白皎煤矿余煤复采顶板控制及防灭火技术应用.pdf

论文题目白皎煤矿余煤复采顶板控制及防灭火技术应用 专业安全技术及工程 硕 士 生杨庆威（签名） 指导教师陈晓坤（签名） 摘要 我国煤矿安全问题日益突出，其中火灾是煤矿主要灾害之一，时刻威胁着煤矿井下 的安全生产。采空区余煤复采是指对初次开采时的采肥丢瘦或不放顶煤而遗留在采空区 内的部分资源进行的复采回收。 白皎煤矿 2024 工作面是复采工作面， 由于复采的是已经 破碎的煤体，与初次开采相比，顶板和煤体的破碎给复采过程的安全保障工作带来较大 的技术难题，顶板易冒落、难管理和巷道掘进难、维护繁重，同时受漏风的影响复采更 容易发生火灾，进而严重威胁复采的安全生产。 本文结合白皎煤矿的矿井概况以及复采自燃的一般特点，分析了白皎煤矿 2024 复 采工作面自然发火防治的重点。 以白皎煤矿 2024 复采工作面为地质原型， 开展物理相似 模拟实验， 掌握了 2024 复采工作面上覆岩层运动规律和岩层变形破坏移动规律。 结合工 作面自燃危险区域的判定理论，提高开采速度，从而有效地对煤自燃进行防治，最终确 定了对白皎煤矿 2024 复采工作面顶板进行充填威尔浮加固管理， 并且优化了顶板管理的 工艺。根据复采煤自燃的特点，采取注胶体和液态 CO2综合煤自燃防治技术方案，并且 顺利实施，完成回采。在撤架期间架后发现指标气体 CO 异常现象，又通过合理的设计 进行补注胶体和液态 CO2，使得高温区域得到有效的控制，并且对治理效果进行分析， 最后安全撤架。 本次实践研究得出的结论，具有一定的参考意义和实用价值，可在类似矿井推广使 用。 关 键 词余煤复采；相似模拟；顶板加固；液态 CO2；复合胶体；防灭火 研究类型应用研究 SubjectSubjectSubjectSubject RoofRoofRoofRoof ControlControlControlControl andandandand ApplicationApplicationApplicationApplication ofofofof ComprehensiveComprehensiveComprehensiveComprehensive TechnologyTechnologyTechnologyTechnology o o o of f f f FireFireFireFire PreventionPreventionPreventionPrevention andandandand ExtinguishingExtinguishingExtinguishingExtinguishing ofofofof ResidualResidualResidualResidual C C C Coaloaloaloal CompCompCompComp - - - -oundoundoundound MMMMiningininginingining ofofofof BaijiaoBaijiaoBaijiaoBaijiao CoalCoalCoalCoal MineMineMineMine SpecialtySpecialtySpecialtySpecialty SafetySafetySafetySafety TechnologyTechnologyTechnologyTechnology andandandand EngineeringEngineeringEngineeringEngineering NameNameNameNameYangYangYangYang Qing-weiQing-weiQing-weiQing-wei（（SignatureSignatureSignatureSignature）））） InstructorInstructorInstructorInstructorChenChenChenChen Xiao-kunXiao-kunXiao-kunXiao-kun（（SignatureSignatureSignatureSignature）））） ABSTRACTABSTRACTABSTRACTABSTRACT Chinas coal mine safety problems have become increasingly prominent, the fire is one of the main disasters in coal mines, constantly threatening the safety production in the underground coal mine. The compound mining of remaining coal in goaf refers to recovery resources left in air in the region because of mining fertilizer lose thin or not caving coal on the initial mining. Baijiao coal mine 2024 working face is compound mining face, Due to compound mining mining broken-coal，compared with the initial mining, broken of roof and coal bring to large technical problems of the security work in compound mining process, roof is easy falling and difficult to manage，and roadway is difficult diving and safeguard,and air leakage effect mining is more prone to fire, which seriously threatens the safety production of compound mining. In this paper, combined with the general situation of Baijiao coal and the general characteristics of compound mining spontaneous combustion, analysis the prevention emphasis of the Baijiao coal mine 2024 compound mining face spontaneous combustion. In Baijiao coal mine 2024 compound mining face for geological prototype, conducting the physical simulation experiment, mastered the motion law of overlying strata and mobile regularity of strata deation and destruction. Combined with the theory of decision spontaneous combustion danger region,Toimprove the speed of mining, so as to effectively prevent and cure the spontaneous combustion of coal.and ultimately determine filling WF-1 Strengthening Materials to the roof on Baijiao mine 2024 compound mining face，and control management roof, and process optimization of roof management. According to the characteristics of mining of coal spontaneous combustion， remove support with Integrated coal spontaneous combustion prevention scheme of Pressure Injection colloid and liquid CO2，and smooth implementation, complete recovery. Found content of index gases CO abnormal phenomenon during support removal