该生产条件下煤层开采受到自燃发火的影响,停

作者:公司文化

摘要:分析采用传统沿煤层底板布置巷道开采易燃厚煤层易发火的时间与空间,提出了兼顾回采率与火灾防治的新型巷道布置系统,并结合时段与区域发火特点采取相应对策,以期达到安全、经济生产的目的。 关键词:易燃厚煤层,综放开采,错层位,三段式回采工艺 1引言 自然发火是制约厚煤层开采工艺发展的因素之一,也是煤炭工作者多年来致力解决的一个课题。本文通过采用错层位巷道布置系统[1],结合传统防治火灾的技术,分析其可行性。 2现场条件 以某矿现场实际条件为例,工作面长144m,采深230-240m。平均煤厚11.5m,最大煤厚14m,平均倾角12°,煤层构造较简单,煤层松软,硬度系数f=1.4,容重为14.5kG/m3,煤层极易自燃,发火期平均为20天,最短为7天。含有厚0.2~0.4m的夹矸1层。煤层直接顶为砂质泥岩,平均厚1.5m,老顶为中厚层状细砂岩,厚14m。 3自燃发火类别分析 发生自燃的因素包括浮煤的存在,煤体破碎,与氧气接触并有蓄热条件和时间。生产中无论采用何种方式方法,破碎煤体的存在以及与氧气接触是不可避免的,但是如能减少破碎煤体的存在并缩短其蓄热时间,自然发火的几率将会大大降低。在这一指导思想下,对传统放顶煤巷道布置系统易发生自燃的区域以及易发生自燃的时段进行分析。按照放顶煤回采系统下各区域发生自燃的几率大小进行等级划分:容易发生自燃区域巷道揭露的相邻原高温区域或老火区、巷道顶板局部冒落区、巷道变坡顶板破碎区,巷道揭露相邻沿空侧的停采线、溜煤眼、联络巷及其它硐室等处。较易发生自燃区域巷道顶煤离层破碎区、沿空侧煤柱破碎区。可能发生自燃区域巷道巷帮破碎区以及工作面采空区。根据对综放开采时自然发火事故出现的频繁程度,确定火灾易发地点依次为巷道及开切眼、末采收作线、邻近采空区、工作面端头,(如图1所示)。自然发火防治工作的另一重点就是从不同的时期进行分析,各个时期的防治工作要从其产生的根源着手,有四个时期最易发生自燃,分别是:掘进期间。巷顶易形成高冒区以及碎煤裂隙带发育带,局部通风机正压作用加剧了氧气在煤体中扩散,深部产生的热量散发困难,是自然发火的隐患之一; 图片 1 工作面安装期间。切眼时大量碎煤存在于支架上方,综放工作面安装时间比较长,在安装完毕前,可能会导致煤层自燃发火;回采期间。首先,开切眼到初次放顶,时间间隔长,支架顶煤的蓄热时间长;其次,工作面刚安装完,需要磨合设备,导致推进速度慢;再次,上下端头放下的碎煤大量堆积;还有,放顶过程中,顶板会大面积下沉,可能会受到外部客观条件的影响,形成导风通道;拆除期间。综放工作面,拆除时间肯定长;支架上方煤体裂隙发育,与氧气接触面积大;架后煤多且松散。以上自然发火因素,影响着煤矿正常安全的生产,寻求更合理的开采生产系统便是解决上述问题的重要研究途径。 4方案分析 4.1方案的提出 煤矿的生产始终围绕安全、经济、回采率三方面展开,该生产条件下煤层开采受到自燃发火的影响,传统放顶煤沿煤层底板布置巷道以及留煤柱护巷已不能适应生产需要,亟需采用既能提高回采率,又能保证安全生产的无煤柱巷道布置以及相应的回采工艺,本文提出采用错层位巷道布置系统和三段式回采工艺来实现无煤柱开采[2],(如图2所示)。 