白皎矿近距离煤层群开采煤层自燃火灾防治技术研究.pdf

西安科技大学 硕士学位论文 白皎矿近距离煤层群开采煤层自燃火灾防治技术研究 姓名贾松磊 申请学位级别硕士 专业安全技术及工程 指导教师邓军 论文题目白皎矿近距离煤层群开采煤层自燃火灾防治技术研究 专业安全技术及工程 硕 士 生贾松磊（签名） 指导教师邓军（签名） 摘要 近年来，随着国民经济的发展，我国煤炭的生产量与消费量节节攀升，目前我国已 经成为世界上最大的煤炭生产国和消费国，但是煤矿安全问题也变得日益严重，火灾已 经成为矿井的主要自然灾害之一。芙蓉矿区白皎煤矿属近距离煤层群开采，在开采过程 中，各层煤之间可能存在漏风，导致煤层自燃更加严重，自燃规律更加复杂，治理难度 加大。 首先，根据近距离煤层群自然发火的一般特点，并结合白皎矿的矿井地质及开采条 件，分析白皎矿近距离煤层群自然发火的特点；其次，利用 XKIII 型煤自然发火实验台 对矿区煤样进行“煤自然发火实验”研究，测试出煤层在近似现场条件下自燃的升温速 度、耗氧速率、CO、CO2产生率、放热强度、特征温度、自然发火期等自燃特征参数， 建立了煤自然发火预报指标气体体系；然后，结合白皎矿实际开采条件和开采工艺等技 术参数，分析总结出了矿井煤层自然发火的重点地带，得出了 2283 工作面采空区浮煤 厚度分布、氧浓度分布以及漏风强度分布，并根据以上参数对 2283 工作面采空区自燃 “三带”进行划分，确定工作面最小安全推进速度，同时结合工作面实际推进度确定采 空区自燃危险区域； 最后， 通过 2283 工作面的安全回采和 2254 工作面火区的成功治理， 证明了高分子胶体和粉煤灰复合胶体在防治近距离煤层群开采煤层自燃火灾方面的有 效性。 本次研究得出的结论，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 词煤层自燃；近距离煤层群；采空区；复合胶体 研究类型应用研究 SubjectSubjectSubjectSubjectResearchResearchResearchResearch onononon T T T Technologyechnologyechnologyechnology ofofofof P P P Preventionreventionreventionrevention andandandand G G G Governanceovernanceovernanceovernance ofofofof C C C Coaloaloaloal S S S Spontaneouspontaneouspontaneouspontaneous C C C Combustionombustionombustionombustion ofofofof C C C Closeloseloselose S S S Seameameameam ofofofof BaijiaoBaijiaoBaijiaoBaijiao CoalCoalCoalCoal MineMineMineMine SpecialtySpecialtySpecialtySpecialtySafetySafetySafetySafety TechnologyTechnologyTechnologyTechnology andandandand EngineeringEngineeringEngineeringEngineering NameNameNameName JiaJiaJiaJia Song-leiSong-leiSong-leiSong-lei（（（（SignatureSignatureSignatureSignature）））） InstructorInstructorInstructorInstructorDengDengDengDeng JunJunJunJun（（（（SignatureSignatureSignatureSignature）））） ABSTRACTABSTRACTABSTRACTABSTRACT In recent years, with the development of economy, Chinas coal production and consumption is climbing.At present, China has become the