胡家河矿易自燃煤层开采火灾防治技术研究.pdf

分类号TD752 密 级 工 程 硕 士 学 位 论 文 胡家河矿易自燃煤层开采火灾防治技术研究 Research on Fire Prevention and Control Technology for Mining safety to Coal Seams Spontaneous Combustion in Hujiahe Coal Mine 申请人姓名 王 锋 指 导 教 师 文 虎 （校内） 原德胜 （校外） 专 业 名 称 安全工程 研 究 方 向 煤火灾害防治 西安科技大学 二〇一五年六月 万方数据 学 位 论 文 独 创 性 说 明 本人郑重声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及其取得研究成果。 尽我所知，除了文中加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人或集体已经公开发表或撰写过 的研究成果，也不包含为获得西安科技大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名 日期 万方数据 2 论文题目胡家河矿易自燃煤层开采火灾防治技术研究 工程领域安全工程 硕 士 生王 锋 签名 指导教师文 虎 签名 原德胜 签名 摘 要 胡家河煤矿开采的 4 煤层属高瓦斯易自燃煤层，矿井自然发火灾害严重。本文以胡 家河煤矿为研究对象，通过实验室实验、现场测试、理论分析和现场应用等方法步骤， 对该矿井自然发火防治进行了系统研究。采用煤自燃倾向性氧化动力学测定方法，获得 了煤自燃倾向性指数，判定 4 煤层的自燃倾向性等级为Ⅰ类，属于容易自燃煤层。通过 煤自然发火的指标气体测定，选定了 CO 作为预报煤的自燃状况的主要指标性气 体，并选用 C2H4和 C2H2作为预报煤的自燃发展状态的指标气体，为煤炭自然发火 进行早期预报。根据采空区自燃“三带”相关理论体系，利用束管监测系统和气体分 析系统，确定了采煤工作面自燃“三带”的分布范围，并结合工作面回采及顶板垮落情 况，预测了采煤工作面自燃危险区域，同时确定了最小推进速度为 4.1m/d，为工作面防 灭火管理提供了依据。根据前述基础研究成果，结合矿井实际情况，设计了采煤工作面 综合防灭火方案，提出了黄泥灌浆、注氮气、注三相泡沫、注凝胶、汽雾阻化等相结合 的综合防灭火手段，并确定了各个措施的施工条件、方案和工艺参数。通过现场实际应 用，分析研究 CO 等指标气体浓度等参数，对综合防灭火方案和措施的防灭火效果进行 了评价。 关 键 词煤层自燃；综放工作面；采空区；火灾防治 研究类型应用研究 万方数据 Subject Research on Fire Prevention and Control Technology for Mining safety to Coal Seams Spontaneous Combustion in Hujiahe Coal Mine Specialty Safety Technology and Engineering Name Wang Feng （（Signature）） Instructor Wen Hu Yuan Desheng （（Signature）） （（Signature）） ABSTRACT The 4 mining coal seams of Hujiahe Coal Mine, which have high gas content, are prone to spontaneous combustion with serious hazards. Selecting Hujiahe Coal Mine as the research object, this paper systematically researched the fire prevention and control technology by means of laboratory experiment, field test, theoretical analysis and on-site applications. With the oxidation kinetics measuring of coal spontaneous combustion tendency, the index was obtained and the 4 mining coal was classified as “type I”，which belongs to easily spontaneous combustion seam. By detecting the indicator gases of predicting coal spontaneous combustion, we choosed CO as the main indicator and C2H4-C2H2 as supplementary indicators for early forecast of the coal self-ignition. According to the relative theoretical system of the “three zones” in goaf of spontaneous combustion of coal, we determined the distribution of “three zones” in the mining working face based on the bundle tube monitoring system and gas analysis system. Combined with the practical mining in working face and the roof caving process, we also predicted the dangerous districts of the spontaneous ignition at workface and determined the minimum impel speed of working face was 4.1m/d, which provide basis for fire-prevention supervision of the mining face. According to the fundament research achievements above and combining the mine conditions, we designed comprehensive fire-prevention schemes in the coal face, and proposed s of combining injecting slurry, nitrogen, three-phase foam or silicate gel and mist retarder technology. The construction conditions, scheme and technical parameters were also determined. Through on-site practical application, we analysed parameters such as the concentrations of CO and other indicator gases, as well as uated the comprehensive fire-prevention measures and extinguishing effects 万方数据 Key words Spontaneous combustion of coal seams; Fully-mechanized caving face; Goaf Gob area; Coal fire prevention Thesis Application Reasearch 万方数据 目录 I 目 录 1 绪论 ................................................................................................................. 