1604工作面煤炭自燃原因分析与控制技术研究.pdf

硕士学位论文硕士学位论文 论文题目论文题目1604 工作面煤炭自燃原因分析与控制技术研究 英文题目英文题目 The 1604 face coal spontaneous combustion reason analysis and control technology 学位类学位类别别 硕士 研 究 生 姓研 究 生 姓 名名 寇斐斐 学号学号 201102391 学科学科领域领域名称名称 矿业工程 指导教指导教师师 张金山 职称职称 教授 协助指导教协助指导教师师 吴国良 职称职称 副教授 2013 年 06 月 15 日 分类号分类号 TD752 TD752 密密 级级 公开公开 U D C 学校代码学校代码 1012710127 内蒙古科技大学硕士学位论文 - 1 - 目 录 摘 要 ........................................................................................ 错误错误未定义书签。未定义书签。 Abstract ........................................................................................... 错误错误未定义书签。未定义书签。 1 绪论 ........................................................................................................................- 1 - 1.1 问题的提出 ..................................................................................................- 1 - 1.2 煤炭自燃的国内外防治技术研究现状 ......................................................- 2 - 1.2.1 煤炭自燃学说 ....................................................................................- 3 - 1.2.2 煤炭自燃机理 ....................................................................................- 3 - 1.2.3 煤炭自燃性 ........................................................................................- 5 - 1.2.4 综放开采技术的应用现状 ................................................................- 6 - 1.2.5 采空区防灭火技术研究现状 ............................................................- 6 - 2 1604 工作面煤层自燃特性 .................................................................................- 10 - 2.11604 工作面煤层的自燃倾向性 ................................................................- 10 - 2.2 煤样自燃预测预报指标及临界值 ............................................................- 10 - 2.3 实验原理 ....................................................................................................- 14 - 2.4 煤样最短自然发火期测定 ........................................................................- 15 - 2.5 本章小结 ....................................................................................................- 17 - 3 1604 工作面自燃原因分析 .................................................................................- 19 - 3.1 工作面回采期间自然发火规律 ................................................................- 19 - 3.1.1 综放工作面的自燃特点 ..................................................................- 19 - 3.1.2 综放工作面自燃原因分析 ..............................................................- 20 - 3.1.3 煤炭的自燃危险区域判定 ..............................................................- 21 - 3.2 漏风对采空区自燃的影响 ........................................................................- 23 - 3.2.1 采空区漏风类型 ..............................................................................- 23 - 3.2.2 漏风与煤自燃的关系 ......................................................................- 24 - 3.3 1604 工作面自燃危险性分析 ...................................................................- 25 - 3.4 本章小结 ....................................................................................................- 26 - 4 采空区自然发火预测预报系统分析 ..................................................................- 27 - 4.1 束管监测系统的应用 ................................................................................- 27 - 内蒙古科技大学硕士学位论文 - 2 - 4.1.1 束管布设 ..........................................................................................- 27 - 4.1.2 束管材料计算 ..................................................................................- 29 - 4.1.3 布设和维护要求 ..............................................................................- 29 - 4.1.4 煤层自燃预测预报指标气体 ..........................................................- 30 - 4.2 CO 传感器设置 ..........................................................................................