worlds largest coal producer and consumer country, but the coal mine safety problems have become increasingly serious, fire has become one of the major natural disasters. Furong Mine territory Baijiao Coal Mine,belongs to close-seam Mining,in the mining process, there may be air leakage between the layers of coal,resulting in more serious coal spontaneous combustion,morecomplex law of spontaneous combustion,more difficulties in governance. In this paper,firstly,by the use of XKIII coal spontaneous combustion device, “coal spontaneous combustion experiment” was conducted on coal seam, characteristic parameters in the coal spontaneous combustion were found and analyzed;secondly,took the technic parameters,such as mine condition and mine technology ,of Baijiao into consideration,the focus area of Spontaneous Combustion in Coal Mine were analyzed and summed up,the thickness distribution of floating coal in 2283 work face gob,the oxygen concentration distribution and the intensity distribution of the degree of air leakage were concluded and summed up,and 2283 Face Gob Spontaneous Combustion “three zones“ were divided to determine the minimum safe advancing speed of working face and danger zone of Gob spontaneous combustion;Finally,according to safety mining of 2283 working face and successful governance of 2254 working face fire, it proved that it was effective of gel polymer and fly ash in the fight against coal spontaneous combustion of close seam. The conclusion in this study provides some reference meaning and practical value, can be applied on similar coal mines. KeyKeyKeyKey wordswordswordswords coal spontaneous combustionclose-seam groupmine-out area, composite colloid ThesisThesisThesisThesisApplied research 1 绪论 1 1 绪论 1.1 研究的背景及意义 能源资源是人类社会生存和经济社会发展的重要条件， 也是我国全面建设小康社会 重要的物质基础和保障[1]。煤炭行业是我国国民经济的支柱产业，是关系国计民生的基 础性行业，在国民经济中具有重要的战略地位。