深部开采综放工作面煤层自燃防治技术.pdf

2 0 1 0年2月 矿 业 安 全 与 环 保 第3 7卷第 1 期 深部开采综放工作面煤层 自燃防治技术 孟 现 臣 安徽金黄庄矿业公 司， 安徽 萧县 2 3 5 2 2 2 摘 要 华丰煤矿 1 4 1 0综放工作面开采的四层煤为厚煤层， 属易 自然发火煤层， 工作面上下围岩温 度 3 3 q C， 工作面回风流温度 2 8℃， 环境温度高 ， 对防火工作不利。四层煤属严重 中击地压煤层， 已多次 在工作面发生冲击地压事故， 造成停产封面。冲击地压对工作面防火有重大影响， 必须采取合理措施 ， 确定合理的技术方案， 治理 自然发火， 确保安全开采。 关键词 深部开采； 综放工作面 ； 煤层 自燃； 防治技术 中图分类号 T D 7 5 文献标志码 C 文章编号 1 0 0 8 4 4 9 5 2 0 1 0 0 1 0 0 7 2 0 3 华丰煤矿 1 4 1 0综放工作面位于井 田的中东部， 上 、 下限标高分别为 一8 4 0 ， 一9 2 0 m， 工作 面走 向长 2 1 6 0 m， 倾斜长 1 3 0 m， 煤层倾角 3 2 。 ， 煤厚 6 ． 2 m。 1 4 1 0综放工作面所属 四层煤 为易 自然发火煤层 ， 自 1 9 7 5年开采 四层煤 以来 ， 共发生 过 自然 发火事 故 3 9次 ， 历次发火事故都对矿井安全生产造成 了极大 威胁。2 0 0 4年 1 0月 ， 委托西安科技大学对四层煤样 作最短发火期鉴定 ， 采用 5 t 煤样 ， 模拟现场情况在 原始 2 5℃ 自然条件下 ， 测定出最短发火期为 4 6 d 。 1 开采过程 中存在的 问题 随采深增加 ， 矿井 内部高温及其带来的问题也 日益突出， 根据实测 ， 1 4 1 0综放工作面 回风 流温度 2 8℃ ， 围岩温度达到 3 3℃ ， 环境 温度高 ， 对 防火 工 作不利。由于矿 内环境 温度升高 ， 直接导致了煤层 自然发火期变短 ， 煤体温升速度加快 。 1 4 1 0综放工作面所属 四层煤经鉴定有严 重的 冲击倾 向性 ， 自 1 9 9 2年首次发生冲击地压 以来 ， 已 多次在四层煤工作面发生冲击地压事故 ， 造成 了较 大的经济损失 ， 严重威胁着矿井 的安全生产。在 冲 击地压的影响下 ， 采空区形成了隐蔽漏风通道 ， 煤体 松散度增加 ， 推采速度慢 ， 极易造 成煤层 自然发火。 实施卸压爆破技术治理 冲击地压 时， 会对 围岩造成 破坏 ， 致使裂隙发育 ， 破坏煤体的完整性 ， 形成破碎 、 松散煤体 ， 增加漏风通道， 易于氧化积热。为防止冲 击地压而控制工作 面推采速度时， 会使采空区浮煤 氧化时间延长 ， 延迟浮煤进入窒息区的时间， 积聚热 量形成 自燃。 收稿 日期 2 0 0 9 0 31 6 ； 2 o 0 91 21 8修 订 作者简 介 孟 现 臣 1 9 7 2 一 ， 男 ， 山东新 泰人， 助理 工程 师， 主要从事通风技术管理工作。 7 2 冲击地压与煤层 自燃 同为 1 4 1 0综放工作 面的 重大灾害， 两者的治理措施相互矛盾 ， 必须采取合理 措施 ， 研究采深大 、 倾角大、 冲击地压危害严重 、 环境 温度高 、 自然发火期短等不利条件下 的综合防火技 术 ， 确定合理的技术参数 ， 治理 自然发火 ， 确保 四层 煤的安全开采 。 2 三相泡沫技术在华丰矿的应用 三相泡沫是 由黄 泥、 N 和水三相介质组成 ， 通 过研制高效三相泡沫发泡剂和发泡装置 ， 利用矿井 已有的灌浆系统 ， 加入气源和发泡剂 ， 使泥浆发泡 ， 体积增大。