易自燃突出煤层的无煤柱开采技术应用研究.pdf

2020年第9期西部探矿工程 * 收稿日期 2019-11-20修回日期 2019-11-21 作者简介 董跃鹏 （1991-） ， 男 （汉族） ， 山西临汾人， 助理工程师， 现从事煤矿开采技术工作。 易自燃突出煤层的无煤柱开采技术应用研究 董跃鹏* （山西煤炭运销集团金塬达煤业有限公司， 山西 临汾 041000） 摘要 为安全高效地开采易自燃突出煤层， 介绍了易自燃突出煤层的特点， 分析了易自燃原因， 探 究了造成其难开采的主要原因， 并提出了一种无煤柱开采技术， 具体介绍了该技术的使用原理与适 用的煤层条件， 分析了无煤柱开采技术主要应用难点， 并提出了一系列解决采空区易自燃发火的对 策， 以期有助于安全高效地开采易自燃突出煤层。 关键词 突出煤层； 自燃； 特点； 无煤柱开采； 应用 中图分类号 P61 文献标识码 B 文章编号 1004-5716202009-0157-03 煤炭开采工作具有较大的难度和危险性， 尤其是 极易发生自燃现象的煤层， 由于发生自燃的可能性较 大， 在矿井中对火灾进行处理及控制的难度过大， 会威 胁到工作人员的安全。无煤柱技术可以转变传统的巷 道维护方法， 清除掉工作面中的区段煤柱， 在开采的过 程中存在较多的优势， 确保煤炭资源开采的合理性， 优 化巷道的维护工作， 降低掘进量， 以提升煤矿生产的稳 定性及有效性。因此， 通过对该技术在开采过程中的 实际应用进行研究， 深入探索其核心部分， 并积极克 服， 以期提高煤矿生产的安全性。 1煤层使用条件及特点 无煤柱开采工艺可以应用于薄、 中厚的煤层中， 顶 板围岩大多具备一定的稳定性， 单一煤层的开采， 作业 面的走向长度维持在2000m之内。突出煤层有着复杂 的构造， 大量的瓦斯聚集其中， 并且瓦斯的压力过大， 极易发生爆炸、 自燃等问题。目前， 针对煤层自燃问题 主要存在下列几种解释 一是空气与自由基相接触及 发生反应的结果， 煤体是一种有机物， 在粉碎之后， 分 子内部存在的自由基将会保存在碎屑的裂缝及表面 中， 在接触空气之后将会产生氧化现象， 同时放出较多 的热量， 之后新的自由基会重复这种反应， 煤炭的温度 持续上升， 直至达到火灾发生的条件； 二是与电化学存 在一定的关系， 即煤体中所具有的离子可以与空气相 互反应， 形成催化剂， 生成具有化学性质的物质， 并快 速自燃。而这类火灾的特点是难以发现， 着火点过于 隐秘， 并且大多处于高处， 分布较为分散， 并且因某些 区域不具备较好的透风性， 热量无法发散， 温度迅速上 升， 氧化速度加快， 导致火灾迅速扩大。 2影响因素分析 2.1漏风 由于这种技术可以将区段内部配置的护巷煤柱进 行有效的清除， 巷道内部存在较好的状况， 但是采空区 具有较好的空洞性， 极易发生漏风现象。而空气流通 可以为煤炭发生自燃现象提供充足的条件， 极大提升 了着火的风险性， 矿井处于封闭状态， 一旦发生火灾， 将无法及时采取措施来加以控制， 随着火势的不断扩 大， 必将对矿井的安全造成极大威胁。 2.2着火 由于煤层具有一定的特殊性， 在某些区域内煤层 极易发生自燃现象。尽管无煤柱开采可以清除掉区段 的护巷煤柱， 极大降低了火灾的发生率， 破坏了火灾发 生的必要条件， 将隐患转移至采空区， 但是在该空间内 很难找出诱发火灾的隐患， 也无法判断着火点所处部 位， 一旦发生火灾， 将难以及时封闭火灾发生部位， 更 加难以控制火势。 