1 1.1 选题背景及研究意义 ................................................................................. 1 1.2 国内外研究现状 ........................................................................................ 2 1.3 论文研究内容 ............................................................................................ 4 1.4 研究方案及技术路线 ................................................................................. 4 1.4.1 研究方案 ............................................................................................. 4 1.4.2 技术路线 ............................................................................................. 4 2 矿井概况 ......................................................................................................... 6 2.1 矿井位置、范围与生产规模 ..................................................................... 6 2.2 含煤地层及煤质 ........................................................................................ 6 2.2.1 煤系地层 ............................................................................................. 6 2.2.2 可采煤层煤质及特征 ........................................................................... 7 2.3 开拓布局及采煤工作面布置 ..................................................................... 7 2.4 矿井通风与瓦斯 ........................................................................................ 8 2.4.1 矿井通风情况 ..................................................................................... 8 2.4.2 矿井瓦斯情况 ..................................................................................... 8 2.5 冲击地压情况 ............................................................................................ 8 2.6 周边小窑与历史发火情况 ......................................................................... 9 2.7 本章小结 ................................................................................................... 9 3 煤自燃基础参数测定 .................................................................................... 10 3.1 煤自燃倾向性的氧化动力学测定 ............................................................ 10 3.1.1 引用标准 ........................................................................................... 10 3.1.2 测定原理 ........................................................................................... 10 3.1.3 测定仪器 ........................................................................................... 10 3.1.4 测定步骤 ........................................................................................... 11 3.1.5 判定指标 ........................................................................................... 12 3.1.6 胡家河煤煤样测定结果 ..................................................................... 13 3.2 煤自然发火指标气体测试 ....................................................................... 13 万方数据 目录 II 3.2.1 指标气体优选原则............................................................................. 13 3.2.2 实验设备 ........................................................................................... 13 3.2.3 实验过程 ........................................................................................... 14 3.2.4 指标气体分析 .................................................................................... 14 3.2.5 实验结论........................................................................................... 18 3.3 本章小结 ................................................................................................. 19 4 工作面采空区自燃“三带”划分 ...................................................................... 20 4.1 回采工作面概况 ...................................................................................... 