三相泡沫流动性好 ， 比一般的黄泥浆和 凝胶覆盖面更广 ， 可快速 向上部堆积 ， 能将更多 的 水 、 黄泥浆带人防灭火区域。 三相泡沫灌注工艺流程如图 1所示。首先在制 浆站 中， 制成适 当浓度 的黄泥浆 ， 经过 2道注浆池 ， 自流输送到注浆管路 中， 在 1 4 1 0回风石 门内通过发 泡剂定量添加泵将发泡剂加人到注浆管路 中， 浆液 与发泡剂在管道中混合均匀后进人灌浆巷的注浆管 路， 经过装在管路中的发泡器， 在发泡器中接入 N ， N 与含有发泡剂的黄泥浆体相互作用产生出三相 泡 沫 。 ’ f 、 乜 三 至 卜 臣 奎 亘 垂 三 泡 图 1 三相 泡沫制备工艺 流程 结合工艺流程和华丰矿 1 4 1 0综放工作面 的实 际情况， 制订出灌注三相泡沫的主要技术参数 1 发泡倍数大于 3 O倍， 稳定时间大于 8 1 2 h ； 2 水土比 质量 比 为 2～ 4 1 ； 2 0 1 0年2月 矿 业安 全 与 环 保 第3 7 卷第1 期 3 耗浆量 l 0～ 2 0 m ／ h ； 4 N ， 量 3 0 0～ 6 0 0 n q ／ h ； 5 三相泡沫产生量 3 1 0～ 6 2 0 n 】 ／ h ； 6 发泡剂使用的质量分数为 0 ． 5 ％ 在 1 4 1 0综放工作面生产期间， 主要采用 了上隅 角埋管 、 消火道打钻 、 支架后面插管等工艺注三相泡 沫。在受冲击地压影响停产封闭初期 ， 大量三相泡 沫的连续灌注确保 了在封闭期间封闭区内没有出现 自燃隐患， C O体积分数稳 定在 1 ． 0 X 1 0 。以下 ， 瓦 斯 、 C O ， 浓度较高， 温度平稳无大的变化 3 新型堵漏材料 的应用 受冲击地压及钻孔卸压、 爆破卸压等防冲击地 压措施的影响， 1 4 1 0综放工作 面开采过程 中， 采空 区存在隐蔽 的漏风通道 ， 煤体破碎严重、 漏 风量较 大 ， 需要大量的漏风封堵材料。新型堵漏材料是以 主料为基材 ， 添加-一 一 定的复合添加剂 ， 通过物理机械 的发泡方式 ， 形成泡沫状态的固态泡沫 ， 能在采空区 大量堆积， 且凝固时间可调， 最后形成具有抗压能力 的轻质固态材料。 堵漏材料制备流程如图 2所示。首先在移动式 制浆泵中， 将一定 比例的水与主料搅拌混合形成主 料浆体， 通过压力泵输送到注浆管路 中． 再通过漏斗 形螺杆泵将料箱里的固化剂、 发泡剂等复合添加剂 注入到注浆管路中， 浆液与复合添加剂混合后进入 发泡器， 在发泡器中接入空压机， 空气与含有复合添 加剂的主料浆体在发泡器中相互作用 ， 产生 出主料 固化泡沫 根据不同气量 、 不同的强度要求 ， 主料固 化泡沫发泡倍数在 8～1 5倍可调。 囱固 图 2 固化泡沫产生流程图 1 4 1 0综放工作面上下隅角是工作 面后部采 空 区漏风的源头和主要汇合点 ， 在开采过程 中采取了 上下隅角每隔 1 0 IT I 建筑双道沙袋墙 ， 两墙 中间注入 固化泡沫堵漏材料进行封闭处理， 改变了采空区漏 风深度， 减小了氧化带的长度。在工作面上隅角向 采空区注固化泡沫封堵充填， 利用充填专用泵 ， 铺设 q 0 5 0 I“1 1 13 1 管路至上隅角 ， 埋入采空区内约 1 0 m， 前端 挑起朝 向高 处， 泵安设 在 石 门内， 输浆 距离 约 为 2 4 0 W I 。 在工作面上下隅角注新型固化泡沫堵漏材料 后， 可以有效地改变采空区的漏风路线和漏风深度 ， 减少向采空区的大量漏风， 减小氧化带的长度 ， 有效 地防止煤层的自燃 。 