采空区高位钻孔瓦斯抽放与防灭火的一体化应用.pdf

采空区高位钻孔瓦斯抽放与防灭火的一体化应用 马 伟,杨胜强,郑万成,徐 全,张园园 中国矿业大学,江苏 徐州221008 摘 要通过对采空区瓦斯赋存分布和涌出机理研究,结合工作面顶板岩性,合理布置顶板走向高位钻孔,使高位 钻孔起到同孔多用,即瓦斯抽放孔兼作灌浆孔,通过钻孔向采空区灌浆,达到采空区防灭火的目的。 关键词高位钻孔;瓦斯防治;防灭火 中图分类号TD712; TD75 文献标识码A 文章编号1008 - 8725200910 - 0069 - 02 Integrative Applications of High Level Boreholes for G as Drainage and Fire Prevention and Extinguishing in Goaf MA wei , YAND Sheng - qiang , ZHENG Wan - cheng , XU Quan , ZHANG Yuan - yuan China University of Mining and Technology , Xuzhou 221008 , China Abstract Through research on gas distribution and emission mechanism in goaf , combining with the character2 istic of roof at face , we can arrange high level boreholes rationally , use them for gas drainage and pouring , achieve the purpose of fire prevention and extinguishing in goaf through boreholes1 Key wordshigh level boreholes; gas prevention; fire prevention and extinguishing 0 前言 煤层中的瓦斯有游离和吸附2种状态,在非采动影响区 两者保持动态情况下的平衡。在受采动影响时,煤层中原始 裂隙扩张,煤体结构遭到破坏,瓦斯赋存状态将发生急剧变 化,煤层透气性成指数倍增加[1]。在风流由进风巷进入采场 时,其中有一部分风流将会漏入采空区中,而作为工作面的 漏风汇的上隅角则成为采空区瓦斯涌入工作面的必经之路。 所以,漏风流把采空区中的瓦斯从上隅角带出,又由于上隅 角处的风速很低,所以造成上隅角瓦斯严重超限。同时,采 空区来自各处的瓦斯通过漏风、 浓度扩散和压力扩散,使上 隅角瓦斯体积分数急剧升高,上隅角煤炭氧化发热,这使得 工作面有较严重的自燃发火倾向。 抽放采空区瓦斯以前有安装抽排风机抽排和地面钻孔 抽排2种方式,但风机抽排受瓦斯体积分数限制,并且高负 压抽排对采空区影响较大。由于地面钻孔成本高,并且抽放 时间短,因此靠此方法不能满足工作面治理瓦斯需求,而且 对防灭火十分不利。高位钻孔瓦斯抽放是瓦斯抽放最有效 的途径。其抽放的关键是选择最佳的布孔层位和钻孔与回 风巷之间的平距。通过 “三带” 分析,将高位钻孔布置在工作 面上隅角顶板上部的裂隙带内,以期获得最佳抽放效果。同 时,针对采煤工作面推进时工作面及采空区的种种自燃发火 迹象,可以利用顶板高位钻孔向采空区灌浆防灭火,即使高 位钻孔可以同孔多用,兼顾瓦斯抽放与防灭火。 小径集为4组,所以进风段火灾事故的可能途径有40条,而 预防途径仅有4条,说明发生外因火灾的危险度较大。 从结构重要度看,x24的结构度最大,其次是x1和x2,再 者是x3,x4⋯x21,最后是x22和x23。各基本事件在系统中的 结构重要度不同,它们对顶上事件发生的影响就不同。因 此,可根据各基本事件结构重要度和客观实际情况,制定合 理的预防措施。 