20 4.2 采空区“三带”划分方法 ........................................................................... 20 4.3 采空区“三带”现场测试 ........................................................................... 21 4.4 采空区“三带”划分结果 ........................................................................... 27 4.5 本章小结 ................................................................................................. 28 5 采煤工作面综合防灭火系统设计 .................................................................. 29 5.1 设计依据 ................................................................................................. 29 5.1.1 技术标准 ........................................................................................... 29 5.1.2 煤层自燃参数 .................................................................................... 29 5.1.3 工作面危险区域 ................................................................................ 29 5.2 设计思路 ................................................................................................. 30 5.3 综合防灭火系统 ...................................................................................... 30 5.3.1 黄泥灌浆系统 .................................................................................... 30 5.3.2 注氮气防灭火系统............................................................................. 31 5.3.3 三相泡沫灌注系统............................................................................. 33 5.3.4 注凝胶系统 ........................................................................................ 33 5.3.5 汽雾阻化系统 .................................................................................... 35 5.3.6 自燃预测预报系统............................................................................. 36 5.4 本章小结 ................................................................................................. 37 6 防灭火方案应用和效果分析 ......................................................................... 38 6.1 回采期间防灭火方案及应用 ................................................................... 38 6.1.1 黄泥灌浆措施 .................................................................................... 38 万方数据 目录 III 6.1.2 注氮气措施 ........................................................................................ 39 6.1.3 注三相泡沫措施 ................................................................................ 41 6.1.4 灌注凝胶措施 .................................................................................... 42 6.1.5 汽雾阻化措施 .................................................................................... 44 6.1.6 封堵漏风措施 .................................................................................... 44 6.1.7 保证推采进度措施............................................................................. 45 6.1.8 监测和检查措施 ................................................................................ 45 6.2 回撤期间防灭火方案及应用 ................................................................... 46 6.2.1 工作面支架布置概况 ......................................................................... 46 6.2.2 回撤设备和时间 ................................................................................ 47 6.2.3 末采回撤期间防灭火措施 ................................................................. 47 6.2.4 工作面封闭措施 ................................................................................ 49 6.3 综合效果分析 .......................................................................................... 49 6.4 本章小结 ................................................................................................. 50 7 结论 .............................................................................................................. 