图片 2 该系统综合集成放顶煤、上分层铺网放顶煤和下分层网下放顶煤三种回采工艺于一个工作面,三种工艺用于工作面的不同位置,形成独特的三段式回采工艺。图中的a段,即工作面在沿顶板布置的进风巷道一侧采用分层放顶的上分层回采工艺,需要铺网,为下一工作面巷道的掘进与回采作准备。图中的c段,即在距离相邻采空区侧的工作面采用网下放顶煤回采工艺,这一段不需要铺网,但需要控制好采煤机割煤高度,防止漏矸。图中的b段,中部工作面采用放顶煤回采工艺。 4.2与传统放顶煤对比 是否能有效防治自然发火是判定方案可行性的重要依据,为此在防治自然发火方面对错层位巷道布置与传统放顶煤沿底板布置巷道[3](如图3)进行了比较: 图片 3 1.区段运输平巷;2.区段回风平巷;3.损失的顶煤与区段煤柱;4.上区段运输平巷位置; 错层位巷道布置系统将进风巷与回风巷分别布置在煤层顶板与上一区段采空区下,进风巷、回风巷顶板分别为岩石和少量煤皮,基本上避免了巷道高冒区的出现,可以降低自燃发火率;传统放顶煤沿煤层底板布置巷道,巷道上方是厚煤层,在压力作用下易冒落形成孔隙,存在自燃发火隐患。据统计,综放开采2/3的火患都发生在巷道高冒区。错层位巷道布置系统进风巷巷帮受到应力作用,但是由于该巷直接位于岩石顶板之下,不会出现巷道顶煤高冒,进而加剧巷帮的破坏,不易形成发育的碎煤裂隙,同底板布置的煤巷巷帮比较,发火几率小,而且易于维护;回风巷优势更为明显,因为布置在采空区下的回风巷处于免压区,对巷帮不会造成强烈的挤压,可以降低发火几率。错层位巷道布置系统下,相邻工作面之间只有少量三角煤柱的存在,而且处于免压区内,不易出现传统放顶煤中留有大量“T”型煤柱处在应力集中区内而被压裂压酥导致巷旁向采空区漏风的情况,不但有利于相邻采空区的防治自燃,而且有利于降低煤柱自身的发火几率。上一区段进风巷一侧是上分层铺网放顶煤工艺段,此段的浮煤存在于网下,下一区段进行回采时可以回收,减少了采空区内浮煤的数量,而且上一区段边回采边灌浆,有利于形成人工假顶或产生一定的胶结效果,在下一区段网下回采时,减少了向采空区的漏风,所以特殊的回采工艺也是降低自然发火的有利条件。对比得出,采用错层位巷道布置系统,在易自然发火条件上有了根本性的改善。 5工作面防灭火 错层位巷道布置系统同传统沿煤层底板布置放顶煤相比,自然发火的隐患大为降低,但防治火的工作绝不能掉以轻心。在自然发火的防治过程中,具体的防灭火工作在不同时期、不同地点采取不同的对策。 5.1工作面上、下巷工作面随着成巷时间不同,巷道顶帮压裂松动破碎的程度由内到外逐渐发展,随着巷道顶帮破坏日益严重和巷壁半径的扩大,巷道自然发火隐患也从内向外逐渐增大,同时,井下条件不能及时把氧化产生的热量散发,在掘进工作中就要采取对策,预防火灾的发生。