近年来，随着经济的发展，我国煤炭的 生产量与消费量节节攀升，目前我国已经成为世界上最大的煤炭生产国和消费国。结合 中国经济发展的实际情况和国际形势，国家发改委在能源发展“十一五”规划中进 一步决定和明确了“坚持节约优先、立足国内、煤为基础、多元发展”的能源方针， 提 出“2010年中国煤炭消费量占一次能源消费总量的66”[2]。但是随着煤炭开采量的逐 年增加，煤矿安全问题也变得日益严重，重特大事故时有发生，不但造成了重大的经济 损失，每年还有相当数量的矿工因此而失去生命，平均每天十余人计。煤炭自燃是我国 矿井的主要自然灾害之一，在我国国有重点煤矿中，存在煤炭自燃的矿井占矿井总数的 56％，煤炭自燃而引起的火灾占矿井火灾总数的90％以上[3]。尽管火灾问题不是造成多 数重特大事故的直接元凶，但通常是其他灾害如煤层透水、瓦斯和粉尘爆炸的诱因， 严 重威胁着井下安全生产[4]。 白皎煤矿属高瓦斯、高硫、高发火的“三高”近距离煤层群开采，极易发生煤层自 然发火， 最短发火期仅 18 天， 主采煤层为 B4、 B3、 B2煤层， B4、 B2煤厚度分别为 1.14m， B3煤层厚度为 01.2m。据统计从七十年代投产至今共发生煤层自燃火灾 117 次，平均 6.01 次/百万吨煤。 矿井现有防灭火技术还不能完全防治自然发火。注氮、均压、堵漏等技术[5]降温效 果差，不能快速灭火；同时，由于综采面发火位置通常较高，浆液易流失，导致灌浆灭 火效果也不好，且防灭火材料成本较高，工艺复杂，不能满足综采面大面积快速防灭火 和应急灭火需要。 本论文通过对矿区煤样进行 “煤自然发火实验”掌握煤层自然发火全过程中的特 征参数，并结合白皎矿实际开采条件和开采工艺等的技术参数，分析总结出了矿井煤层 自然发火的重点地带及采空区“三带”分布情况；同时，根据现场调研，确定井下防灭 火重点区域，形成了在发火重点地带针对性灌注复合胶体进行封堵、包裹隔绝的矿井自 然发火综合防治措施。 1.2 国内外研究现状 煤炭开采过程中，煤矿自燃火灾是人类今后所面临的一项重大的自然灾害。煤炭自 西安科技大学硕士学位论文 2 燃机理及其防灭火技术的研究受到人们越来越多的关注[6]。国内外对煤层自燃火灾防治 技术的研究集中体现在煤层自燃早期预测预报和自燃火灾的治理技术[7]。煤炭自燃的预 测预报是煤炭自燃的早期防治技术，属于主动防治措施 [8]。 1.2.1 煤自燃学说 煤炭自燃现象虽然从十七世纪已开始为人们所注意和研究，但是、由于煤的结构及 自燃过程的复杂，尽管很多学者进行了大量的研究工作，提出了不少假说，迄今还没有 一种学说能阐明自燃全过程本质的理论。到目前为止主要有黄铁矿导因学说、细菌导因 学说、酚基导因学说以及煤氧复合学说等[9]。其中煤氧复合学说在现在得到了大多数学 者的赞同，该学说认为煤体发生自燃主要是由煤氧复合作用并放出热量而引起的[10]， 煤 与空气接触后，首先发生煤体对氧的物理吸附，放出物理吸附热，之后，又发生煤氧化 学吸附和化学反应，并放出化学吸附热和化学反应热。煤与氧作用过程中所放出的热量 积聚起来，就改变了煤自身所处的环境条件，因此，煤的氧化放热是热量自发产生的根 源之一，也是引起煤炭自燃的根本原因之一[11,12]。进入20世纪90年代，国内外学者又提 出了一些更具体的学说 （1）李增华于1996年提出了煤自燃的自由基作用学说[13]，该学说认为煤是一种有 机大分子物质，在外力（如地应力、采煤机的切割等）作用下煤体破碎，产生大量裂隙， 必然造成煤分子的断裂[14]。分子链断裂本质就是链中共价键的断裂，从而产生大量自由 基。自由基可存在于煤粒表面，也可存在于煤体内部新生裂纹表面，为煤自然氧化创造 了条件，引发煤的自燃。Unal[15]用ESR（顺磁共振）技术测量了煤氧化过程中自由基浓 度变化后，指出煤的低温氧化至少部分是通过自由基反应机理。Mantin[16]用SIMS（次 级离子质谱）和XPS研究了在低温氧化过程中煤表面的氧分布，也支持了自由基链反应 机理。 （2）Lopez,D．等于1998年提出氢原作用学说[17]，该学说认为，煤低温氧化过程中， 由于氢原子在煤中各大分子基团间的运动，增加了煤中各基团的氧化活性，从而促进煤 的自燃。 （3）wang.H．