of frame, and through reasonable design for Pressure injection of colloid and liquid CO2, the high temperature region can be effectively controlled, and carries on the analysis to the governance effect, finally withdrawing support. The conclusion in this study provides some reference meaning and practical value, can be applied on similar coal mines. KeyKeyKeyKey wordswordswordswords Compound mining of coal residues；Similar simulation；Reinforcing roof； Liquid CO2；Composite gel；Fire prevention and extinguishing ThesisThesisThesisThesisApplied research 目录 I 目录 1 绪论.........................................................................................................................................1 1.1 研究的背景..................................................................................................................1 1.1.1 论文背景............................................................................................................1 1.1.2 论文目的及意义...............................................................................................2 1.2 国内外研究现状..........................................................................................................3 1.2.1 煤自燃研究现状................................................................................................3 1.2.2 工作面岩层运动规律研究现状........................................................................4 1.2.3 复采工作面顶板控制技术应用现状................................................................6 1.2.4 煤自燃预报方法研究现状................................................................................6 1.2.5 防灭火技术研究现状........................................................................................7 1.3 主要研究内容............................................................................................................10 1.4 关键技术路线............................................................................................................11 2 余煤复采自然发火特点.......................................................................................................12 2.1 白皎煤矿概况.............................................................................................................12 2.1.1 2024 复采工作面概况.....................................................................................12 2.1.2 采煤工艺..........................................................................................................14 2.2 采空区余煤的成因.....................................................................................................14 2.3 复采的介绍.................................................................................................................15 2.4 复采自燃的一般特点.................................................................................................17 2.5 2024 复采工作面自然发火防治的重点....................................................................18 2.6 本章小结.....................................................................................................................19 3 2024 复采工作面岩层运动规律物理模拟研究...................................................................19 3.1 模拟实验研究的内容.................................................................................................20 3.2 相似模拟实验设计与铺装.........................................................................................20 3.2.1 相似模拟原理..................................................................................................20 3.2.2 相似模拟实验设计..........................................................................................20 3.2.3 实验装置的铺装过程......................................................................................22 3.3 相似模拟实验结果分析.............................................................................................23 3.3.1 