松散煤体打钴注固化泡沫， 同时也在架间打短 孔处理支架顶部、 后部近处松散煤体 工作面停采 期间， 在支架间向支架顶部 、 后部施工防火钻孔 ， 每 架 2个， 孔深 1 ． 5～ 2 m， 分别位于支架顶部和支架后 部 2～ 4 m， 利用钻孔注新型堵漏材料。钻孑 L 布置见 图 3 。 图 3 钻孔位置示意图 1 4 1 0综放工作面受冲击地压影响封闭期间， 在 工作面上下平巷建防火密闭进行封闭 ， 留设 了5路 观测束管和 2路注氮管， 对封 闭区内进行观测和处 理。在工作面上出口外 4 1 1 3 建普通密闭 1 道 ， 厚度 0 ． 3 7 m； 距上石门以西 4 llq 建防火密闭 1 道 ， 由2道 厚度 0 ． 5 n 的墙组成 ， 中间充填厚度 1 m， 墙体材料使 用砖 、 沙 、 灰， 充填材料使用固化泡沫堵漏新型材料 下平巷在工作面下出口外 6 ． 5 1 1 1 建防火密闭 1 道， 由 2道厚度 0 ． 5 m的墙组成 ， 中间充填厚度1 m， 墙体 材料使用砖 、 沙 、 灰 ， 充填材料使用固化泡沫堵漏新 型材 料 ； 下 平 巷 石 门西 建 临 时 密 闭 1道 ， 厚 度 0 ． 3 7 m。 上下防火墙周边围岩使用固化泡沫堵漏新 型材料进行堵漏充填处理。 4注氮工艺优化研究 华 丰矿将氮气防灭火技术一直作为主要的防灭 火手段， 通过注氮来降低煤炭 自然发火的可能性 ， 并 由此来减小开采速度缓慢对煤炭 自燃防治工作带来 的负面影响。基于对采空区注氮 的数值模拟 ， 华丰 矿改变了传统的注氮工艺 ， 采用采空 区埋管与上隅 角挡垛相结合的注氮方式 ， 具体做法是 利用 一 4 5 0 ， ～ 5 3 0 F n制氮车间， 在 一 4 5 0 m制氮车间内安装 1套 J X Z D一 7 0 0型井下移动式制氮机 ， 制氮量 7 0 0 m ／ h ； 在 一 5 3 0 m制氮车间内安装 1 套 J X Z D一 3 0 0型井下 移动式制氮机， 制氮量 3 0 0 m。 ／ h 。选用 7 5 m m钢管 作为输氮管路 ， 从制氮机经 一7 5 0 m前一 回风上山、 一 7 5 0 n l 管子井车场 、一7 5 0～ 一9 2 0 m 管 子 井 、 一 9 2 0 11 1 西岩巷、 1 4 1 0运输石门、 1 4 1 0下平巷 、 1 4 1 0 工作面下隅角。采用埋管注氮， 在工作 面下平巷沿 底板向采空区埋设 1趟 q 5 5 0 mm钢管作为注氮管， 当埋人 2 5 12 1 后开始注氮； 同时再埋入第 2趟注氮 ．7 3 ． 2 0 1 0年2月 矿 业 安 全 与 环 保 第3 7卷第1 期 管 ， 当该趟管路在埋人采空区2 5 m后 ， 开始注氮 ， 同 时停止第 1趟管路注氮， 并又重新埋入管路 ， 如此交 替进行 。主管路与注氮管之 间用42 5 m m钢编管连 接。将注氮管口由下平巷压埋在采空区， 孔 口采取 防止大块煤矸堵塞 的措施 ， 借助于漏风将注入的 N ， 散布在采空区内。 在综放工作面进风侧采空区压注固化泡沫建立 隔离带， 工作面每推进 6 0 m， 在下隅角支架后方建 立厚度约为2 m的沙袋墙 ， 同时在顶部安设 4 5 0 m m 的灌浆注胶管， 底部预埋注氮管， 封堵采空区内未垮 落的巷道 ， 为采空区注胶 、 注氮创造条件。待工作面 推过沙袋墙 1 0 m， 工作面上端头垮落带与沙袋墙结 合充分后， 通过沙袋墙顶部压人 的注胶管 ， 压注一定 量的复合胶体 ， 而后通过注氮管向采空区注氮 ， 由于 有挡垛的隔离带 N 将大幅度减小氧化带宽度 ， 从而 降低采空区自然发火的可能性。 