- 32 - 4.3 人工检测 ....................................................................................................- 32 - 4.4 监测预报管理 ............................................................................................- 33 - 4.5 本章小结 ....................................................................................................- 33 - 5 采空区综合防灭火技术的分析与研究 ..............................................................- 34 - 5.1 注氮防灭火技术 ........................................................................................- 34 - 5.1.1 注氮防灭火技术的机理 ..................................................................- 34 - 5.1.2 采空区注氮量计算 ..........................................................................- 35 - 5.1.3 制氮设备及输浆管路 ......................................................................- 39 - 5.1.4 注氮工艺方法和作用 ......................................................................- 41 - 5.1.5 注氮时机的控制及注氮期间的相关安全管理 ..............................- 44 - 5.2 灌浆防灭火技术 ........................................................................................- 45 - 5.2.1 注浆量计算 .....................................................................................- 45 - 5.2.2 输浆倍线 ..........................................................................................- 47 - 5.2.3 注浆材料的确定 ..............................................................................- 48 - 5.2.4 输浆管路的管径选择 ......................................................................- 49 - 5.2.5 泥浆泵的选取 ..................................................................................- 50 - 5.2.6 制浆装置 ..........................................................................................- 51 - 5.2.7 注浆工艺参数 ..................................................................................- 53 - 5.3 漏风检测 ....................................................................................................- 53 - 5.3.1 采用 SF6示踪气体检测漏风 ...........................................................- 53 - 5.3.2 用微风计检测地面漏风 ..................................................................- 57 - 5.4 工作面合理通风量的确定 ........................................................................- 57 - 5.5 正常回采期间煤层自然发火综合防治技术 ............................................- 58 - 5.5.1 采空区自燃防治技术 ......................................................................- 58 - 5.5.2 两巷自燃防治技术 ..........................................................................- 59 - 5.5.3 其它局部防治措施 ..........................................................................- 60 - 内蒙古科技大学硕士学位论文 - 3 - 5.5.4 隔绝小煤窑漏风通道及地表裂隙封堵 ..........................................- 61 - 5.6 非正常回采自然发火防治技术 ................................................................- 61 - 5.6.1 开切眼自燃防治技术 ......................................................................- 61 - 5.6.2 因故长时间停产期间防灭火技术 ..................................................- 62 - 5.6.3 停采撤架期间的防灭火技术 ..........................................................- 62 - 5.6.4 工作面封闭及其停采线防灭火 ......................................................- 64 - 5.7 本章小结 ....................................................................................................- 65 - 6 结论 .....................................................................................................................- 66 - 参考文献 .................................................................................................................- 67 - 在学研究成果 .........................................................................................................- 72 - 致 谢 .................................................................................................................