摘 要:通过对义马煤田易自燃煤层发火机理及原因的分析,探索和开发研究煤层火灾防治技术,形成一套易自燃煤层综合防治体系,为保障矿井安全、实现高产高效提供可靠保证。 关键词:易自燃煤层;发火原因;防治技术 1 煤层基本概况 义马煤田的开采煤层为中生界侏罗系下侏罗统煤层,煤层地质构造比较简单,赋存条件较好,煤层倾角6°~14°,煤层较厚。煤种为长焰煤,不粘结,中等硬度,极易风化成粉末。下侏罗统含煤共5层,各煤层均有自然发火倾向,发火期1个月,最短只有8 d,煤层自然发火问题比较严重。煤层瓦斯涌出量较小,煤尘具有爆炸危险,爆炸指数为44.7%~51.8%。 2 煤炭自燃机理和条件 根据我国煤炭自燃倾向性分类,义马煤田的煤层属容易自燃煤层。自然发火的决定因素是发火地点存在低温氧化的浮煤、碎煤,同时向它供有足够的氧气以及煤炭氧化时有蓄热准备条件。自然发火的实质是煤炭自身与空气中的氧气接触,产生氧化反应所致。氧化是煤炭自燃的主要原因。煤炭在井下大气的常温和常压条件下,遇空气中的氧气,便产生表面吸附作用,使煤炭进入低温氧化阶段,此阶段中发热量很少,能出现一些不稳定氧化物的最后产物——C02、CO、水蒸汽;如果热量不及时扩散,逐渐积蓄,大于煤体向周围介质散失的热量,煤炭温度继续上升,称为自热,待煤炭温度上升到某一极限值(一般为70—80℃)时,煤体温度上升急剧加速,达到临界着火点时,便发生煤炭的自然发火。 3 煤炭自然发火的规律及其成因分析 针对义马煤田的生产技术因素,我们通过对煤层自然发火几率分析可以看出,发火的原因是多方面的:巷道布置不合理、煤柱受压破碎、浮煤护顶较多、地质因素、漏风、冒顶及通风设施管理不善、生产管理不善等。煤炭自然发火的规律及其成因分析如下。 3.1 两道两线处煤炭易自燃(指采煤工作面上、下巷,开采线,停采线) 上、下进回风巷煤炭易发火。①巷道变坡处煤炭易发火。由于地质因素,巷道掘进期间,巷道变坡处易发生冒顶,或者棚梁上浮煤堆积,风流经过变坡点处形成漏风供氧,使棚梁上的松散煤体升温,热量积聚而导致发火。②与相邻巷道交叉处煤炭易发火。由于工程设计原因,工作面上、下巷道与相邻巷道垂直上、下交叉,交叉巷道布置在一层煤中,交叉间距小,致使2条巷道间产生漏风,引起煤炭自燃。③护巷煤柱易发火。留设煤柱保护区段巷道时,在采动压力的作用下,煤柱被压裂、破碎、坍塌,再加上工作面端头回柱后,冒落不彻底,留下漏风通道,容易引起煤炭自燃。④分层巷道假顶内煤炭易发火。分层巷道采用内错式或重叠式布置时,除第一分层外,各分层都是在假顶下掘进。因而在第二分层及其以下的分层巷道掘进和采煤期间,都会向上一分层采空区漏风,使上分层采空区中的遗煤自燃。⑤综放工作面上、下巷顶煤易发火。由于综放工作面开掘巷道,沿煤层底板掘进,造成巷道顶煤开裂冒落,形成巷道为主通风系统,冒落处为弱通风系统。 停采线处易发火。在开采下部分层时,上部分层的停采线遗煤容易自然发火。同时在工作面开采过程中,还可能引起本分层或上部分层的相邻采空区停采线浮煤自燃。停采线是压差最大的漏风通道,若两端都由密闭墙封闭不严,停采线处煤炭易于自然发火,特别是在厚煤层分层开采时,表现更为突出。 开采线处易发火。①分层开采切眼处。开切眼积存浮煤的情况与停采线大致相同。因此,如果相邻的工作面进、回风巷向采空区的开切眼漏风,则该处易发生煤炭自燃。②综放开采开切眼处。由于综放开切眼托顶煤较厚且开切眼宽度大,支护不当或安装支架抽棚梁时,易造成冒顶现象,加之综放支架重,安装速度慢,时间长,往往造成支架刚安装完毕,就发生煤炭自燃发火。 3,2 采煤面采空区遗煤,上下隅角处易发火 由于地质条件变化或设备等原因,造成工作面推进速度慢,当工作面推进度低于采空区遗煤氧化升温带宽度时,氧化升温带内煤炭氧化蓄热,煤体存留时间可能超过自然发火期而出现自燃。 