防止采空区自燃减漏风措施的研究与应用.pdf

收稿日期 1996-05-15 * 煤炭工业部重点项目 第21卷第6期 1996年 12月 煤 炭 学 报 JOURNAL OF CHINA COAL SOCIET Y Vol. 21 No. 6 Dec.1996 防止采空区自燃减漏风措施的研究与应用* 刘英学 唐海清 邹声华 施式亮 湘潭矿业学院 摘要 为防止采空区因漏风而导致遗煤自燃,经计算机模拟与现场实施研究, 定期在采空 区 “ U”形漏风带构筑隔漏风墙, 能明显地造成采空区内漏风量及漏风范围跳跃式骤减, 扩大不 自燃区范围, 有效地杜绝了采空区遗煤自燃与瓦斯爆炸灾害. 经六枝矿务局木岗矿两年多实施, 减少灾害经济损失300多万元. 该措施还具有施工简便、成本较低等特点, 很适合于经济较不发 达、井下条件复杂的突出易燃矿井应用. 关键词 “ U”形漏风带 采空区自燃 减漏风措施 中图分类号 TD745 贵州省六枝矿区木岗矿, 其矿井地质条件复杂, 顶板破碎易冒落, 机械化程度低, 是开采瓦斯突出、 自燃严重的煤层, 采煤工作面月进度仅为15～20m. 采煤工作面自燃发火期一般为40d 左右, 最短的仅为 17d. 矿井自1971年建井以来, 共发生自燃80起, 其中采煤工作面自燃49次, 占61. 25, 至1992年底已开 采的38个采煤工作面, 发生过自燃的采煤工作面为26个, 占68. 42 , 部分采煤工作面因自燃引起瓦斯爆 炸, 造成人员伤亡和巨大经济损失. 长期以来, 六枝矿区对采场自燃与瓦斯爆炸防治工作十分重视, 相继采用均压通风和黄泥灌浆等措 施. 但木岗矿采煤工作面瓦斯涌出量大, 均压通风措施实施极复杂. 又因六枝矿区粘土贫乏, 黄泥灌浆成 本高、 致使制浆浓度常达不到要求, 难以有效地抑制自燃. 为此, 矿井只好采用多开切眼方法, 工作面每 推一段时间, 便封闭后方采空区, 搬到前一开切眼, 同时仍坚持随采随灌. 这一方法虽取得一些效果, 但 存在3个问题 回采面频繁搬家, 贻误生产时机; 大大增加搬家费用; 大大增加可采储量损失, 缩 短采煤工作面、 矿井服务年限. 为解决这些问题, 并有效地杜绝采空区自燃及瓦斯爆炸, 我们采用综合治 理方法, 即减漏风技术措施, 成功地达到了预期效果. 1 减漏风措施的作用机理 1. 1 采空区漏风通道的分布与特点 从空气流动动力学观点[ 1]看, 回采工作面与其后的采空区是一个充满流动气体的复杂空间, 可分成两 部分一部分是切顶线前包括采煤工作面, 进、回风顺槽等用于进行生产活动的空间, 其风流是可控制 的; 另一部分是切顶线后充满填充物或陷落岩石的采空区空间, 其风流是非控制性的. 两空间紧紧相邻, 不可避免存在漏风联系, 只要采煤工作面有风流通过,采空区内陷落岩石的孔隙与裂隙中的气体就必然 处于流动状态, 但因陷落的岩石的堆积状态和压实程度不同, 形成的孔隙率及裂隙的形状、大小与连通 性各不相同 [ 2]. 在采空区内原上下顺槽及开切眼处, 放顶冒落的矸石较难充满压实, 而形成 “ U”形漏风 带, 构成采空区中部区域漏风的源汇. 根据多孔介质滤流场理论 [ 3] , 运用计算机进行模拟解算, 得出采区 漏风分布, 如图1所示. 显然, 采空区内的漏风通道的漏风量大小不一, 即可分为能自燃与不能自燃两类漏风通道. 不能自燃 漏风通道还可分为不自燃大漏风通道与不自燃小漏风通道. 图 1 采空区漏风区划分 Fig. 1 Classification of air leakage areas in the goaf 研究认为, 采空区内漏风通道按其所处部位及 漏风量大小, 可划分为“ U” 形漏风区与中部漏风区, 中部漏风沿采煤工作面推进方向又分为大、中、小 3个漏风区,见图1. 所谓大漏风区, 其漏风量大, 散热速度大于产 热速度, 区内以不自燃大漏风通道为主;中漏风区 的漏风量不大也不小,故多以能自燃的漏风通道为 主; 小漏风区漏风量微小,即以不自燃小漏风通道 为主. 在 “ U”形漏风区内, 以能自燃漏风通道为主, 区内不仅漏风量适于自燃,且持续时间较长,为中部区域漏风源汇, 故为防治采空区自燃的重要区域. 