围岩损伤与变形的声发射特征......................................................................23 3.3.2 覆岩移动特征及规律......................................................................................27 3.3.3 钻孔窥视分析..................................................................................................29 西安科技大学硕士学位论文 II 3.3.4 矿压显现特征..................................................................................................32 3.4 本章小结.....................................................................................................................34 4 余煤复采工作面顶板控制技术研究....................................................................................36 4.1 复采再生顶板分类.....................................................................................................36 4.2 余煤复采工作面顶板结构分析.................................................................................37 4.3 化学注浆加固 2024 工作面顶板技术.......................................................................37 4.3.1 加固方案的选择..............................................................................................37 4.3.2 化学注浆加固设计..........................................................................................38 4.3.3 注浆效果分析..................................................................................................41 4.4 余煤复采工作面采场顶板支护设计.........................................................................42 4.4.1 综采支架选型原则..........................................................................................42 4.4.2 支护强度计算..................................................................................................42 4.5 复合顶板管理工艺.....................................................................................................44 4.6 本章小结.....................................................................................................................45 5 余煤复采自燃综合防治技术及应用研究............................................................................47 5.1 井下移动式灌浆注胶防灭火技术和液态 CO2 灭火技术........................................47 5.1.1 胶体防灭火技术特色......................................................................................47 5.1.2 注胶系统及注胶工艺......................................................................................48 5.1.3 液态 CO2 防灭火工艺.....................................................................................50 5.2 白皎煤矿 2024 工作面综合预防煤自燃措施与应用...............................................51 5.2.1 工作面超前监测措施......................................................................................51 5.2.2 工作面防灭火技术措施..................................................................................51 5.3 停采撤架期间 CO 异常............................................................................................. 52 5.3.1 出现 CO 异常的原因.......................................................................................53 5.3.2 处理措施..........................................................................................................53 5.3.3 效果分析..........................................................................................................56 5.4 本章小结.....................................................................................................................62 6 结论.......................................................................................................................................63 6.1 主要结论.....................................................................................................................63 6.2 展望.............................................................................................................................64 致谢.......................................................................................................................................65 参考文献...................................................................................................................................66 附录.......................................................................................................................................69 1 绪论 1 1 绪论 1.1 研究的背景 我国是世界上少数几个一次性能源以煤炭为主的国家， 2012 年全国原煤产量达到了 36.5 亿吨，同比增长 3.8 [1]。