等于1999年提出了基团作用理论[18]，该理论利用孔模型模拟了煤中 孔隙的树状结构，提出所有有效孔所构成的树状能够到达煤粒表面，使煤中各基间以及 与氧气能充分作用，从而导致煤的自燃。 （4）ДPXNM等于1990年提出了电化学作用学说[19]，该学说认为，煤中含有铁的 变价离子，组成氧化还原系Fe2/Fe3，氧化还原系Fe2/Fe3在煤的氧化反应中起催化作 用，在煤中引起电化学反应，产生具有化学活性的链根，从而极大地加快煤的自动氧化 过程，引发自燃。 1 绪论 3 1.2.2 煤自燃预测方法 目前，煤炭自燃预测预报方法主要有自燃倾向性预测法[20,21]、因素综合评判预测 法[22]、统计经验预测法、计算机数值模拟法[23]等。 （1）自燃倾向性预测法 自燃倾向性预测法主要是根据煤自燃倾向性不同，划分煤层自然发火等级，以此区 分煤层的自燃危险程度， 从而采取相应的防灭火措施[24]。 煤的自燃倾向性鉴定方法很多， 目前较为成熟的有奥氏法、着火点法、交叉点温度法、差示量热法、静态及动态吸氧法 等[25,26]。 进入20世纪90年代我国普遍采用色谱动态吸氧法测定煤的自燃倾向性。 以测定每克 干煤在常温（30℃） ，常压（1.0133104Pa）下的吸氧量为原理，并以此值作为自燃倾 向分类的主指标，更具操作性。煤的自燃倾向性等级分类如表l.1. 表表1.11.11.11.1煤的自燃倾向性等级分类表煤的自燃倾向性等级分类表 自燃倾向性等级自燃倾向性 煤的吸氧量，cm3/g干煤 褐煤、烟煤类高硫煤、无烟煤类 I容易自燃≥0.71≥1.00 II自燃0.40.70≤1.00 III不易自燃≤0.40≤0.80 大量试验证明，以煤对氧气的复合吸附作用为理论依据，用色谱法测定的吸氧量来 划分煤的自燃倾向性等级是一种符合煤自燃实际条件的划分方法， 试验结果一定程度上 客观地反映了不同煤吸氧量的差异，有实用性[27]。 （2）因素综合评判预测法 因为煤矿开采的实际情况极为复杂， 难于把影响煤层自燃危险程度的各种因素尽可 能多地加以兼顾，且各种因素存在许多不确定性，难以用经典数学的方法定量化，因此 采用对与煤自然发火相关的各种内、 外影响因素进行综合评分的方法[28]， 其指导思想是 首先对煤的自燃倾向性进行鉴定，评出其分值；然后在大量统计分析的基础上，对影响 煤自然发火危险程度的外在因素进行主观评判，给出分值；将两者综合相加就得出了相 应条件下的煤自然发火的总分值及其分类。由于问题的复杂性，人们在给外在因素进行 评分时带有一定程度的主观臆断性， 且各个采煤国家仅是根据本国自身的具体情况制定 相应的评判方法。 但该方法是一种较为全面的预测煤层自然发火危险程度的方法， 因此， 前苏联、美国、波兰等主要产煤大国都在探索研究该类方法的应用，并取得了许多积极 的效果[29]。 西安科技大学硕士学位论文 4 （3）统计经验预测法 统计经验预测法是建立在已发生自然发火事故统计资料基础上， 分析预测巷道松散 煤体实际开采条件下的自燃危险性。根据巷道自燃事故的统计资料分析，巷道自燃多发 生在冒顶区地质构造带、沿空侧、停采线附近。随着综放无煤柱技术的推广，由于沿空 巷道沿底板一次掘进，巷道服务时间长，相邻采空区留有大量浮煤，且已氧化升温， 因 此，巷道沿空侧自然发火几率较大。上述结论是基于统计资料，在分析火灾原因的基础 上获得的。这种方法只能根据巷道实际情况和自然发火统计资料，粗略判断巷道可能的 发火区域和高温点位置[30]。 （4）计算机数值模拟法 该方法主要是用在采场的煤炭自燃的预测。 首先是应该建立描述采空区风流流场和 温度场的数学模型，选择一定的计算方法，利用计算机进行数值模拟解算。主要有两种 建模方法，一种是以滤流理论、气体扩散理论、质量和能量守衡定律为基础；另一种是 以滤流理论、气体扩散理论、质量和能量守衡定律为基础的。数值分析和计算机模拟可 以融实际测定数据与理论模型于一体，也就是以实测资料为已知条件，由计算机模拟解 算，来模拟风流流场和温度场[31]。20 世纪80 年代以后，世界各国针对采空区或地面煤 堆的自燃条件，根据传热学、传质学和流体力学等理论，分析煤体温度和各种影响因素 之间的关系，建立了多种煤自然发火动态数学模型，模拟煤的自燃过程，预测采空区或 煤堆的自然发火危险性[32]。这种方法可以快速，准确地动态模拟煤炭自然过程。