1. 2 减漏风措施的作用机理 由于采空区内的 “ U”形漏风带, 以能自燃的漏风通道为主,漏风持续时间长,不仅自身自燃危险 图 3 砌墙后采空区漏风区划分 Fig. 3 Division of air leakage areas in the goaf after building of stoppings against air leakage 性严重, 而且是采空区中部各漏风区漏风的源与汇, 直 接决定着采空区中部的漏风量与自燃分区. 可以设想 在 “ U”形漏风带进、回风侧增加风阻, 在工作面相同 的风压差条件下,漏风量必然骤减,原为自燃的漏风 通道将有相当的部分转变为不自燃漏风通道,从而大 大缩小中漏风区的易自燃范围. 经研究确定, 在 “ U” 形漏风带起始端构筑隔漏风墙,具有增阻减漏作用. 对于倾斜煤层回采工作面, 如图2所示 [ 1], 当认为 坐标 YZ 方向风压变化可忽略不计时,描述采空区内 气体流动问题的拉普拉斯方程, 可记为 2 H X 2 0 X1≤X ≤X2 , 1 H X1 H1, 2 - K h H n X X2 Q, 3 式中, H 为沿 X 方向坐标点风压, Pa; K 为采空区透 气性系数; h 为回采工作面采高, m; Q 为进风侧单位 横向宽度风量, m 3/ min. 运用计算机解算上式可知,采空区漏风影响范围 及漏风量大小与回采工作面倾斜长度成正比. 显然, 在采空区沿切顶线上、下两端构筑隔漏风墙,还具有 缩短回采工作面斜长的作用, 即可减少往采空区的漏 风量和漏风范围 图3 , 从而达到防止采空区遗煤自 631 第6期刘英学等 防止采空区自燃减漏风措施的研究与应用 燃的作用. 2 减漏风措施的现场实施与效果考察 2. 1 减漏风措施的现场实施 根据现场实际条件, 课题组设计在采空区沿切顶线下端, 构筑长8～10m, 宽1. 2～1. 5m, 高1. 6～1. 8 m 的可塑性隔漏风墙, 材料为袋装粘土和碎矸石, 墙间距为20～30m, 每次垒砌时间都力争安排在800班, 课题组成员现场指导施工. 2. 2 减漏风措施实施效果的考察 研究期先后在木岗矿对4个回采工作面实施了上述措施, 都收到很好的效果. 如1175回采工作面位于 矿井北翼, 开采的煤层瓦斯压力大,瓦斯含量高,其机巷在掘进过程中多处发生瓦斯突出, 致使巷道出 现几处大面积空顶. 回采时采煤工作面绝对瓦斯涌出量达4. 5～6. 5m 3/ min, 供风量也较大, 是该矿自燃 危险性最严重的回采工作面. 1993-09-29在回采工作面推进50m 时, 在 “ U”形漏风区进风侧砌垒了第1 道隔漏风墙, 长9m, 高1. 8m, 宽1. 3m. 为考察其作用效果, 沿采面及上、 下顺槽设置了1～5号测点, 见 图3. 并在隔漏风墙构筑前后, 分别测定瓦斯浓度、风量 Q、计算瓦斯涌出量 Qw、有效风量与漏风量, 见 表1. 表 1 考察数据统计 Table 1 Statistics of air quantity and gas emissionm3/min 测 试 日 期 1号点 Q Qw 2号点 Q Qw 3号点 Q Qw 4号点 Q Qw 5号点 Q Qw 砌 隔 漏 风 墙 前 砌 隔 漏 风 墙 后 1992-09-18 360 0. 36 310 0. 62 301 1. 92 336 3. 36 369 5. 88 1992-09-22 3660. 293120. 453041. 703433. 943786. 20 1992-09-263700. 303250. 653181. 913563. 743866. 37 1992-09-283650. 3653190. 643141. 883523. 873806. 27 1992-09-293650. 3653130. 473061. 713473. 993786. 43 1992-09-304420. 3544240. 844201. 894183. 144484. 