封闭石门内注氮， 工作面推采过石 门后 ， 在封闭 石门前 ， 在石门预留注氮管路 ， 开 口于石门两侧平巷 1 0 ， 3 0 ， 8 0 m， 石门封闭后 ， 利用预留的埋管向采空区 注氮。 由于受到冲击地压的影 响， 1 4 1 0综放 工作面推 采十分缓慢 ， 为防止支架顶部及后部近处煤体氧化 自燃 ， 在工作面上平巷向支架顶部、 后部施工钻孔 ， 使用 S G Z I B钻机 ， 自煤层底板起 1 m高度 ， 高位钻 孔开孔直径 1 0 8 mm， 终孔 直径 7 5 m m， 下 4 5 0 mm 套管 ， 终孔位置在工作面 6 0 8 0架处 ， 共 2排 ， 一排 在支架顶部煤体中， 另一排位于支架后 3～ 5 m顶板 以上 5 m老空处。封孔 后接通注水管进行 连续注 水 ， 每个钻孔连续注水 3 d ， 然后再接通注氮 管进行 注氮。 5 新型防灭火稠化剂在 华丰矿 的应用 引进 了新型防灭火稠化剂 ， 该稠化剂材料能满 足堵 漏风 的要求 ， 同时 能 很好 地均 匀 覆盖 煤 体。 1 4 1 0综放工作面由于受到冲击地压的影 响， 不得不 停采封闭 ， 在封闭期间， 为了有效地防止煤层 自然发 火 ， 采取了注稠化剂 ， 即在上下平巷施工双墙。第 1 道为防火墙 ， 由2道厚度 0 ． 5 m的墙体组成 ， 中间充 填密实， 墙体周边压稠化剂等 ； 第 2道墙设置平巷 门 口为普通密闭。 当工作面启封后 ， 由于采取打钻爆破卸压 的防 冲击地压措施 ， 使工作面存在大量的隐蔽漏风通道， 因此 ， 通常隔 1个月注 1次稠化剂 ， 取得 了较好的应 用效果 。每次注稠化剂结束后 ， 对采空区内气体进 行了取样化验分析 ， 化验结果表明 采空区 C O体积 分数低于 51 0 一， 无乙烯 、 乙烷等发火标志性气体， 证明采空区无 自然发火征兆 ， 注稠化剂防灭火效果 较为明显。 6 结语 华丰煤矿 1 4 1 0综放工作面 由于受到矿井特殊 条件的影响， 具有采深大 、 煤层倾角大、 冲击地压严 重 、 矿 内环境温度 高等特点 ， 防灭火工作极其 困难。 为了确保矿井的安全开采 ， 开 展了深部开采复杂条 件下易 自燃综放工作 面综合 防灭火技术的研究 ， 有 效地防治 了该工作面的煤层 自燃 ， 使得该工作面不 管是在封闭停采期间还是在推进速度极慢的情况下， 回风巷及支架后面的 C O体积分数始终保持在 2 ． 0 l 0 以下 。 责任编辑 李琴 上接第7 1页 5 结语 1 在分析研究 1 3 0 9工作面破碎区具体地质条 件和生产工艺基础上 ， 借鉴以往工程经验 ， 按类 比法 进行施工参数设计 ， 施工过程中对渗透半径 、 注浆压 力、 注浆量等进行实际观测及时修正设计参数 ， 以取 得最优加固效果 。 2 工作面煤壁 片帮不仅与地质条件有关而且 直接受回采工艺影响。随采高加大工作面煤壁片帮 加剧 ， 工作面推进迟缓或回采期 间长时间停滞也将 使工作面状况恶化 。因此在采取架前高 冒区充填 、 加固破碎煤壁的同时应适当降低机采高度， 提高推 进速度 ， 从工艺上创造有利条件。 3 为有效控制架前顶板岩石滑落 ， 应尽可能缩 短高冒区顶板岩石的暴露时间 ， 在工序安排上应先 ． 7 4 充填后加固。 参考文献 [ 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