采煤工作面上下隅角在回柱时,上巷上帮、下巷下帮塌落不实,易形成三角区漏风通道;上下隅角处于漏风源点、汇点;上下隅角易堆浮煤;综放工作面上下端头放煤不彻底,丢下大量遗煤,为煤炭自然发火提供了物质条件。 3.3 巷道冒顶处、断层附近煤炭易发火 巷道冒顶处,正常风流冲刷不到冒顶深部,煤炭氧化热量易于积存,易自然发火;断层附近易于造成冒顶,加之处理不及时,巷道支护“软关门”,易发生自然发火。 4 易自燃煤层火灾综合防治技术 4.1 预防性灌浆预防煤层自燃技术 灌浆防灭火是义马矿区最基本的防治 措施,主要有采后密闭灌浆、随采随灌、巷顶插管注浆等形式。当工作面回采结束后,在工作面胶带巷、运输巷口修建永久密闭,利用密闭前铺设到停采线的灌浆管实施封闭注浆,间歇充填,灌浆量以黄泥接实巷顶为准。 对于分层开采并有下分层的采煤工作面,必须对采空区随采随灌黄泥浆,每天至少一班向采空区灌浆,以湿润包裹采空区遗煤,防止遗煤氧化积热,灌浆实行少量多次的方法,每次注浆量以工作面出浆水为止。 对于工作面上下巷道顶部留有煤皮或冒顶空洞的地方,多采取巷顶插管注浆措施。对冒顶空洞,采用人工直接下人注浆管;无冒顶地段采用钻机打钻孔下入注浆钢管,注浆管一般采用40mm的无缝钢管(前端为多孔花管),下管长度一般不低于3m,钻孔角度45°,孔间距4m. 4.2 低风量稳定风流供风防治技术 对于正常回采期间,合理控制工作面风量,采取低风量供风。采用“U”型通风的工作面,降低供风量是压缩采空区氧化带宽度,防止采空区遗煤自燃的手段之一。根据工作面瓦斯绝对涌出量,在满足人员呼吸、有害气体浓度、温度不超限的情况下,采用低风量供风;同时加强工作面通风设施管理,保证风流、风量稳定,避免风量忽大忽小,使采空区遗煤连续氧化,蓄热升温,而引起煤炭自燃。 4.3 压注化学凝胶及胶体泥浆防治技术 义马矿区引进并推广了化学凝胶防灭火技术。它是目前矿区处理高温点、封闭堵漏的主要手段。制取化学凝胶的原料是水玻璃和碳酸氢铵(促凝剂)。水玻璃含量3%~9%,碳酸氢氨含量2%~4%,通过2台注胶泵用三通与钻孔注管联通压注。成胶时间与促凝剂的含量成正比关系。 在需要大量快速充填空洞时,往往采用胶体泥浆(阻化泥浆),胶体泥浆的制取主要是利用地面灌浆站向井下输送水玻璃,井下加入促凝剂。 4.4 压注增稠泥浆和聚氨酯喷涂防治技术 压注增稠泥浆,降低采空区遗煤温度,杜绝注浆脱水影响支架拆除现象的发生。距停采线40~50m,在上拐头逐步压人长度分别为40 m、30m、20m的注浆钢管,停采后注入增稠泥浆(增稠剂在地面注浆站,以注浆水的0.3%比例加入),以降低采空区遗煤温度。增稠剂为白色粉末状高吸水材料,吸水倍率100—180倍,能有效地将浆水固定在采空区范围内,杜绝注浆脱水影响工作面支架拆除现象的发生。 聚氨酯隔风喷涂技术在义马矿区主要用于工作面拆除支架期间,喷涂工作面架顶及架后,封闭架顶碎煤及架后采空区遗煤的供氧通道。聚氨酯喷涂所用原料,以异氰酸酯为一组份,其他如多元醇聚醚、催化剂、阻燃剂、发泡剂等合在一起为一组份。使用时,将黑白两料等,搅拌均匀,可在几分钟内制得聚氨酯泡沫制品。