- 73 - 内蒙古科技大学硕士学位论文 I 摘 要 在我国煤炭开采过程中，煤炭自燃是导致矿井火灾、制约高产高效的矿井安全生 产与发展的主要原因之一，同时也是矿井防灭火工作的治理重点。随着世界各国对综 采技术的研究及我国对综采技术的引进、应用和综采技术在我国内的迅猛发展，加剧 了煤矿开采对环境的不同程度的破坏， 也不断给我国生产煤炭过程中矿井的安全工作 提出了更新、更高的要求。 根据不同矿井的煤层赋存条件和受开采技术水平的限制及影响， 应采取相应的防 治技术措施。目前我国煤矿井下常用的防灭火技术主要有灌浆防灭火技术、惰性气 体防灭火技术（注氮防灭火技术） 、束管监测技术、阻化剂防灭火技术、均压防灭火、 凝胶防灭火技术、三相泡沫防灭火技术等。由于引起煤炭自燃火灾的发生原因是多方 面的，因此到目前为止，杜绝矿井自燃火灾的发生是十分困难的。只有加强对煤炭自 燃防治技术的综合运用，才能降低煤炭自燃对煤矿安全的威胁。 在此，本论文根据神华集团乌海能源公司公乌素煤矿 1604 工作面的实际情况， 制定了全面、系统、有效的煤炭自燃防治体系，包括煤炭自燃的预测及预防。分析了 该工作面煤的自燃氧化特性，根据 1604 工作面的地质条件及现场情况，在采空区布 设束管系统，利用束管系统分析采空区气体组份，考察采空区氧浓度随工作面推进的 变化规律，准确划分采空区自燃“三带”的范围，为矿井制定防灭火技术方案提供依 据。提出了以人工色谱分析、束管监测和煤体温度自动监测系统为主的自然发火早期 预测预报技术体系，成功地实现了 1604 工作面的早期预测预报，缩小了防灭火范围。 同时采取了以灌浆防灭火技术为主、注氮及其他想相辅助的综合防灭火技术措施，有 效地实施了对该工作面的实时监测、隐患处理、快速高效防灭火系统，减少了煤矿对 1604 工作面防灭火方面的投入。使煤矿在正常的开采过程中，能够保证矿井的安全 生产，同时，又提高了该矿的经济效益。在此的实践应用，证明了煤炭自燃的防治是 需要根据煤矿各方面的具体情况采取多种防灭火技术的及其这些技术的结合是可行 的、有效的和科学的。 关键词采空区；煤炭自燃；灌浆防灭火技术 内蒙古科技大学硕士学位论文 II Abstract Spontaneous combustion of coal in the process of coal mining in China, leading to the mine fire, the constraints yield efficient production and development of mine safety one of the main reasons is also the focus of governance of the mine fire prevention work. With the world of mechanized mining technology and our introduction of mechanized mining technology, applications and fully mechanized mining technology in the rapid development of our country, exacerbated by varying degrees of damage of coal mining on the environment, and also continue to Chinas coal production process in mine safety work of a newer and higher requirements. According to the restrictions and the impact of coal mine coal seam conditions and mining technology, appropriate control measures should be taken. Currently, Chinas coal mine commonly used anti-extinguishing technologygrouting Fire Prevention and Fire Prevention and Control Technology of inert gas nitrogen injection against fire technology, beam tube monitoring technologies Inhibitor Anti-extinguishing technology,equalizing the Fire Prevention and Control, gel anti-fire-fighting technology, three-phase bubble Fire Prevention and technologies. Caused by spontaneous combustion of coal fires occur for many reasons, so far, it is very difficult to put an end to the mine spontaneous fire occurrence.Since the cause of the fire caused by spontaneous combustion of coal is multifaceted, so its preventive and treatment be perfect, there are some technical problems. This paper based on the actual situation of the 1604 Face of the GongWuSu coal mine and Wuhai energy company and Shenhua Group developed a comprehensive, systematic and effective system of prevention of spontaneous combustion of coal, including the prediction and prevention of spontaneous combustion of coal.Analysis of spontaneous combustion of coal oxidation characteristics of the face, according to the 1604 face geological conditions and the situation at the scene, laid beam tube system in the goaf, the use of the beam pipe system analysis goaf gas components, visits goaf oxygen 内蒙古科技大学硕士学位论文 III concentration with the face advancing variation, accurate division goaf spontaneous combustion “three zones“ range, Fire Prevention and technical solutions to provide the basis to develop the mine.Put forward the based artificial chromatographic analysis, the beam tube monitoring and automatic monitoring system of coal temperature spontaneous combustion early prediction technology system to successfully implement the 1604 face early prediction narrowing the range of fire prevention and control.While taking Grouting fire prevention and Note nitrogen and other auxiliary comprehensive