浅埋深薄基岩三软易自燃厚煤层防灭火技术_王伟东.pdf

第 50 卷第 12 期 2019 年 12 月 Safety in Coal Mines Vol.50No.12 Dec. 2019 目前在我国生产的矿井中，存在煤炭自燃的矿 井占 50以上， 其中由于煤炭自燃引起的矿井火灾 占矿井火灾总数的 90以上[1-4]。我国西北地区由于 煤层赋存较浅， 上覆基岩较薄， 受煤层采动影响， 地 表会出现坍塌， 并形成裂隙， 使地表与采空区连通。 空气会通过这些裂隙进入采空区， 使采空区遗煤发 生自燃[5-6]。伊新煤业 21 煤层赋存较浅， 在 2102 工 作面开采过程中， 地表出现陷落式塌陷区， 形成大 量采动裂隙。地表与采空区可以利用这些采动裂隙 连通， 形成漏风通道。在采空区 “呼吸” 作用下， 采空 区内的 CO 气体大量涌出，给工作面安全生产造成 严重威胁。因此， 对 2102 工作面防灭火技术进行研 究， 为矿井的高产高效生产提供保障， 同时为类似开 采条件工作面安全生产提供借鉴。 1矿井概况 伊新煤业开拓方式为 3 条进风斜井、 1 个回风 立井， 采用中央并列式通风， 为单水平开采矿井。目 前该矿井 21 煤层布置了 1 个综采工作面，为 2102 工作面。该工作面为 21 煤层首采工作面， 与地表间 距仅为 65 m， 采用一次采全高， 全部垮落法管理顶 板的综采工艺。矿井上覆岩层为新生界地层，岩性 主要为砂岩、 泥岩、 砂质泥岩和粉砂岩， 强度低， 易 垮落。21 煤层自然发火期为 44 d， 属易自燃煤层。 2煤自燃理论 煤自燃机理为煤体与周围空气发生氧化反应， DOI10.13347/ki.mkaq.2019.12.033 浅埋深薄基岩三软易自燃厚煤层防灭火技术 王伟东 1， 2 （1．煤科集团沈阳研究院有限公司， 辽宁 抚顺 113122； 2．煤矿安全技术国家重点实验室， 辽宁 抚顺 113122） 摘要 以伊新煤业 2102 工作面为背景， 采用理论分析与现场实践等手段对浅埋深薄基岩易自 燃煤层防灭火技术进行研究。结果表明 采空区内煤体自燃防治主要针对自燃带， 只要使引起煤 自燃的 4 个条件中的 1 个或多个因素消除， 终止煤氧化反应， 就可防止煤体发生自燃。实施地面塌 陷区 “五步耕” 、“四工序” 治理工艺及井下综合防灭火技术， 有效控制采煤工作面 CO 气体超标。 关键词 浅埋深； 薄基岩； 自然发火； 自燃氧化； 防灭火 中图分类号 TD752.2文献标志码 B文章编号 1003-496X （2019 ） 12-0144-03 Fire Prevention Technology for Shallow Buried Depth Thin Bedrock Three Soft Easy Spontaneous Combustion Thick Coal Seam WANG Weidong1,2 （1.China Coal Technology and Engineering Group Shenyang Research Institute, Fushun 113122, China；2.State Key Laboratory of Coal Mine Safety Technology, Fushun 113122, China） Abstract In this paper, taking Yixin coal 2102 working face as the background, by means of theoretical analysis and field practice, fire extinguishing technology for shallow buried depth and thin bedrock and easy spontaneous combustion coal seam is studied. The prevention of coal spontaneous combustion in goaf is mainly aimed at the spontaneous combustion zone. As long as one or more of the four conditions causing coal spontaneous combustion are eliminated and the coal oxidation reaction is terminated, the coal spontaneous combustion can be prevented. The“five-step tillage”and“four-procedure”treatment technology and downhole comprehensive fire prevention technology have been implemented in the ground subsidence area, which can effectively control the excessive CO gas in the coal face. Key words shallow buried depth； thin bedrock； spontaneous combustion； spontaneous combustion and oxidization； fire preventing and extinguishing 基金项目 国家重点研发计划资助项目 （2018YFC0807906） ； 中国 煤 炭 科 工 集 团 有 限 公 司 科 技 创 新 创 业 资 金 专 项 资 助 项 目 （2018- 2- MS016） 144 ChaoXing Vol.50No.12 Dec. 2019 第 50 卷第 12 期 2019 年 12 月 Safety in Coal Mines 图 1采空区煤岩结构分区 积聚大量热量，待煤体温度达到着火点后发生自 燃。