因聚氨酯涂料发泡倍数高达20—25倍,并且有很强的粘着力,其以液体状态喷射粘附在架缝表面,在膨胀发泡过程中,靠膨胀力挤压进入所有漏风的空隙,堵漏效果良好。 4.5 采空区压诖与汽雾喷洒阻化剂防治技术 阻化剂采空区防灭火在义马矿区的应用分为2种方式:一是利用地面水源连通自制的ZHI—Ⅲ型阻化剂加入装置,通过注液枪(前端为花眼钢管)向采空区压注阻化剂,阻化液含量一般为10%~20%,此种方式不需电源,阻化液浓度易控制;另一种是将阻化剂和水按比例(10%一15%)配成溶液,通过高压泵、汽雾发生器将其雾化,在工作面下拐头以漏风为载体,将汽雾阻化剂带入采空区煤体表面,延缓煤的氧化过程,常用的阻化剂有CaCl2、MgCl2等。

严格顶板控制,严防冒顶,若发生冒顶及时铰架,打闭板抹泥,用不燃材料进行充填。有发火预兆地点,要及时打钻糊顶进行灌浆、注粉煤灰或注胶,消灭高温点。

  1. 6 充填复合凝土防治技术 对冒顶区长、冒顶高、范围大的地带,充填复合凝土。复合凝土成分组成:固化剂15%、水50%、黄土35%,固化凝结时间3~8 min。充填工艺为:将复合凝土原料(地面有加工厂、袋装)加入充填机中,调节好进水量,在充填机旋转下形成含固化剂15%、水50%、黄土35%的稠浆液,经高压泥浆泵充填钻孔进入高冒区3—8min后,凝结成复合凝土。 4.7 上下隅角遗煤自燃防治技术 在工作面上下隅角设置看火工,每班在采面拉架放顶之后,用长枪头(15mm钢管端头缩口成尖)洒水降温,使上隅角内放下的煤始终处于湿润和低温状态;在下隅角附近(进风侧)后输送机头以里设置1道常开水幕,增加隅角漏风的湿度,延长隅角附近煤的自然发火期。采用临时密闭和凝胶充填相结合的方法,隔绝采空区漏风,处理下隅角高温点。在下巷转载机机尾之后,上接过渡架下帮,下接下巷下帮煤壁建1道临时密闭墙,墙处打上防倒戗柱。从墙外向墙内巷顶及过渡架尾梁之后打钻下注浆管2组,深度分别为4m、2m。利用地面注浆系统注入低浓度化学凝胶,胶体从巷道顶板煤缝及过渡架尾梁处挤出停止。随工作面推进,每隔5m建1道密闭墙,充堵1次凝胶,直到测不出CO为止。 4.8 巷道背板抹泥和喷射混凝土防治技术 受煤柱集中压力和回采动压影响,上下顺槽压力显现严重,支架上浮煤堆积严重。为此,改变支护方式,一是巷道顶板背设由原来的荆芭、椽子改变为木反背设,而后抹泥封闭;二是巷道掘进50m,在原有支护断面上喷射混凝土,掘进、喷射循环进行,大大减少了巷道煤体扩散漏风。 实践证明,在义马煤田易自燃煤层进行开采,汁对煤层发火原因的不同,采用不同的防治手段 和方法,完全可以保障安全生产。

预埋灌浆管,间歇灌浆工作面上下巷铺设灌浆管路,每50m设一处三通阀门,要保证能随时进行灌浆,灌浆不仅可以带走热量,而且对裂隙处起着充填封闭作用,可以考虑在适当距离设一处注浆钻孔。

均压措施定期进行一次工作面上下巷之间漏风情况,若上下巷串风,应在上巷建调节风窗实行均压措施,减少上下巷之间及采空区漏风。 5.2初采期间受各方面综合影响,巷道断面大,初采速度缓慢,压力大,造成顶煤破碎漏风,形成发火隐患,应采取相应的技术措施,防治自然发火。

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