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综采工作面采空区“三带”分布规律及防灭火措施研究

2025-02-11 67 上传者：管理员

摘要：为探究采空区煤自燃危险区域分布规律，研究了棋盘井煤矿（东区）110902综采工作面的自然发火规律，通过煤层自燃标志气体程序升温实验，确定工作面的自燃预报标志性气体；采用现场实测的方法，对采空区氧气浓度进行监测，确定工作面煤自然发火“三带”分布规律及范围；结合煤层最短自然发火期，推算了工作面的最小安全推进速度，并设计防灭火方法，保证工作面安全生产。研究结果表明，110902工作面的最短自然发火期73 d，进风侧氧化带30.8～131.2 m，回风侧氧化带24～78.8 m，最大氧化带宽度100.4 m。工作面回采过程中最小安全推进速度1.37 m/d，实际平均推进速度3.12 m/d，因此，采空区不会有自然发火的危险。建议采用埋管注氮与喷洒阻化剂相结合的综合防灭火措施。此项研究成功地指导了工作面的安全和高效回采，对于类似的煤层工作面预防采空区自然发火具有重要指导价值。

关键词：
工作面推进速度
煤自燃
自燃“三带”
采空区
防灭火措施
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煤炭自燃是对矿山安全生产构成严重威胁的主要灾难之一｡根据统计,在我国658个主要煤矿中,有55.8%的煤矿有自燃的风险[1],由煤炭自燃引发的火灾事故大约占到了火灾总数的90%,而采空区煤炭自燃的比例超过了60%[2]｡煤自燃火灾不仅造成了大量的人员伤亡､财产损失,还对周围环境造成了严重破坏[3-4]｡综放顶煤特殊开采技术具有高产､高效的特点,但采空区面积随之扩大,采空区残留大量残煤[5]｡同时,由于开采压力的提高,瓦斯的涌出量也相应增加,必然地会使作业面的通风压力和风压提高,从而增强了采空区遗煤自燃的风险[6]｡采空区“散热带､氧化带､窒息带”[7]的分布是防止和扑灭煤炭自燃的重要参数之一｡

因此,准确划分采空区自燃“三带”,判定危险区域就显得尤为重要｡本文通过煤层自燃标志气体程序升温实验,研究工作面的自然发火规律,确定了采面最短自然发火期;通过现场实测的方法,在110902工作面采空区进行预埋束管,以氧气浓度作为指标,确定110902综采工作面采空区煤自然发火“三带”分布规律及范围;根据测定结果,结合煤层最短自然发火期,明确了工作面极限推进速度,并设计了相应的防灭火措施,为110902综采工作面及同一煤层的类似工作面安全开采提供科学防治技术｡

1、工作面概况

110902综采工作面为11采区第2个工作面,南起11采区辅运下山,北部距离井田边界695m,西临11采区110903工作面,东侧为11采区首采工作面,该工作面目前已回采完毕｡110902工作面设计走向长度1723m,倾向长度243m,回采面积418689m2,可采储量194.74万t｡工作面可采厚度2.47~4.16m,平均煤厚3.25m,煤层平均倾角5°,工作面采取“U”形通风方式,通过运输巷和辅运巷进风,回风巷回风｡

2、煤层自燃特性参数实验

2.1煤自燃倾向性实验

根据GB/T20104—2006和GB/T212—2008等标准,从棋盘井煤矿的9#煤层中抽取了煤样,并对其自燃特性进行了评估,具体的结果详见表1｡110902工作面煤层被评定为具有II级自燃风险的级别,属于易自燃的煤层类型｡

表19#煤层自燃倾向性参数测定

通过选取棋盘井煤矿(东区)9#煤层煤样,利用程序升温实验装置研究了煤层煤自燃过程中的标志性气体产生规律｡程序升温实验装置,如图1所示｡

图1程序升温实验系统装置图

将煤样在空气中经球形破碎机破碎后,利用100目(煤样粒径0.15mm)的标准筛进行筛分,取1g经破碎筛分好的煤样,装入图1实验系统中｡将100mL/min流量的新鲜空气注入到样品管中,同时对样品管进行升温操作｡升温速度分别为25℃~80℃时为0.5℃/min,80℃~200℃时为1.0℃/min,200℃~300℃时为2.0℃/min｡在升温的同时,每隔20min对流出样品管的气体进行取样,并利用气相色谱仪进行分析｡