2.3推进度 推进度与漏风存在一定的关系， 推进距离不相同 时， 进风量也不相同， 如进风量正好与火灾发生的必需 条件相符时， 再由于煤层内部存在的温度较为危险。 通常来讲， 当作业面开始回采工作时， 即与煤层的顶部 相接近的位置， 与工作面相接近的煤层不具备稳定性， 且进风量较多， 但是由于顶部的透风性较高， 内部形成 157 2020年第9期西部探矿工程 的热量可以及时发散， 温度不能达到火灾的发生条件， 因此危险性相对较低； 随着作业面的不断推进， 煤层逐 渐压实， 进风量与透风性逐渐降低， 热量发散速度较 慢， 极有可能满足火灾发生的条件， 危险度较高； 再持 续深入推进的时候， 压力趋于稳定， 煤层也越来越严 实， 透风性越来越低， 进风量无法达到火灾发生的条 件， 不具备较高的危险度。沿空留巷的漏风曲线图详 见图1， 该巷道与作业面之间的距离越大， 其漏风量与 瓦斯漏出量不断降低。 2.4各因素间关系 漏风的程度与风压及推进距离存在着密切的联 系， 因此必须对三者之间存在的关系进行深入研究， 充 分掌握其中规律。例如在与工作面相距不同的部位来 测量漏风的量， 并利用曲线图来阐述变化状况。在推 进的过程中， 对进风量及推进量的数据进行详细记录， 并适合调整风压， 之后利用进风量数据的记录来研究 矿井中各个区段的气体构成， 分析三者之间存在的关 系。为了对规律的准确性进行深入研究， 应当针对各 个煤层所有的条件开展试验， 积极寻找合适的关系， 为 开采工作提供正确的指引， 提高开采的安全性。沿空 留巷产生漏风的曲线图详见图1。 3技术措施 3.1利用采场规律 针对采场的风压开展有效的测算， 破坏火灾发生 的必要条件。如果要避免因漏风问题所导致的隐患， 降低火灾发生概率， 就需要对漏风问题进行严格控 制。而进风量与风阻力值及四周的压力情况存在一定 的关系， 当压力维持稳定时， 测算出风阻力值， 进风量 与该力值之间存在反比关系， 根据该规律可以有效控 制风量， 降低因漏风问题而发生火灾的概率。 3.2管理采空区 采空区是最易产生火灾的一个区域， 重视该区域 的管理工作， 扩大该区域的巡查范围， 及时找出隐患问 题， 并加以预防。在矿井开采中， 自燃火灾的检测及早 期预测是其预防及治理火灾的基础， 是矿井防火、 灭火 的核心， 只有对煤层自燃火灾进行精确、 有效的预报， 并采取有效的措施来预防火灾， 才可以避免煤矿产生 自燃事故。在预测煤层火灾的过程中， 采样监测技术 有着十分重要的作用。目前， 煤矿用来监测火灾的手 段主要有3种， 分别为安全监控系统、 人为监测和束管 采样监测。束管监测系统主要是依靠束管将井下各个 监测点中的气体通过一系列的操作汇集到指定位置， 再利用气相色谱检测设备来分析束管所采集的气体样 本， 以实时监测CO的浓度； 安全监控系统可以对矿井 中各个环境参数进行持续监测； 人工监测则需要利用 气袋定期抽取气体， 并进行有效的气象色谱分析， 以取 得气体的浓度及成分。 3.3墙体堵漏 沿空留巷的墙体进行接顶所用的材料不严密， 且 存在较大的空隙， 造成漏风问题。接顶材料的一般技 术要求为 该材料具备15MPa以上的抗压强度， 具备 2的膨胀性。接顶所用材料的强度应当小于充填墙 体的强度， 当压力过于集中的时候， 首先会对接顶材料 造成破坏， 保护墙体免于损坏。根据墙体泄露瓦斯的 部位及浓度， 预估墙体存在的裂缝主要出于墙体上方 的顶板、 喷浆的接顶等部位， 针对采空区与充填墙体所 处的位置， 采取性能较好的无机注浆材料来补漏。 