根据最小径集的定义,要避免进风段火灾事故的发生, 可考虑以下4个方案 1杜绝P1的发生。要使P1不发生,则需使x1和x2 都不发生。 2杜绝P3的发生。要使P3不发生,则需使P3中的 20个基本事件都不发生。 3杜绝P4的发生。 4杜绝P2的发生。P2 {x24} ,其结构重要度在系统 中占据首位,若它不发生,则顶上事件不发生。 在上述四个方案中应该选择最有利的方案。一般以消 除最少事件最小径集中的基本事件最为有利。 4 结束语 结合发耳煤矿的具体情况,综合考虑了引起该煤矿瓦斯 爆炸事故的主要基本事件和导致外因火灾事故的基本事件, 分别建立了瓦斯爆炸事故树模型和外因火灾事故树模型,分 别求解了最小割集和最小径集,找到了导致事故发生的可能 组合,并探讨了防止事故发生的途径。通过对基本事件的重 要度分析,确定了影响事故树顶上事件发生的主要原因,并 根据评价结果,提出了降低瓦斯爆炸和外因火灾事故的改进 措施。 参考文献 [1] 冯治斌.煤矿安全评价方法[J ].中州煤炭,2003 ,3 . 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[4] 陈必胜,刘文剑.基于事故树分析FTA的井下伤亡事故的控制 [J ].西部探矿工程,2005 ,2 . 责任编辑 王凤英 收稿日期2009 - 04 - 08;修订日期2009 - 07 - 14 作者简介马伟1984 - ,男,宁夏石嘴山人,现为中国矿业大学在读硕士研究生,主要进行瓦斯、 火灾等方面的研究,E - mail safety07 - ma 1261com。 第28卷第10期 2009年10月 煤 炭 技 术 Coal Technology Vol128 ,No110 Oct. ,2009 1 高位钻孔抽放瓦斯原理 煤层开产后,在上覆岩层中形成两类裂隙一类是离层 裂隙,是指随岩层下沉在不同岩性地层之间出现的沿层裂 隙,它是由于各个岩层之间的不同岩性、 厚度所导致的岩层 之间下沉不同步而造成的;另一类是竖向破断裂隙,是指随 岩层下沉破断形成的穿层裂隙,它是由于岩层受拉剪作用超 过其强度造成的。与此同时,在采空区上覆岩层由下向上依 次存在冒落带、 裂隙带、 弯曲下沉带。其中,冒落带破断裂隙 非常发育,在工作面推过后,冒落带内岩块破断后呈不规则 垮落。裂隙带上部以离层裂隙发育为主,下部则以破断裂隙 发育为主,而弯曲下沉带裂隙不发育[2]。当采空区顶板充分 垮落后,采空区中部岩层和下方的矸石紧密接触,从而使得 采空区中部顶板岩层裂隙被压实,而采空区四周由于煤壁的 支撑作用以及各岩层断块长度的不同,使得上下位岩层的离 层仍能在一定程度保留,这样在采空区中部的裂隙被压实, 而四周关键层下部形成一个横向连通的采动裂隙发育区,称 之为 “O” 型圈[3]。这一区域成为瓦斯运移的主要通道,也是 瓦斯积聚的主要场所。 在通风负压的作用和大气压力变化情况下,存储的瓦斯 就可能会通过密闭墙或煤柱裂隙进入采区或矿井巷道中,增 加通风负担和不安全因素;所以对于采空区瓦斯的抽放是十 分必要的。高位钻孔正是利用瓦斯这一运移规律,通过在回 风巷内布置钻场,向煤层顶板施工打钻,把高位钻孔布置在 “O” 形圈内,由于 “O” 形圈的长期稳定存在,以工作面回采时 采动压力形成的顶板裂隙作为通道,能够有效抽出瓦斯邻近 层以及工作面煤壁释放的瓦斯[4]。 2 高位钻孔灌浆防灭火原理 随着采煤工作的进行,矿压作用及煤体自重使煤体碎 裂,裂隙发育。由于抽放负压的影响,从工作面上隅角前部 至上隅角之间内部形成了大量供氧通道漏风风流 , 使煤的 氧化加剧,而掘进工作面供风量有限。在对采空区进行抽放 瓦斯的过程中,巷道煤体低温氧化产生的大量热量不能及时 散发,热量积聚又加速煤的氧化进程,如此恶性循环将最终 导致采空区自燃发火的倾向严重。 由于采动压力产生的冒落,如不及时采取措施,采空区 通风供氧将会最终导致上隅角处煤炭逐渐氧化自燃。