93 1992-10-014450. 3584250. 644161. 664203. 024524. 97 1992-10-024380. 2634200. 634081. 634163. 244465. 00 1992-10-054340. 1744120. 824071. 634103. 284415. 03 1992-10-0840703960. 793941. 584023. 084144. 76 1992-10-1041204000. 723961. 504063. 254224. 94 1992-10-124140. 0414010. 803981. 594063. 254235. 08 1992-10-1441904020. 803981. 674083. 104265. 03 1992-10-1841003960. 793901. 724103. 324164. 99 从表1中不难看出, 隔漏风墙具有以下作用 1 较大幅度减少了采空区的漏风量 进风段1点与3点相比, 垒砌隔漏风墙前漏风量为51～62m3/ min, 平均为56. 5m 3/ min, 砌墙后降为13～30m3/ min, 平均为21. 5m 3/ min, 减少漏风率达61. 9 . 2 较大幅度提高了采煤工作面有效风量 进风段3点与1点有效风量比值, 垒砌墙前为83. 06～ 86. 03 , 平均为84. 55,砌墙后提高到93. 15～96. 81 , 平均为94. 98. 3 较大幅度降低了采场瓦斯涌出量 据对位于回风巷5号点测算, 砌墙前采场绝对瓦斯涌出量为 5. 88～6. 43m 3/ min, 平均为6. 16m3/ min, 砌墙后为4. 76～5. 08m3/ min, 平均为4. 92m3/ min, 平均下降 20. 2 . 632煤 炭 学 报 1996年第21卷 考察结果显示, 采用构筑可塑性隔漏风墙这种减漏风措施,对防止采空区自燃有明显的效果,同时 说明前述的计算机模拟分析理论是正确的. 此外,这种方法施工简便、成本低、深受现场欢迎. 1175回采工作面在经历379d 的回采期间,共推进292m,至1994-07-29结束, 先后共构筑7道隔漏风 墙, 一直未发生自燃事故, 安全采出煤炭78585t, 与过去同类回采工作面相比, 节省采煤工作面搬家费 5000元, 少浪费煤炭资源1万多吨, 与1990～1991年相同生产期相比, 因杜绝了自燃与瓦斯爆炸, 减少灾 害经济损失300万元,并创造该矿易燃回采工作面不发火的最长时间记录. 3 结 论 1 计算机对采空区漏风滤流场模拟结果是正确的, 采空区内漏风对自燃的影响, 可按前述4区划分 . “ U”形漏风区不仅存在, 而且持续时间长, 决定着采空区中部的漏风范围与漏风量, 是防治自燃的重 点. 2 增加 “ U” 形漏风区的风阻, 可使采空区内漏风范围及漏风量骤减, 本项目研究的减漏风措施对 此有明显的作用. 3 本措施实施时, 必须按要求定期施工, 并保证其稳固性与严密性,使每一道墙,都能促使采空 区内漏风范围与漏风量跳跃式地骤减一次, 以达到防止自燃的目的. 4 本措施既可为独立防治自燃措施, 亦可与其它措施结合使用. 有机结合,效果更佳. 5 本项目研究的减漏风措施,防治自燃机理简单, 施工方便, 成本低, 很适于经济不很发达, 煤 层条件复杂的易燃易爆矿井. 本文是湘潭矿业学院、 六枝矿务局和贵州煤炭研究所3家合作的研究成果. 在此对付出辛勤工作的全 组成员和对此项目研究给予关心、支持的各级领导和同志们表示由衷的谢意. 参 考 文 献 1 黄伯轩编著. 采场通风与防火. 北京 煤炭工业出版社, 1992 2 任德惠, 丁 琨主编. 高沼易燃煤层无煤柱开采. 北京 煤炭工业出版社, 1988 3 贝尔J著. 多孔介质流体动力学. 孙讷正译. 北京 中国建筑工业出版社, 1983 4 王省身主编. 矿井灾害防治与技术. 徐州 中国矿业学院出版社, 1986 5 陈宝明, 王补宣, 方肇洪. 多孔介质自然对流中温度梯度与浓度梯度的相互耦合. 