2.2实验结果及分析

通常来说,煤的自然发火可分为3类不同的发展时期:即初期缓慢氧化期､中期的快速氧化期以及后期剧烈氧化期｡在此过程中,伴随着产生CO､CO2､CH4､C3H6､C2H4､C2H2等气体,煤炭自燃在不同的阶段会对应着产生不同的气体成分种类和浓度,这种能够代表煤自燃的发生及发展程度的气体就是标志气体[8],其中CO､C2H4､C2H2是常用的煤自燃氧化进程的标志性气体｡CO､CO2和烯､炔烃气体随煤温变化曲线,如图2所示｡

图2不同气体浓度随煤温变化曲线

由图2可以看出,煤样实验过程中CO开始出现的温度在70℃以后,而在150℃以后其浓度开始急剧上升,表明煤样已进入剧烈氧化阶段,在供氧充足的条件下,CO浓度及产生速度随煤温升高持续增大,因此,可以选择CO作为煤层自燃预报标志性气体｡而在进入加速氧化阶段前,CO2气体有一个明显的脱附阶段,50℃左右CO2气体基本完成脱附,气体浓度到达最低点,而后呈现逐渐增大的趋势,煤样进入剧烈氧化阶段后,氧气被迅速消耗的同时,CO2气体浓度剧增,由几千10-6以下增大到十万多10-6,浓度变化与温度关系比较明显｡煤自燃氧化气体中烯､炔烃组分有C2H4､C3H6和C2H2气体,烯､炔烃气体成分开始出现时煤温都已很高,但产生浓度都比较低,其中C2H4开始产生时,温度在163℃以后,C3H6和C2H2产生温度都在219℃以后,这2种气体产生时,实验煤样都已处在剧烈氧化阶段｡

实验一开始,煤样中即检测到少量的CH4气体,说明煤中吸附有少量CH4气体,各煤样在50℃左右CH4气体基本脱附完成,达到浓度最低点,而后CH4气体生成量开始逐渐增大,在进入剧烈氧化阶段后,开始大幅增大｡低温阶段各煤样内C2､C3烷烃(即乙烷､丙烷和丁烷)均检测不到,随着煤温的升高,在加速氧化阶段后期,才逐渐检测到这些气体成分,说明矿区各煤层内C2､C3烷烃(即乙烷､丙烷和丁烷)吸附量较少,在煤样破碎时,已基本解吸｡

3、采空区自然发火“三带”测定

3.1自燃“三带”划分标准

要发生煤炭自燃,需要满足以下3个前提:首先是存在易于自燃并处于破碎形态的煤层;其次是有充足的空气供应以支持其氧化反应;最后是在足够长的时间内保持高温及稳定的氧化环境[9]｡在有煤自燃倾向性的煤层工作面采空区中,工作面漏风给采空区遗煤提供合适的通风供氧条件,漏风速度的大小和采空区遗煤的堆积决定了煤氧化蓄热的环境,而氧气浓度的大小决定煤层的氧化自燃能力｡因此,根据采空区供氧浓度､漏风风速以及温度可以综合划分出自然发火“三带”的范围[10]｡通过在工作面预埋束管,观测测点氧气浓度来划分采空区“三带”范围｡110902工作面自然发火“三带”划分标准[11]见表2｡

表2自然发火“三带”划分标准

3.2测定方案与测点布置

由于110902工作面采用沿空留巷工艺开采,回风顺槽侧采用埋管并布设测点的方式对采空区气体成分参数进行测定,测点间距30m;运输顺槽侧利用沿空留巷柔模墙上措施孔为观测孔,观测孔间距50m,并且每组测量点和观察孔都安装有束管采集设备,同时预先放置的束管会随着工作面的移动而深入到采空区中,然后逐一穿过“散热带”､“氧化带”和“窒息带”,以研究采空区中煤炭各氧化阶段所产生的气体规律｡采空区自然发火“三带”监测点布置示意图,如图3所示｡

3.3测定结果与分析

通过对监测数据进行分析,发现位于巷道同侧的测点变动趋势大体一致｡以1#测点与4#测点为例,对采空区“三带”分布范围进行判定｡110902工作面进风巷1#监测点､回风巷4#监测点氧气浓度随埋入采空区深度的变化曲线,分别如图4､图5所示｡