为解 决此类不利情况,在抽放瓦斯之后,可以利用高位钻孔来进 行灌浆,进行防灭火工作,如图1所示[5]。 图1 利用高位钻孔灌浆防灭火 由于顶板走向高位钻孔在采空区上方,使泥浆、 阻化剂、 粉煤灰,通过钻孔居高临下渗透到采空区浮煤内,将残留的 碎煤包裹起来,隔绝它与空气的接触,停止进一步的氧化发 热,对于已经自热的煤炭有明显的冷却散热作用。通过高位 钻孔注浆,在工作面与采空区间形成隔离带,截住火头,以减 少采空区后部可燃气体向工作面的流入,将有效确保工作面 正常生产。所以,根据上隅角附近的裂隙分布规律及应力分 布规律布置的高位钻孔,不仅可以有效抽放瓦斯,还可以达 到有效的防灭火作用。 3 现场应用 以某矿N1403工作面为例,该工作面埋深地表下480～ 540 m,开采4 - 2层煤,煤层倾角为4～6,煤层厚度2 m,走 向长度932 m,倾斜长度180 m。直接顶为砂质泥岩,基本顶 为细、 中砂岩;直接底为泥岩或砂质泥岩;工作面绝对瓦斯涌 出量高达6～11 m3Πmin ,瓦斯压力达到218 MPa。经过实际考 察决定在距离工作面30～60 m的范围布置高位钻孔,利用裂 隙作为通道使抽放负压加速瓦斯解吸。解吸瓦斯又通过煤 壁裂隙和顶板裂隙流入终孔位置位于 “O” 型圈的高位抽放钻 孔,合理有效抽放瓦斯。 随着4 - 2煤层工作面的推进,煤层瓦斯压力开始逐渐 下降。根据实测,在距测压孔44 m处瓦斯压力降为119 MPa ,在距测压孔20 m处压力降为013 MPa。采用顶板高位 钻孔抽放后回风瓦斯体积分数降到0145 左右。 但在开采后不久,回风流氧气体积分数降低,抽放管路 发现CO ,随后在工作面也发现CO体积分数超标,回风CO体 积分数达到41610 - 5 。针对此种情况,利用顶板走向高位 钻孔,即原瓦斯抽放钻孔向采空区内灌浆410 m3,粉煤灰10 m3,有效控制了采空区后部CO向工作面的涌入量,有效抑制 并逐渐控制了自燃灾情,保证了生产工作的正常进行。 4 工程应用中应注意的问题 1根据不同的顶板岩性,预先做好 “三带” 分析,尤其是 裂隙带的分布高度范围,确定 “O” 型圈位置,调整好抽放钻孔 的深度与角度。对钻孔及钻场的封闭要严密,否则会因漏气 降低瓦斯抽采体积分数和因漏风引起自燃发火。 2同一钻场内布置钻孔不宜过多,各个钻孔间距3 m 以上,在平面空间关系上不可交叉。 3封孔采用聚胺脂封孔或水泥封孔。顶板高位钻孔一 般采用水泥封孔,有困难时用聚胺脂封孔。为防止垮孔、 堵 孔,影响抽放效果,顶板孔及边孔内均采用铁套管固孔,以提 高钻孔的密封性,每个钻孔施工完成后立即进行封孔。 4在钻场交替期间,工作面瓦斯涌出量会比平时大,要 加强此期间现场瓦斯检查工作。 5灌浆前应该保证钻孔畅通,可试灌入清水,待钻孔进 水畅通后,且工作面无渗水现象,方可灌浆[6]。 6一般情况下,工作面放完煤后方可灌浆。灌浆前工 作面需加强支护,不许平行作业。每次灌浆量根据具体情况 而定。 7工作面及下隅角有渗水迹象时立即停止灌浆,设专 人进行监控。 5 结论 1相对于巷道抽放来说,高位钻孔可以避免掘进1条 巷道,大大减少了劳动量,同时缩短了工作面接替时间,加快 了回采工作面投产进度,提高了矿井经济效益。 2高位钻孔抽采瓦斯可降低矿井采煤工作面瓦斯涌 出量和回采空间的瓦斯体积分数;同时降低煤层中瓦斯压力 和瓦斯含量,防治煤与瓦斯突出;在适宜条件下可变害为利, 抽出瓦斯可作为优质能源充分利用,并可减少瓦斯对空气的 污染,保护环境。 3利用高位钻孔进行灌浆防灭火,不仅可以降温、 堵漏 风,而且成本较低,操作方便灵活,工程量小,见效快,其工程 效果较为明显。 参考文献 [1] 俞启香.矿井瓦斯防治[M].徐州中国矿业大学出版社,1992. 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