3.4采空区注氮 （1） 注氮的意义 在进风侧实施注氮操作， 氮气流 将会经过采空区的深部区域， 氮气流首先会取代该工 作面向采空区形成的漏风， 并极大减小了高氧浓度的 范围， 从而对遗煤进行有效的控制。降低了因故障问 题而造成自燃的危险度。利用氮气来进行防火及灭火 工作中存在的核心问题就是当矿井处于负压的影响 下， 一旦采空区出现严重的漏风问题， 氮气就无法保 留。 （2） 具体工艺 根据采空区的方向来为进风槽设置 1条管道， 其中在切开眼部位设置第一个氮气的释放 口。当该释放口设置在采空区一段时间之后来实施注 氮操作， 同时开始第2条注氮管道的设置工作。当第2 条管口设置在采空区的一段距离之后开始注氮操作， 同时将第1条管口的注氮操作停止， 并重新设置注氮管 路， 反复进行， 直到开采完成。一旦发现管路堵塞或注 158 2020年第9期西部探矿工程 氮压力失常时， 应当立刻更换管路。处于Y形通风的 状况下， 注氮工艺如图2所示。 3.5喷撒阻化剂 大部分阻化剂都具备较强的吸水性， 当它们吸附 在极易被氧化 煤体表面时， 吸收相应的水分， 在煤体的 表面产生一种水液膜， 从而避免煤体与氧气相互接触， 达到阻绝氧化的作用， 同时水分蒸发的时候会吸收大 量的热量， 使煤体的温度降低， 从而对煤的燃烧造成抑 制， 延长煤体自燃作用； 详细流程 在工作面运输巷道 的适当部位配置两台矿车， 用来储存阻化剂， 两个交替 使用， 将工业CaCl2按照20的浓度倒进相应的矿车 中， 利用临时供水管根据一定的比例来添加清水， 充分 混合搅拌， 利用矿井中采用的液压泵将阻化液沿着顺 槽及刮板输送机电缆槽下端的高压胶管传输到工作 面， 与喷枪与胶管形成较好的连接。通过专业人员来 控制喷枪， 从支架缝隙中进行喷洒， 使其洒到采空区， 每隔5组支架应当喷洒一次， 每次至少6min。处于正 常回采的阶段， 每一班需要喷洒一次， 将其安排在检修 班组工作且放顶阶段进行， 例如遇到生产停止、 收尾等 状况时， 必须加大采空区的喷洒力度。 3.6调节风压 当压力维持稳定状态时， 矿井中存在的风量与风 阻力值呈现出反比关系， 而处于同一环境中， 在阻力值 保持不变时， 可以通过对风压进行调节来控制矿井中 的风量。根据开采工作的实际需求， 当出现较大的火 灾隐患时， 通过推进工作面的中期阶段， 风量与热量均 可以满足火灾发生的条件， 因此可以对风压及进风量 进行适当的调整， 破坏掉火灾发生的条件， 尽量避免开 采工作出现安全隐患。 4结语 （1） 采空区是火灾发生的关键区域， 因此必须及时 找出存在火灾隐患的部位， 采取有效的措施加以预 防。通过采取有效的技术来破坏掉火灾的发生条件， 在开展工作的过程中应当对风压进行及时调整， 严格 控制进风量， 避免漏风问题而造成一定的危害。 （2） 对导致采空区自燃的种种因素进行详细分析， 总结其中各个因素之间存在的关系， 并加以协调， 充分 掌握其中存在的规律， 为开采工作营造出更好的条件。 （3） 进风巷道沿着采空区来设置相应的管路进行 注氮， 定期开展预防性的注氮工作， 同时从工作面的初 采到末采的过程中必须定期采集采样点的气体进行分 析， 对采空区气体的分布规律进行研究， 及时清除隐患 问题。 参考文献 [1]刘磊.无煤柱开采技术在煤矿中的运用研究[J].当代化工研 究， 2019 （11） 22-24. 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