图3自燃“三带”监测点布置示意图

图4工作面进风顺槽1#监测点氧气浓度变化曲线

图5工作面回风顺槽4#监测点氧气浓度变化曲线

在110902工作面进风顺槽1#监测点的位置,大约距离采空区30.8m的地方,氧气的含量降低到17.3795%｡随着工作面的深入,氧气的水平逐渐减少并呈现出稳定的下滑态势｡当监测点到达采空区的131.2m处时,所测得的氧气量已经低于5%｡同样地,在工作面回风顺槽4#监测点的位置,约在离采空区域24.0m的位置,氧气的含量也从17.4777%开始逐渐减小,直到了回风顺槽4#监测点抵达采空区域78.8m时,此时,检测到的氧气浓度已低至5%以下｡

3.4“三带”划分与工作面极限推进速度

基于对棋盘井煤矿(东区)110902工作面采空区自然发火“三带”现场观测数据,结合9#煤层自燃临界氧浓度指标测试结果,把氧气浓度5%~18%作为采空区自然发火“三带”范围划分的依据｡110902工作面采空区自然发火“三带”分布范围,如表3所示｡

表3采空区自燃“三带”分布范围

从表3可以看出,110902工作面采空区的进风顺槽侧的氧化带比回风顺槽侧更宽,为100.4m;回风顺槽侧为54.8m｡依据煤层的最短自燃周期τ=73d及110902工作面最大的氧化带宽度Lmax=100.4m,可以计算得出110902工作面的最低安全推进速率vmin=Lmax/τ=1.37m/d｡只要工作面的推进速度超过了这个数值,那么采空区就不会存在自燃的风险｡对于110902工作面来说,其正常的平均推进速率v=3.12m/d,超过了此工作面的最低安全推进速率,因此,在常规开采期间,采空区并无自燃风险的发生｡

4、综合防灭火措施

4.1注氮防灭火技术

当采空区注入惰性气体后,可以通过惰化来控制采空区的三维空间,使氧气与煤炭的接触变得稀释,从而避免采空区遗煤发生自燃｡当110902工作面采空区氧气浓度低于7%时,可不进行注氮,但是,当采空区氧气浓度高于7%时,应采取注氮措施｡

注氮工艺采用埋管注氮,注氮口的位置及间距依据“氧化带”的位置及宽度､工作面的推进度以及每次开启的注氮量及氮气扩散半径等确定｡以其他矿区的注氮防灭火实践为例,进风侧2趟注氮管氮气释放口间距取30m,氮气释放口距工作面的最小距离为25m,最大距离为55m｡

4.2喷洒阻化剂防灭火技术

在110902工作面开始回采前,对切眼､运输巷和回风巷煤壁30m范围进行全断面喷洒;工作面停产前80m范围内,对110902运输巷和回风巷煤壁进行全断面喷洒;在110902工作面回撤前,对工作面煤壁､运输巷和回风巷煤壁80m范围进行喷洒阻化剂,防止煤自然发火｡

5、结语

以棋盘井煤矿(东区)110902综采面为研究对象,通过氧化升温实验确定了工作面的自燃预警标志性气体,在工作面两侧预埋束管,测定分析了110902工作面采空区气体成分的变化规律,较全面､系统地掌握了9#煤层自然发火规律,划分了110902工作面采空区自然发火“三带”的分布范围,并确定了工作面最小安全推进速度,从而为合理确定防灭火工艺的具体参数提供了依据,有效地指导了工作面的安全､高效回采,主要结论总结如下:

(1)通过程序升温实验,确定了CO作为煤层自燃预报标志性气体｡

(2)通过现场观测,棋盘井煤矿(东区)110902综采工作面采空区自燃“三带”划分范围为工作面进风侧散热带0~30.8m､氧化带30.8~131.2m､窒息带131.2m以里,回风侧散热带0~24m､氧化带24~78.8m､窒息带78.8m以里,最大氧化带宽度100.4m｡

(3)根据煤层最短自然发火期与氧化带宽度,得到110902综采工作面最小安全推进速度为1.37m/d,若工作面连续超过73d,平均推进速度小于1.37m/d时,采空区将有自然发火的危险,需加强自燃指标气体监测,制定相应防火措施｡

(4)根据110902工作面现场实际,综合分析采空区自然发火影响因素,建议采取注氮､喷洒阻化剂的综合防治措施｡

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