例如 日本利用等效暴露时间法来估计煤的放热速度， 通过对温度及氧浓度在暴露煤层的变化 过程进行数值模拟，以预测煤堆的自然发火危险程度[33]；新西兰及澳大利亚通过建立包 括Arrhenius方程在内的煤自然发火数学模型，给出了煤体输运过程中发生自然发火的 临界体积及最短自然发火期的数值[34]。 1.2.3 煤自然预报方法 现在煤自燃预报方法主要有测温法和标志气体分析法 （1）测温法 测温法是指利用温度传感器对被监测地点进行温度监测以确定煤层的自然发火危 险程度的方法[35,36]。该法可通过在钻孔内安设温度探测器，或在某些区域内布置温度探 头及其无线电发射装置， 根据测定的温度和接收到的信号变化判断煤层是否发生自然发 火[37]。预报煤自然发火的测温仪分为两类一类是温度传感器，主要有热电偶、测温电 阻、半导体测温元件、集成温度传感器，这种方法具有预测可靠、直观的优点，但是由 于点接触，预测预报范围较小，安装、维护工作量大，特别是探头、引线极易破坏。 另 一类则是红外测温仪[38]，红外线测温仪对于测量煤堆、露头、巷壁、煤柱的自燃十分有 效，但它只能探测出物体表面与仪器垂直部位的温度，而且要求中间无遮挡物，因此， 1 绪论 5 不适应于巷道松散煤体内部或相邻采空区内部的温度检测，应用受到一定限制。 （2）标志气体分析法 标志气体分析法预报技术主要利用一氧化碳、乙烯、乙炔、烯烷比等作为指标气体 预报煤自燃的发展过程。 由于煤炭在氧化自热阶段， 会分解出反映自燃征兆的气体产物， 如，CO、CO2、CmHn等[39,40]。当煤质一定时，这些气体产物和温度之间存在一定的规律， 由检测到的气体浓度可以判断煤炭自燃的危险性，对井下煤炭自燃“三带”进行划分。 标志气体分析法预报技术比较完善，相应的分析技术和监测系统都已配套，因此在煤矿 中得到了广泛的应用。但由于指标气体是煤自燃发展过程中煤温升高产生的氧化气体， 只能在煤已经自热或自燃时才能检测到，而且气体产量较少，并随着风流流动，因此， 该预报技术无法确定高温区域、自燃发展速度和趋势以及煤体可能达到的温度。 为了克服利用指标气体预报煤炭自燃中存在的问题， 可以向采空区的遗煤区添加自 燃示踪物质， 如双环戊二烯、 六氟化硫等[41]， 这些物质在煤升温过程中能产生指示气体， 因此通过检测指示气体即可评价采空区内的煤体温度[42,43]。也可以建立了研究采空区气 体流动数学模型和采空区，CO浓度分布数学模型，并联合求解，以判断CO 涌出源位置 即高温点位置，从而预报采空区自燃危险区域[44]。但这些技术目前仍处于研究阶段， 在 实际应用中还有很大困难。 1.2.4 采空区危险区域判定理论 采空区危险区域判定理论是徐精彩教授等（2001）根据大型煤自然发火实验测定的 松散煤体放热强度、耗氧速率和遗煤最短自然发火期，提出了采空区遗煤实际自燃极限 参数的计算方法。构建了煤自燃危险区域判定的必要条件。通过测定采空区氧浓度分布 状况，推断出采空区漏风强布规律。结合采空区实际的浮煤厚度和氧浓度的分布，判断 氧化升温区的宽度和范围，提出了能引起煤层自燃的最小推进速度计算方法，从而构建 自燃危险区域判定的充分条件， 推算出实际生产条件下采空区自燃危险区域的最短自然 发火期[45]。为煤自燃预测及防治提供了量化的理论依据。自燃危险区域判定理论预测结 果与实际吻合良好，解决了大量实际问题，但模型中依据氧浓度分布计算漏风强度的公 式不适于煤体不连续的煤层群，不能解决采煤工作面所在煤层的邻近煤层自燃预测问 题。以往对采空区自燃“三带”的划分主要通过向采空区预埋观测管或传感器，观测采 空区氧气及其它气体浓度分布及漏风强度来实现。在现场观测不能实现的情况下，采空 区自燃危险区域难以判定。该理论已在大同、兖州、义马等多个矿区应用，对煤自燃预 测精度能满足生产防火需要。 1.2.5 现有矿井防灭火技术及其特点 煤层自燃防治是一项复杂的系统工程， 它不仅要求矿井有合理的开拓系统和开采方 西安科技大学硕士学位论文 6 法、合理的矿井、采区和工作面通风系统，可靠的专项防治措施和管理制度，还必须掌 握相应的防灭火技术，具有完善的防灭火系统及装备[46]。 目前煤矿井下常用的防灭火技术主要有堵漏、均压、惰气、惰泡、三相泡沫、 阻 化剂、雾化阻化剂、惰化阻化剂、用水灭火、灌浆、胶体防灭火技术等[47,48]，这些技术 按其主要作用和功能可归纳为以下几类 （1）控制漏风技术 主要目的是减少或杜绝松散煤体氧气的供给。