工程热物理学报, 1995, 16 2 210 ～214 作 者 简 介 刘英学, 男, 41岁, 副教授. 1982年毕业于焦作矿业学院. 现从事通风与安全工程专业的教学与科研工作. 已获得3项 研究成果, 发表了 “ 矿井通风总风阻计算式的修正” 、“ 矿井瓦斯涌出量预测方法的研究”等论文14篇. 湖南省湘潭市湘潭 矿业学院资工系, 邮政编码 411201. 唐海清, 男, 65岁, 教授. 1953年毕业于中国矿业学院. 一直从事矿山通风与安全工程专业的教学与科研工作, 出版专 著 矿井风网动坐标解法及其应用 , 在 煤炭学报等刊物上发表论文近40篇. 湖南省湘潭市湘潭矿业学院, 邮政编码 411201. 633 第6期刘英学等 防止采空区自燃减漏风措施的研究与应用 STUDY AND APPLICATION OF MEASURES FOR PREVENTION OF SPONTANEOUS COMBUSTION OF COAL IN GOAF INDUCED BY AIR LEAKAGE Liu Yingxue T ang Haiqing Zou shenghua Shi Shiliang Xiangtan Mining Institute Abstract Based on computer simulation and site experience air stoppings were built periodically in a U shape air leakage area in the goaf to prevent spontaneous ignition of coal, which reduced remarkably the quantity and extent of air leakage in the mined out area, and the extent of non-spontaneous combus- tion area expanded, which prevented effectively the risk of spontaneous ignition and gas explosion. Appli- cation of this in Mugang Mine, Liuzhi Bureau for more than two years reduced the economic loss by over 3 million Yuan RMB. This is characterized by simple operation, low cost, etc. It is suit- able for mines in under developed area and for mines with complicated conditions and with proneness of spontaneous ignition. Keywords U shape air leakage area, spontaneous combustion in the mined out area, measure against air leakage 欢迎订阅 煤 煤 是煤炭工业部主管、 潞安矿务局主办的实用性煤炭技术类科技期刊, 面向全国发行, 是您学习、 工作的知音和朋友, 是您开启煤炭科学知识宝库的助力器. 煤常设10个栏目 特约专稿、高产高效、理论研究、问题探讨、实用技术、成果应用、国外技术、 信息窗、煤海骄子、服务卡. 煤适读范围从事煤炭生产、建设、科研、设计、制造、教学及经营管理方面的各类读者. 国际标准刊号 ISSN 1005-2798 国内统一刊号 CN14-1171/ T1 地址 山西省襄垣县潞安矿务局 电话 0355 5921859, 5922114 邮政编码 046204 定价3元/ 册,全年18元 包括邮资 邮发代号 22- 114 联系人 宋建勋 有意征订者,请来电与我刊联系, 我们将为您提供一流的服务. 634煤 炭 学 报 1996年第21卷