煤炭作为我国的主体能源，分别占一次能源生产和消费总 量的 77和 70以上[2]。随着我国市场经济的快速发展，对煤炭的需求量以每年 23 亿 吨标准煤的速度递增，我国以煤为主要能源的生产和消费特征在今后相当长的时间内都 不会改变。我国目前煤炭剩余可采储量仅为 900 亿吨，可供开采时间不足百年[36]。然而 由于我国煤炭资源开采过程中存在着回收率低，浪费严重的问题。通过煤矿的复采，能 有效的提高煤炭回采率，是减少煤炭资源浪费的一项主要手段，也是煤炭资源可持续发 展战略思想的重要组成部分[7]。 相关资料表明，由于受到粗放型经济增长方式及煤炭行业波动等诸多因素对煤炭开 采的影响，目前我国煤矿的资源平均回收率仅为 30，不足世界先进水平的 50；乡镇 煤矿的资源回收率更低为 1015，资源浪费比较严重[8]。采空区剩余的煤炭资源主要 包括在多煤层开采过程中未开采的薄煤层； 厚煤层进行分层开采时候为护顶而留的顶煤； 中厚煤层开采过程中遗留的顶煤、底煤；考虑安全原因而预先留的采区煤柱、工作面煤 柱、井筒煤柱等；考虑经济因素而放弃开采的较低发热量、较高灰份等煤质比较差的煤 层区段[9]。此外还有构造煤柱、安全煤柱、水平煤柱等各种煤柱及由于各种灾害而封闭 的煤炭资源。对于这些余煤资源，在保障安全的条件下进行复采，能使煤炭资源的回收 率得到有效的提高，继而推动煤炭工业的可持续发展[10]。另一方面对于煤炭企业自身而 言，复采能有效的缓解矿井采掘接替，从而起到提高经济效益的目的。尤其对衰老的矿 井，能起到延长服务年限的效果[1112]。此外，余煤复采还可以有效的解决由于余煤自燃 所带来的煤矿安全及生态环境的问题 [13]。 1.1.1 论文背景 白皎煤矿隶属于四川芙蓉集团实业有限公司即芙蓉矿务局，为国有企业。矿井由 重庆煤矿设计院设计，1965 年 4 月开工建设，1970 年 7 月简易投产，设计能力为 120 万吨/年，2006 年核定生产能力为 75 万吨/年。白皎煤矿生产区属近水平极近距离薄煤层 群开采，煤层层间距一般 1～5m，所开采的煤层的发火倾向性均为容易自燃，通过煤自 燃发火试验得到白皎煤矿煤层自然发火期是 61 天[14]，该矿投产至今，井下共发火 117 次，百万吨发火率 5.7 次，自燃发火封闭工作面 34 次，封闭过程中发生瓦斯爆炸 48 次。 对于白皎煤矿，当开采 B4、B3 煤层时，由于上覆采空区浮煤再次氧化，自燃发火 西安科技大学硕士学位论文 2 危险增加，发火期更短。2024 工作面属 20 区残采工作面，相邻区域都已回采结束，工 作面在掘进时掘穿和掘过了相邻工作面采空区、 密闭、 旧巷等 （13 次过旧巷或贯通旧巷）。 且由于压力大，煤体被压碎，一方面增加了透气性，形成漏风通道，有利于工作面向相 邻区域或相邻区域向工作面的漏风，而且堵塞这些通道的难度非常大，也很难通过调整 工作面的通风压力进行平衡。由于这些通道的存在，将加剧工作面浮煤的氧化自燃，其 自然发火期必然会大大缩短， 也就是说这些浮煤是造成该面煤层自燃发火的重大危险源， 另一方面由于煤体破碎，造成顶板支护困难，从而严重影响工作面的推进速度，增加了 采空区遗煤与氧复合的时间，进而增加煤自燃的可能性。因此要做好该工作面煤自燃的 防治工作。 1.1.2 论文目的及意义 由“煤氧复合学说”可知，煤自燃最终的主要参与物是煤和氧，煤自燃是煤氧化过程 中自身加速发展的结果[15]。煤自燃过程大致可以分成为潜伏期、自热期和燃烧期三个阶 段，煤自燃过程的关键是在低温阶段，这个阶段处于潜伏期在整个自燃过程中所占的时 间最长。在低温氧化阶段煤与氧的复合作用包括煤对氧的物理吸附、化学吸附和化学反 应。煤与空气接触后先与氧气发生物理吸附作用放出物理吸附热，接着进行化学吸附和 化学反应相应的放出化学吸附热和化学反应热。如果热量不能及时的扩散出去而积聚起 来，当煤氧复合放热量大于环境散热量煤体温度会上升，待温度达到煤自燃的临界温度 时，化学反应会加速进行，从而放出更多的热量，最后达到着火点引起煤体自燃。 煤自燃过程主要是一个煤氧复合放出热量、环境散热量，在放热和散热这对矛盾中 运动发展。 它不仅与煤自身的氧化放热特性有关， 还与煤体所处环境的放热特性有关[16]。 采空区的余煤所处的环境比较特殊，如煤体破碎、空隙大、顶板易冒落、难管理和巷道 掘进困难及维护工作繁重。另外易发生自燃，采空区煤自燃具有以下三个特点第一， 由 于采空区大量遗煤的存在，煤与风流中的氧气发生氧化反应，并放出热量，在采空区风 流较小的条件下热量容易积聚，导致煤体升温，同时加热上下覆岩，导致存在高温的范 围比较广。 第二， 自燃产生的含有多种可燃气体的烟气具有和漏风风流相同的流动方向， 同时，高温存在区域的气流逆风流扩散，加之采空区漏风规律的复杂性，致使采空区高 温区域的判定极其困难。第三，采空区漏风点多、区域广、火源隐蔽，并且受工作面作 业方式的影响，现存的防灭火措施不可能完全消除采空区火灾。针对复采工作面的采空 区而言，当开启早已封闭的区域进行再次开采时，由于煤体的松散，导致大量裂隙的存 在， 致使复采工作面采空区漏风范围和漏风强度加大， 从而致使遗煤自燃的危险性提高， 给防灭火工作带来新的挑战。国内外目前针对封闭的采空区、采掘过程中的实体煤、地 质构造区域煤层露头、地面储煤堆等煤的自燃规律及防灭火理论及治理措施有较多的研 究，但是对于复采工作面再次形成的采空区遗煤自燃理论的研究及防治措施相对较少。 1 绪论 3 深入研究复采工作面采空区遗煤自燃理论及其防治措施不仅可以指导复采工作面采空区 防灭火实践，预防矿井火灾，确保生产安全，保护作业人员的人身安全，节约煤炭资源， 而且可以丰富煤自燃理论及防治措施。本文的研究实践可以对类似矿井的煤自燃防治进 行推广。 1.2 国内外研究现状 1.2.1 煤自燃研究现状 煤自燃问题虽然自 17 世纪即开始被人们所注意和研究， 但是由于煤的结构及煤自燃 的过程非常复杂，大量学者尽管进行了非常多的科学研究，并提出了很多假说，但目前 能完全阐明煤炭自燃本质的学说却还没有。到目前为止，煤炭自燃学说主要有英国人 Plolt 和 Berzelius 提出的黄铁矿导因学说、英国人 Potter,M.C.提出的细菌导因学说、前苏 联学者特龙诺夫提出的酚基导因学说和前苏联学者维索沃夫斯基提出的煤氧复合学说等 [17]。 目前，大多数学者对煤氧复合学说表示赞同，该学说认为煤与氧气发生复合作用放 出热量从而引起了煤体的自燃[18]，煤和氧气接触以后，最先发生的是煤体对氧气的物理 吸附作用并放出物理吸附热，然后，发生煤与氧的化学吸附以及化学反应，放出相应的 化学吸附热以及化学反应热。煤体与氧气复合作用放出的反应热逐渐的积聚，从而改变 煤体自身所在的外部环境条件。 因此， 煤自发产生热量的来源之一是煤氧化放出的热量， 同时煤氧化放出的热量也是引发煤自燃根本的原因之一[19]。20 世纪 90 年代以后，国内 外的学者经过研究相继提出一些更为具体的学说 11996年，李增华教授提出煤自燃的自由基反应学说[20]。该学说认为，煤是一种有 机大分子物质，在外力（采煤机的切割、地应力等）作用下煤体被破碎，从而产生大量 的裂隙，势必造成煤分子链的断裂[21]。分子链断裂的本质就是断裂分子链中的共价键， 继而产生出大量自由基。大量的自由基存在于煤体内部新生的裂隙表面或者煤粒的表面 创造了煤自燃氧化的有利条件，引发了煤体自燃。Unal[22]在运用顺磁共振（ESR）技术 对煤的自由基浓度在煤氧化过程中的变化情况进测量之后，指出部分的煤低温氧化过程 是复合自由基反应学说机理的。Martin[23]运用X射线光电子能谱分析XPS和次级离子质 谱（SIMS）研究了煤体表面在低温氧化的过程中氧的分布情况，对煤自燃的自由基反应 机理学说给予了很好的支持。 21998年，Lopez,D．等学者提出氢原作用学说[24]，该学说认为，由于氢原子在煤 的各个分子基团之间的不断运动， 提高了在煤的低温氧化的过程中各个基团的氧化活性