fire prevention and technical measures, the effective implementation of the real-time monitoring of the face, to deal with problems, fast and efficient anti-extinguishing system, reducing the coal mines of 1604working face anti-extinguishing s.The coal mines in the normal exploitation of the process, to ensure mine safety production, at the same time, improve the economic benefits of the mine.In this practical application, the prevention of spontaneous combustion of coal is needed to according to the specific circumstances of the various aspects of the coal mines, to be taken fire control techniques combination and these technologies is feasible, effective and science. Key WordsGoaf;Spontaneous combustion of coal;Grouting fire-fighting technology 内蒙古科技大学硕士学位论文 - 1 - 1 绪论绪论 1.1 问题的提出问题的提出 目前， 煤矿的煤炭自燃的频频发生已严重影响了我们国家的利益和人民的生命财 产安全， 同时进一步影响了中国煤业的发展。 中国的煤矿约 50左右有自然发火倾向， 发火期间最短的只有 20 天。 据 19531988 年的不完全统计， 每年平均发火 300 余次， 每年新冻结煤量达 20 万吨。现在仍以每年 20003000 万吨的速度增加，冻结的煤炭 资源更是不计其数，经济损失十分惨重，同时造成环境污染和破坏生态平衡，甚至直 接威胁到井下工作人员的生命安全。例如宁夏石炭井矿务局的大峰矿每年有 100 多 万吨优质煤炭被自燃燃烧掉；新疆小黄山井田由于自燃火灾已损失的煤炭储量高达 7000 万吨；而自燃范围更大的煤层自燃损失更是不可估量，其中有正在开发的神府 煤田和未查明的新疆 42 个火区等。因此，中国政府在中国 21 世纪议程中已将 煤炭自燃列为煤矿重大自然灾害之一，并对煤矿明确提出了一些具体的预防要求，以 保障其能够安全生产。可见煤炭自燃现象给煤矿行业所带来的危害、直接经济损失及 对社会带来的负面影响等都是非常大的。 随着煤矿综采放顶煤开采技术的应用，加剧了煤矿开采对环境的破坏程度。由于 综放开采技术具有高单产、高效率、巷道掘进量少及成本低的优越性，因此，此项技 术在煤业领域得到了迅速的发展，甚至在有些矿区存在“有条件要上，没有条件创造 条件也要上”的现象，但是这种开采方法对覆岩的破坏极其严重，尤其对自燃倾向性 煤层的矿井来说，更是如此。综放开采工作面两端头不放煤，致使采空区遗留煤比较 多，即采空区浮煤自然发火的危险性增大。 神华乌海能源公司公乌素煤矿 1604 工作面是在煤层具有自燃危险且矿井附近有 自然发火现象的情况下采用综放开采技术的矿井。1604 工作面地面标高1230m，井 下标高1080m，工作面距地表平均 150m。该工作面走向长度为 1768m，倾斜长度为 310m，面积 5.25 105m2，煤层厚度 8.5m。1604 工作面开采的是 16煤层，煤层结构 较复杂，煤质硬度为 1.5，煤层倾角 23 26 ，平均角度 24 ，煤层走向 N35 E，含矸 57 层，瓦斯涌出量为 1.0m3/min，煤尘具有爆炸性，爆炸指数 VDAF28.79，16煤 层属Ⅱ类自燃煤层。煤层顶板属中等稳定顶板，顶底板情况见表 1.1。1604 工作面位 于主井东部， 16煤层露头以南， 在工作面北部是小井采空区， 南部是实体煤层。 1604 工作面西部是 16煤层皮带下山，东部为井田边界线，南部是实体煤层，北部为 16 内蒙古科技大学硕士学位论文 - 2 - 煤层露头。工作面地面为比高不大的丘陵地貌，地面无任何建筑物，采用综合机械化 方式进行回采，回采过程中也不会对地面设施带来影响。 表表 1.1 煤层顶底板情况煤层顶底板情况 名称 岩石名称 厚度 特征 顶板 砂质泥岩 46m 深灰色泥岩 底顶 砂岩 35m 以灰石英为主 1604 工作面为走向长壁后退式采煤法，综合机械化放顶煤开采。机采高度 2.4m， 放顶煤高度 6.1m，采放比为 12.54，采煤机截深为 0.6m。工作面主要设备有 MGTY450/1020-3.3D 型采煤机 1 台，SGZ-960/1140 型刮板输送机 1 台。工作面共安 装205组四柱支撑掩护式低位放顶煤液压支架， ZF6800/18/35型基本液压支架197架， ZFG7200/19/36H 型过度液压支架 8 架。乳化液泵型号为 BRW500/31.5/200 型，数量 为 3 台，乳化液箱 2 台（即三泵二箱） 。 因此，本论文在认识煤炭自然发火起因和机理的基础上，结合公乌素矿区的实际 情况，通过束管监测技术在回风顺槽上帮吊挂束管监测管路，使用束管监测系统对采 空区、回风流自燃发火标志性气体进行监测。然后采用灌浆防灭火技术，在回风顺槽 布置移动设备对采空区采取预防性措施注浆， 借助浆体自身的粘性将采空区内的浮煤 和冒落岩石包裹起来，隔离了空气与煤接触的机会，防止煤炭氧化。注浆能够使采空 区四周和采空区冒落岩石形成再生整体，加强了采空区的密闭性、减小漏风。当采空 区内已出现煤自热的情况下注浆，则浆体能够冷却煤炭和围岩，从而起到冷却降温的 作用。同时，在运输顺槽下帮埋设注氮管路对采空区进行注氮。制氮机总能力为 900m3/h，氮气纯度≥97，注氮时间为每天 16 小时。通过采取对采空区进行注氮防 灭火，使采空区内的氧气含量降低并达到不再使采空区浮煤自燃的程度，达到防灭火 的目的。 1.2 煤炭自燃的国内外防治技术研究现状煤炭自燃的国内外防治技术研究现状 煤炭自燃发火机理研究的基本任务就是了解煤炭自燃、步骤、一些自发燃烧产物 及其变化、自燃的影响因素及自燃过程的特点等。 内蒙古科技大学硕士学位论文 - 3 - 1.2.1 煤炭自燃学说煤炭自燃学说 自十七世纪开始对煤炭自燃的自燃理论的研究和探索以来， 提出的主要煤炭自燃 学说有细菌导因学说、黄铁矿导因学说、酚基导因学说及煤氧的复合学说等。大多数 专家学者都一致认可煤氧的复合学说，在 20 世纪 90 年代国内外学者在此基础上，又 提出了一些更加具体的学说。 （1）自由基作用学说 1996 年李增华教授提出的自由基作用学说认为煤体受外力作用的影响产生大量 的裂隙，这些裂隙断裂了煤分子性质的分子链的共价键，从而在煤粒和煤体内部新生 裂纹表面形成了自由基，引发了煤炭的自燃。Unal 用 ESR顺磁共振技术指出煤体低 温氧化部分的自由基反应，同时测量出了煤在氧化时的自由基浓度变化量。Martin 用 XPS 和 SIMS（二级离子质谱法）研究在低温氧化过程中分布在煤体表面上的氧，并 且肯定了自由基链的反应机理。 （2）电化学作用学说 在 20 世纪 80 年代，ЛpxHM 等提出的电化学作用学说认为煤体中含有大量的变 价铁离子，组成了含有 Fe2/Fe3化合物的氧化还原体系，该体系的催化氧化作用引发 煤体中的电化学反应，由此产生的链根具有较强的化学活性，从而加速了煤体自动氧 化，并且很大程度地降低了煤体氧化时间，以至于引发煤的自燃。 （3）氢原子作用学说 Lopez.D.在 1998 年提出的氢原子作用学说中讲述了由于煤体中氢原子主要分子 基团间的剧烈运动，使煤体在低温氧化过程中增强了各基团的煤炭氧化活性，从而促 进了煤炭的自燃。 （4）基团作用理论 基团作用理论于 20 世纪 90 年代末期由 Wang H.H 等人提出，这项理论是利用孔 模型的原理模拟了煤体间孔隙的树状结构， 所有有效孔所组成的树状结构达到煤粒表 面，使煤体中各基团充分氧化，引发煤炭自燃。 1.2.2 煤炭自燃机理煤炭自燃机理 国内外专家学者对煤炭自燃机理从不同角度以及采用不同的方式进行了研究， 并 在近些年对煤炭自燃机理有了新的发现。 这里从以下的五个角度来对煤炭自燃机理进