51 致 谢 ............................................................................................................... 52 参考文献 .......................................................................................................... 53 万方数据 1 绪论 1 1 绪论 1.1 选题背景及研究意义 自然发火是煤矿生产面临的主要自然灾害之一。在国有重点煤矿中，有 56的煤矿 存在自然发火情况，90～94的矿井火灾的是由煤炭自燃引起的 [1]。在我国新疆、宁夏、 内蒙等省区还存在大范围的煤田火灾，每年烧毁的煤炭量达到 1000～1360 万吨，经济 损失更是超过 200 亿元 [2,3]。煤炭自燃还产生了大量的硫化氢、二氧化硫、一氧化碳和二 氧化碳气体，对环境造成严重污染；煤田火灾还导致大面积植受到破坏，土壤沙漠化严 重。煤炭自燃的危害及其防治受到越来越多的关注。 我国 95以上的煤矿属于井工开采，在开挖巷道及工作面开采过程中，出现的冲击 地压对巷道围岩造成了不同程度的破坏 [4]。冲击地压是矿山巷道周围煤、岩体在其原始 力学平衡状态破坏时，由于变形能的突然释放，产生的一种主要特征表现为急剧、猛烈 破坏性的动力现象，严重威胁矿井安全生产 [5]。冲击地压的出现，不但造成了巷道和采 煤工作面破坏难以维护，同时也导致煤体压裂压酥，巷道出现高冒点 [6]，煤柱变得破碎 松散，出现裂隙，形成了良好的供氧和蓄热环境，在易自燃煤层条件下，极易出现自然 发火危险。 近年来，随着瓦斯抽放技术的广泛应用，有效的解决了高瓦斯矿井瓦斯涌出量大的 难题，但同时也带来了一些新的矛盾，高负压大流量的瓦斯抽放使采空区风流流场发生 变化，采空区漏风量增大，导致氧化自燃带范围变宽，自然发火危险进一步增大 [7-9]。 陕西彬长胡家河煤矿开采的 4 煤层属易自燃高瓦斯特厚煤层，煤层平均厚度 14.49m， 经鉴定煤层具有冲击地压倾向， 煤尘具有爆炸性。 4 煤层自然发火期一般为 3～ 6 个月，最短仅 20 天。矿井自生产以来，共发生比较明显的自然发火征兆 2 次，矿井受 自然发火的威胁很大。 矿井采用立井单水平开拓，由于开采的 4 煤层属特厚煤层，采取了分层开采方式， 走向长壁式采煤法、综采放顶煤工艺，全部垮落法管理顶板。回采的 401101 综放工作 面沿煤层走向布置四条巷道，分别为运输巷、回风巷、灌浆巷、泄水巷和高抽巷。工作 面走向长 1563m，倾向长 175m；高抽巷布置在煤层顶板上方的岩石中，巷道底板与工作 面顶板间距 22～27m，内错回风巷约 33m。 胡家河煤矿火、瓦斯、冲击地压等自然灾害因素相互交织影响，特别是由于采空区 瓦斯抽放和冲击地压导致的采空区漏风大、煤体压裂压酥出现裂隙等不利因素，对矿井 防灭火工作造成非常严重的影响。因此，针对胡家河煤矿的实际情况，研究适合该矿综 放工作面煤炭自燃预报预测指标体系和防灭火技术方案， 建立一套完整的综放工作面防 万方数据 西安科技大学工程硕士学位论文 2 治煤炭自燃的技术措施，对保证矿井的安全生产具有重要意义。 本课题研究拟在现有技术的基础上，从影响煤层自燃的各个因素出发，结合现有的 煤炭自燃防治技术，将各类技术措施整合成一个整体的防御与治理系统，针对具体条件 将各种单项技术有机地结合起来，形成集预测预报、防火技术和安全管理于一体的技术 体系，全面应用于综放工作面正常回采、停采回撤、封闭期间的防灭火工作中，确保胡 家河煤矿安全生产。 1.2 国内外研究现状 为了防治煤炭自燃， 人们从十七世纪开始， 便对煤自燃现象进行了大量的理论研究， 并在此基础上结合煤炭开采的过程， 研发了多种煤炭自燃防治技术。 按其防治原理划分， 主要可分为减少破碎煤体、控制风流，以及注入防灭火介质等三类技术。减少破碎煤体 主要从提高工作面回采率，优化支护工艺，减少采空区遗煤来控制自燃；控制风流主要 是通过封堵措施和均压技术降低采空区漏风量，隔绝煤自燃的氧气条件[10-20]。灌注 防灭火介质主要是通过覆盖、惰化，防治煤炭氧化，是预防和治理采空区自燃火灾最常 用和最有效的技术手段。 目前，国内外常用的防灭火技术主要有预防性灌浆技术、注惰性气体技术、喷洒阻 化剂技术等，在一些特殊条件下，也经常采用注凝胶技术、封堵漏风技术和注泡沫防灭 火技术等[21-26]。 预防性灌浆是最常用的矿井防灭火技术，适用性和实用性均较好。黄泥灌浆充分发 挥了水的降温散热作用和黄泥的覆盖隔绝氧气作用 [27]，对煤炭自然氧化的抑制效果 明显。从上世纪 50 年代开始，我国的自然发火矿井开始把采空区黄泥灌浆技术作为防 治煤炭自燃的主要技术手段，并一直沿用至今。预防性灌浆技术，简单的说就是将水和 灌浆材料（根据地域特点选取，比较常见的是黄土）按适当比例混合配制成浆液，利用 自然高差或机械动力，通过管路输送到存在自然发火可能区域，防止出现自然发火。与 其他防灭火技术相比，灌浆技术简单易行，适用性好，且成本低廉，在煤矿生产现场应 用十分普遍。但灌浆技术也存在一定的缺点，比如由于浆液良好的流动性，对俯采的工 作面和急倾斜工作面的采空区不能大面积覆盖，防灭火效果有限。 采空区注惰气技术是指将惰性气体注入需要进行防灭火处理的区域，通过惰性气体 的惰化效应来抑制煤炭氧化自燃的防灭火技术。我国从上世纪 80 年代起开始研究与推 广氮气防灭火技术。随着煤矿综采放顶煤采煤工艺的大量普及应用，采空区注氮技术作 为重要的防灭火技术在自然发火矿井中逐步得到普遍应用[28-31]。同时，人们根据二 氧化碳的惰化效应，也研究了注二氧化碳惰化采空区的技术[32-36]，并取得了成功。 注惰气防灭火技术的优点是，惰气具有良好的流动性，在采空区三维流动，能充满整个 空间，对明火火灾的扑救和煤炭氧化自燃的预防均能起到良好的效果。但惰性气体防灭 万方数据 1 绪论 3 火技术同样也存在一些不足，比如降温效果较差，灭火周期较长，火区容易复燃。 阻化剂防灭火技术主要是利用阻氧剂物质的抑制或延缓煤氧化的效应，达到预防煤 氧化自燃的技术手段。在应用过程中，将阻化剂水溶液附着于易氧化的煤炭表面，有效 惰化煤体表面的活性结构，阻止煤与氧气的接触[37-39]，从而防止煤氧化自燃。阻化 剂防灭火技术早期在波兰、前苏联、美国等国家应用较为广泛。近年来该技术在我国也 得到了较好的推广应用。 凝胶防灭火技术是近些年研发的一种新型防灭火技术。根据材质的不同，凝胶主要 分为无机凝胶和高分子凝胶两大类[40-43]。其防灭火机理是凝胶通过钻孔或煤体裂 隙注入拟处理区，其中一部分凝胶所含水分在高温下迅速汽化，迅速降低了煤体表面温 度，残余固体则形成隔离层，阻止了煤氧接触，防止煤体进一步氧化自燃；流动的部分 凝胶随着温度的升高，在煤体裂隙中形成胶体，起到包裹煤体、隔绝氧气的作用，终止 了氧化放热反应；干涸的胶体同时也降低了煤体的孔隙率，使得进入的氧气大大减少， 起到抑制高温点复燃的效果。 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。 由于单一防灭火材料和技术均存在缺点，难以充分发挥防灭火作用，人们开始研究 利用结合不同防灭火材料的优点，克服单一材料的不足，增强防灭火效果的技术。从上 世纪 80 年代起，波兰、法国、原苏联和保加利亚等国家开始研究惰气泡沫防灭火技术。 为了加强煤矿防灭火工作，我国也将注惰气泡沫防治采空区自燃研究列入“八五”科技 攻关项目，进行了深入研究，并取得了良好成果。惰气泡沫由水与惰气两相物质构成， 其制取原理是在水中加入发泡剂和其他添加剂，并通入一定压力的氮气物理发泡产生。 根据发泡倍数的大小，可以分为高、中和低倍数泡沫。虽然惰化泡沫技术与传统的惰化 防灭火技术相比优势明显，但仍然存在发泡倍数较低，稳定时间短的缺点，并没能在煤 矿得到广泛应用。 为了有效发挥现有防灭火技术的优点，同时又克服各自的不足。在 2002 年，中国 矿业大学（徐州）的通风防灭火课题组提出了三相泡沫防灭火技术[44-47]。三相泡沫 的“三相”是指固、液、气三相物质，分别为黄泥（或粉煤灰） 、水和氮气。该技术可 以同时发挥黄泥灌浆与注氮气的防灭火优点。三相泡沫的原理是采用氮气作为载体， 将黄泥或粉煤灰带到采空区高处，增加了浆体的覆盖范围，提高了防灭火效率；同时， 万方数据 西安科技大学工程硕士学位论文 4 三相泡沫堆积性和稳定性好，可以增加氮气在采空