技术手段有水泥喷浆；泡沫喷涂； 纳米改性弹性体材料涂抹；均压[49]。 水泥喷浆工作量大，回弹多，抗动压性差，堵漏效果不十分理想；泡沫堵漏性能好， 抗动压性好，但其成本较高，高温时分解，释放出有害气体；纳米改性弹性体材料具有 气密性好、伸长率大等性能，可刮、涂、抹在煤岩体、木材及闭墙漏风处，操作简单， 使用方便，可根据施工需要调整固化时间，固化后表面形成弹性体。 闭区均压可减少向封闭区域内的漏风，开区均压则可降低采空区周边的压差，减少 向采空区浮煤漏风，从而降低自燃危险程度，但对于已经或曾经发生过自燃的火区， 仅 依靠均压达到完全杜绝漏风，防止自燃的目的是不现实的[50]。 （2）火区惰化技术 主要目的是降低火区氧浓度，窒息火区。技术手段有注入N2等惰性气体；惰气 泡沫；三相泡沫[51]。 惰气和泡沫可充满整个空间，既能迅速窒息明火，又能抑制煤层自燃高温火区的发 展，但对大热容的煤体降温效果不好，灭火周期长，火区易复燃，且对现场堵漏风工作 要求较高[52,53]。惰泡和三相泡沫能起到固氮、降温、减少漏风、降低采空区氧浓度、包 裹煤体等作用，但泡沫稳定时间短，在碎煤中压注，发泡性能差，起泡倍数低，若仅起 阻化剂作用，则成本太高，效率低，对已形成高温的浮煤，仅依靠惰泡隔氧灭火，需注 惰泡量很大，且易复燃[54,55]。 （3）煤体阻化技术 主要目的是 降低煤体的氧化活性， 抑制煤氧结合。 技术手段有 喷注CaCl2、 MgCl2 等一些吸水性很强的盐类；雾化阻化剂；惰化阻化剂。 当CaCl2、MgCl2的水溶液附着在煤体表面时，形成一层含水液膜，阻止煤氧接触， 同时能使煤体长期处于潮湿状态，在低温氧化时温度不易升高，从而抑制了煤的自热和 自燃[56]；阻化剂防火效果较好，但当煤中水份蒸发，减小到一定程度时，阻化作用就会 停止，转而变为催化作用，促进煤的氧化与自燃。 惰化阻化剂在煤温超过一定温度时，开始吸热气化，产生惰性阻化气体，阻碍火区 的自由基链锁反应过程，高温分解后的剩余物在煤表面生成一层薄膜，冷却后成为脆性 覆盖物， 使煤与空气隔绝；但该材料不易均匀地分散到煤体内，充分发挥其防灭火效 1 绪论 7 能，如用其水溶液注入煤体则易流失[57]。 （4）吸热降温技术 主要目的是降低高温煤体温度，彻底熄灭高温火区，防止火区复燃。技术手段有 注水；灌浆[58]；液氮[59]；液态CO2。 熄灭煤层火区的关键是降低煤温。水是最经济、来源最广泛吸热降温材料，其热容 量很大，1升水转化成蒸汽时吸收2256.7kJ热量，同时生成1.7m3水蒸汽，能很快降低煤 温，大量水蒸汽具有冲淡空气中的氧浓度、包围、隔离火源、窒息火源的作用；灌浆防 灭火技术在我国有自然发火危险的矿井中用得较普遍，泥浆能够吸热降温，对煤体还有 包裹作用，达到隔氧的目的，对于采空区的防灭火效果显著，已成为与井下内因火灾斗 争的主要措施之一。 但井下自燃火源通常处于比较高的部位， 用水或泥浆灭火时， 不能滞留在发火部位， 易形成固定的通道流动，流过发火部位后仅使煤表面温度得到降低，煤体内部温度仍然 很高；水的冲刷将煤体表面的灰分带走，又露出新的煤体表面，水的剧烈蒸发增加了煤 的孔隙率，使漏风通道更加畅通；水在600℃以上会分解成氢气和氧气，有水煤气爆炸 的危险，给井下灭火队员构成极大威胁。 （5）胶体防灭火技术 西安科技大学开发的凝胶、胶体泥浆、稠化胶体和复合胶体防灭火技术集堵漏、 降 温、阻化、固结水等性能于一体，使易于流动的水溶液在指定时间和部位发生胶凝， 包 裹高温煤体，充分发挥水的吸热降温作用，较好地解决了灌浆和注水的泄漏流失问题， 且在近1000℃的明火中不会迅速汽化，仅因水份缓慢蒸发而逐渐萎缩，灭火安全性好， 在井下湿度90，温度28℃的环境下，13个月后仍保持完好。同时，在该技术的现场使 用和推广过程中，研制开发出了井下移动式、管网式、地面移动式和多功能灌浆注胶防 灭火系统等多种应用工艺，可根据矿井实际条件进行灵活地设计与使用[60]。 1.3 本论文的研究内容 （1）根据该矿区实际条件的调查和统计分析，从近距离煤层群自燃的特点入手， 掌握白皎矿煤层自燃特点和发火规律。 （2）通过对芙蓉矿区煤样进行煤自然发火实验研究，掌握该矿煤质在自然发火全 过程中的特征参数， 特征温度及发火期， 从而为现场煤自燃预测预报系统提供指标参数。 （3）根据白皎矿采空区煤层自然发火的特点和实验测定煤自燃极限参数，以及现 场观测数据，对采空区“三带”进行划分，确定采空区遗煤的危险区域并制定合理的采 空区浮煤自燃防治措施。 （4）根据2254工作面火区发火原因，制定合理的火区治理方案并检验治理效果。 西安科技大学硕士学位论文 8 1.4 本论文的研究方法及技术路线 本论文的研究采用理论与现场实际相结合的研究方法， 对该矿开采工作面煤层自燃 的治理坚持“以防为主”的方针，通过实验测试煤自燃的参数，结合现场观测数据， 确 定实际自燃危险区域和可能的自然发火期，据此确定采取的必要防灭火技术方案，确保 该矿开采煤层的安全生产。论文研究技术路线如图 1.1 所示。 实验研究 现场观测 自 燃 发 火 期 浮 煤 厚 度 氧 浓 度 分 布 工 作 面 推 进 度 白 皎 矿 自 燃 发 火 特 点 采空区自燃危险区域判定 现场应用 采空区“三带”分布 特 征 参 数 漏 风 强 度 分 布 危 险 区 域 判 定 条 件 效果检验 技术研究 矿 井 防 灭 火 技 术 近距离煤层群综合防灭火技术 理论分析 图 1.1 本文技术路线 2 白皎矿概况及煤层自燃特点 9 2 白皎矿概况及煤层自燃特点 2.1 白皎矿矿井概况 2.1.1 位置交通 白皎煤矿位于珙县巡场镇南 5km，其地理坐标为东经 10439′52″10445′ 52″， 北纬 2822′30″ 2828′45″。 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。 井田呈南北、北西走向分布，东以洛普河（长宁河上游）为自然边界与珙县二号井田相 隔，西以 X 号勘探线与芙蓉井田毗邻，上至小煤矿开采下限，下至原技术边界（即 0 号勘探线以西至-50m 标高，0 号勘探线以东至-200m 标高），行政区划属珙县管辖。 白皎煤矿交通十分便利，宜珙铁路通过井田北缘，有专线从伍家岩站到井口。宜珙 铁路往北经内宜铁路于内江与成渝线相连。公路交通四通八达，巡场镇是矿区的交通中 心，往北可直达宜宾市，向南经珙县、往西经高县可达云南，东经兴文县、泸州市可达 贵州。 2.1.2 井田地质 （1）地形地貌 矿井及附近山势与构造方向基本一致，沿南东至北西向延伸，呈南高北低的中低山 地形，山岳海拔高度多在 1000m 以内，相对高差一般为 300500m。矿井除东端有洛普 河外，无大的水体存在。 （2）地质构造 矿井所在区域为四川盆地与云贵高原的接壤地带，山系走向与构造线方向基本一 致，大体呈东西向，地势南高北低。井田位于珙长复式背斜之次级褶曲双河背斜南翼 西端，井田内除出现局部小型波状起伏外，基本上是一缓倾斜的单斜构造，倾向一般 200230，倾角 717，由西向东逐渐增大。从勘探至生产期间，在储量计算范围内， 共揭露大小断层 780 条，总长度 89073m。 井田能利用的 45 个钻孔中，有 12 个钻孔见有断层，占 27％。在勘探、基建及生产 中，共发现落差大于 0.7m 的断层 197 条。其中正断层 142 条，占 73％；逆断层 54 条， 占 27％。落差大于 30 米的 12 条；3050m 的 76 条；5m 以下的 109 条。对煤层有破坏 作用的 126 条。 西安科技大学硕士学位论文 10 勘探时在现生产采区（东采区、西一采区） 仅发现 3 条断层，而在开采过程中已 揭露断层 121 条。所揭露的断层落差虽小，但对薄中厚煤层的开采影响极大，不但对 工作面布置造成困难，亦造成大量的无量进尺。 （3）煤层及煤层赋存情况 白皎矿井所在区域为四川盆地与云贵高原的接壤地带，井田位于珙长复式背斜之次 级褶曲双河背斜南翼西端，井田内除出现局部小型波状起伏外，基本呈现为一缓倾 单斜构造，走向一般 200230，倾角 717，自西向东逐渐增大。井田煤层属二叠 系宣威组，煤系地层含煤 5-14 层，其中可采及局部可采煤层共三层，煤层平均可采厚 度为 4.79m。二（K3） 、四（K1）煤层为主采层；三煤层（K2）局部可采（主要集中在 井田西翼） ，煤层间距一般为 2-8m，系近距离煤层群，煤层倾角 717。矿井东西走 向长 8.5 km，南北宽 2.54.4 km。井田内地质构造复杂，每平方公里断层多达 34.3 条， 生产揭露落差大于 2m 的断层已达千余条，构造致使原岩水平应力达到垂直应力的 2.8 倍。矿井主要煤层厚度、间距及顶底板岩性见表 2.1。 