140.490 244.9826 356.3644 471.4556 588.2463 6106.0368 7124.4371 8143.0274 9161.9276 86 ChaoXing Vol.51No.3 Mar. 2020 Safety in Coal Mines 第 51 卷第 3 期 2020 年 3 月 的自然发火防治提供了借鉴。 4结论 1） 通过8102 工作面自然发火危险因素分析， 提 出工作面防灭火难点主要集中在煤质含硫高、沿空 切巷漏风大以及高位遗煤等 3 个方面。 2） 8102 工作面注氮步距为 30 m， 注氮量需保持 在 1 100 m3/h 以上； 高位注浆钻孔间距 20 m， 工作 面回采过程中总需浆量 11 232 m3。 3 ） 提出以自然发火预测预报为先导， 以堵漏控 风、开区注氮和高位注浆为核心的综合防灭火技术 措施， 大幅降低了煤层自然发火概率。 参考文献 ［1］ 王思强.节能提效推动绿色发展 ［N］ .经济日报， 2019- 02-11 （011） . ［2］ 罗海珠， 梁运涛.煤自然发火预测预报技术的现状与 展望 ［J］ .中国安全科学学报， 2003， 13 （3） 76-78. ［3］ 梁运涛， 侯贤军， 罗海珠， 等.我国煤矿火灾防治现状 及发展对策 ［J］ .煤炭科学技术， 2016， 44 （6 ） 1-6. ［4］ 李得新， 首照兵， 杨刚.川南煤田古叙矿区大村勘查区 复杂地层钻探施工技术 ［J］ .探矿工程 （岩土钻掘工 程） ， 2017， 44 （9） 44-48. ［5］ 张玉法.川南煤田古叙矿区岔角滩井田煤储层特征评 价 ［C］ //第七届全国煤炭工业生产一线青年技术创新 文集.北京 中国煤炭学会， 201210. ［6］ 戴敬儒， 吴永贵.川南煤田象顶井田瓦斯赋存特征及 影响因素 ［J］ .中国煤炭地质， 2010， 22 （12） 18-23. ［7］ 朱志敏， 陈岑， 尹中山.川南煤田晚二叠世含煤系统分 析 ［J］ .煤炭科学技术， 2010， 38 （7） 104-108. ［8］ 张玉明， 袁修竹.近距离复杂地质构造煤层综采面防 灭火技术研究 ［J］ .煤炭技术， 2012， 31 （12） 68-69. ［9］ 陈晓坤， 杨庆威， 屈利伟， 等.白皎矿 2024 复采工作面 综合防灭火技术实践 ［J］ .煤矿安全， 2012， 43 （12） 133-135. ［10］ 贾松磊.白皎矿近距离煤层群开采煤层自燃火灾防 治技术研究 ［D］ .西安 西安科技大学， 2010. ［11］ 肖旸， 徐精彩， 李树刚， 等.近距离煤层采空区自然发 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