表表 2.12.12.12.1 主要煤层层位、厚度、顶底板岩性表主要煤层层位、厚度、顶底板岩性表 煤层 代号 厚度 （m） 倾角 （度） 间距 （m） 煤层特征顶板岩性底板岩性 一煤层 C2 东翼 0.20.6 0.3 717 7.532.0 25.5 煤层结构复杂在井田西翼分为上 下两层，夹矸厚 0.31.5 m，夹矸 多为粘土岩、泥岩。 泥质灰岩、 泥岩 粘土岩 西翼 0.31.2 0.7 二煤层 B4 0.644.2 1.37 煤层结构简单至复杂， 夹石多为粘 土岩、泥岩。 砂质泥岩、 泥质灰岩 及细砂岩 粘土岩 011.8 3.5 三煤层 B3 01.50 0.82 煤层结构简单，井田中部不可采， 为区内不稳定煤层。 砂质泥岩 粘土岩 或粉砂岩 09.2 2.5 四煤层 B2 0.644.36 2.04 煤层结构复杂，具 23 层夹矸， 夹 矸厚 0.051.10m，多为粘土岩、 炭 质泥岩。往深部厚度变大，属稳定 煤层。 细砂岩及 砂质泥岩粘土岩 4.58.5 5.5 五煤层 C1 东翼 0.30.8 0.5 煤层结构简单，井田中部不可采， 为区内稳定煤层 粉砂岩、 细 砂岩 粘土岩 西翼 0.20.5 0.3 2 白皎矿概况及煤层自燃特点 11 （4）煤质特征 白皎井田煤质为高灰、高硫、高变质无烟煤。各主采煤层工业指标见表 2.2。 表表 2.22.22.22.2主采煤层工业分析结果（平均值）主采煤层工业分析结果（平均值） 煤层Wf（）Ag（）Vr（）QcDT（MJ/kg）固定碳（） 一煤层（C2）1.6839.5214.6520.646.35 二煤层（B4）1.7930.9212.3024.160.34 三煤层（B3）1.9929.9410.4525.865.81 四煤层（B2）1.7229.9411.4525.353.03 五煤层（C1）1.8242.3011.5219.541.58 （5）周围煤矿开采情况 矿井西翼与芙蓉煤矿相邻，东翼与大田煤矿、珙泉煤矿相邻，该三矿正常生产。 另 外浅部小窑分布较多。矿井生产部有专门人员对各小窑开采情况进行调查，日常每季度 调查一次，有异常情况时与相关科室人员随时调查，防止其开采对矿井造成影响。 2.1.3 采掘布置 （1）矿井开拓、开采情况 矿井采用中央平硐（主、副平硐）加暗斜井的开拓方式。井口标高452m，主平硐 用作进风和运输；副平硐用于进风和行人。东、南、西三个风井用作回风，其中东风井 井口标高685m；南风井井口标高518.3m；西风井井口标高526m。 井田开采范围内，划分为四个开采水平，其中450m 标高以上为一水平（已开采 完毕） ；450m300m 标高为二水平（开采中） ；300m150m 标高为三水平（现未布 置） ；150m-50m 标高为四水平。三水平以下现未进行勘探布置。 矿井各水平沿煤层走向分东、西两翼，采用双翼采区前进式开采，煤层群联合布置 巷道， 井田二水平从东至西分别为25、 23、 21、 20、 22、 24采区。 采区走向长8001000m， 倾斜长6001000m。现生产采区为20区、21区、22区、24区，准备区为23区。其中20区 为残采区，2008年将全部开采结束。 各采区与水平运输大巷之间通过布置采区石门与之相连，布置各采区巷道。各采区布置 三条下山，采用“多煤层联合布置加底板抽放道”的采区巷道布置方案，确定三条下山、 底板抽放道、回采巷道的布置。该方案采用多煤层联合的开采方式，斜巷石门连接各主 采煤层 （K1、 K2、 K3） ， 三条下山均布置于四煤层底板， 距四煤层底板法线距离约 4050m， 底板抽放巷距四煤层底板法线距离 2535m。 （2）采区布置及采、掘工作面布置 矿井各水平沿煤层走向分东、西两翼，采用双翼采区前进式开采，煤层群联合布置 西安科技大学硕士学位论文 12 巷道， 井田二水平从东至西分别为 25、 23、 21、 20、 22、 24 采区。 采区走向长 8001000m， 倾斜长 6001000m。现生产采区为 20 区、21 区、22 区、24 区，准备区为 23 区。其中 20 区为残采区，2008 年将全部开采结束。 矿井共有 5 个采区生产，即 20 采区、21 采区、22 采区、23 采区、24 采区。2008 年生产原煤 55 万吨，已采完的采煤工作面有 2182-1、2182-2、2032-1、2032-3、