煤体发生自燃的实质是煤体氧化蓄热与周围环 境散热的矛盾运动的现象[7-8]。煤炭自燃过程根据各 阶段情况可分为潜伏期、 自热期和燃烧期 3 个阶段。 煤体发生自燃是多因素耦合作用的结果，需要满足 4 个条件， 即煤具有自燃倾向性且呈破碎状态堆积、 煤体周围维持较高的氧气浓度、通风性较差和较长 的时间。因而采空区遗煤发生自燃与遗煤厚度、 煤 体孔隙率、 遗煤周围氧气浓度等因素密切相关。 根据这些因素， 可将采空区分为 “三带” ， 即散热 带、 自燃带和窒息带[9-10]。采空区煤岩结构分区如图 1。由于采空区水平垮落带煤体密实性较差， 压实程 度较低， 采空区遗煤孔隙率较大， 漏风较严重， 采空 区内遗煤与其周围氧气发生氧化反应，积聚大量热 量，因而采空区内遗煤易自燃。采空区水平垮落带 与采空区自燃 “三带” 呈一定程度的对应关系。在Ⅰ 区，即自然堆积区内，采空区内垮落的煤岩体由于 受到的压力很小， 未被压实， 且邻近工作面， 漏风程 度较大，煤氧复合作用产生的热量能够及时散失， 相当于采空区自燃 “三带” 的散热带。在Ⅱ区， 即破 碎堆积区内，受到上覆岩层压力的影响密实程度较 高，由于该区域仍存在一定的漏风，且煤样复合作 用产生的热量小于散失的热量，蓄积在煤体内部， 引起煤体内部温度升高， 相当于自燃 “三带” 的自燃 带。在Ⅲ区， 即重新压实区， 在该区域内的煤体受上 覆岩层压力影响下密实程度更高，其内部的孔隙率 很小，且在该区域漏风通道较少，遗煤很难发生氧 化反应， 类似于采空区自燃 “三带” 的窒息带。采空 区内煤体自燃防治主要针对自燃带，只要使引起煤 自燃的 4 个条件中的 1 个或多个因素消除，终止煤 氧化反应， 就可防止煤体发生自燃。 3防灭火治理措施 3.1地面塌陷区治理 2102 工作面上覆地表为草原牧场。随着工作面 推进， 采空区上覆地表出现塌陷， 并出现大量裂隙。 由于这些采动裂隙的存在， 采空区与地表连通， 在采 空区 “呼吸” 作用下， 工作面回风巷 CO 气体经常出 现超过 2410-6的现象。为了治理 CO 气体浓度超 限，曾经采用地面覆膜、井下注氮和采空区注浆等 措施， 但治理效果并不明显。在治理过程中发现， 井 下 CO 气体浓度与地面塌陷区裂隙密切相关。地面 裂隙越多的区域所对应的的井下 CO 气体浓度值越 高。因此，对地面塌陷区裂隙的有效治理成为工作 面防灭火的重要工作。 3.1.1 “五步耕” 治理技术 结合现场实际情况，发现拖拉机配犁耕机和旋 耕机可有效对地表裂隙进行回填。即采用拖拉机配 犁耕机先对裂隙区域进行土层翻耕，再利用拖拉机 配旋耕机对已翻耕的区域进一步细耕破碎，实现地 表裂隙有效回填。 以现场所测数据为基础，绘制了气体变化曲线 图， 对气体变化情况进行分析， 对地面塌陷规律进行 研究， 以圈定影响范围、 每班工作量等因素为基础， 在保证回填效果的前提下， 根据施工顺序确定了 “五 步耕”工艺流程。一是对可能形成的裂隙区域进行 提前标识， 并结合工作面推进度对地表裂隙前 15 m 的范围进行超前耕；二是对裂隙后 60 m 区域进行 重点耕； 三是对裂隙后 90 m 区域进行重复耕； 四是 对裂隙后 90 m 以外区域间隔几天的找补耕；五是 对邻近工作面塌陷区二次裂隙发育区域进行延伸 耕。按照 “五步耕” 工艺流程对裂隙区域进行治理， 可解决注浆、 注惰气等效果不理想的问题， 有效减少 了工作面的漏风量， 保证了工作面的安全生产。 3.1.2 “四工序” 运行 在冬季施工时， 由于 2102 工作面上覆地表冬季 时积雪厚度较大， 冻土深度达 40 cm； 春季时冰雪融 化， 出现大量积水， 因此地表塌陷区冬春季节治理难 度大。此时若采用犁耕机不能耕动冻土，而采用挖 掘机效率低， 不能满足实际需求。针对这种情况， 提 出了一推、 二破、 三耕、 四挖 “四工序” 治理法， 可有 效解决厚积雪、 厚冻土、 强融雪水等难题。一推就是 针对地表覆盖的积雪， 沿工作面推进方向每间隔 30 m 用推土机将积雪推走，对露出的地表裂隙进行精 准治理；二破就是将裂隙发育的区域用铣挖机进行 破碎， 为犁耕机施工创造条件； 三耕就是将已破碎冻 土的区域内裂隙按照 “五步耕” 工艺进行翻耕治理； 四挖就是为了防止春季冰雪融水沿着地表裂隙灌入 井下， 在工作面对应地表裂隙区域挖掘自流排水沟， 145 ChaoXing 第 50 卷第 12 期 2019 年 12 月 Safety in Coal Mines Vol.50No.12 Dec. 2019 表 2调节风障使用前后部分实测数据主要指标对比 表 1部分塌陷区治理前后效果主要指标对比 实现工作面安全生产。部分塌陷区裂隙治理前后效 果进行对比见表 1。 3.2井下采煤工作面防灭火治理 1） 控制风量减缓煤炭低温氧化速度。对于不易 自燃煤层的采煤工作面， 风量越大， 热量越不易积 聚，有害气体越容易稀释。但对于易自燃煤层采煤 工作面而言， 既要使有害气体得到稀释， 还要使煤 体氧化产生的热量及时散失。结合现场实际情况， 2102 工作面配风以 700900 m3/min 为宜， 能够满足 工作面安全生产需求。 2 ） 设置调节风障均压通风， 减少有害气体排放。 尽管增阻通风在通风系统中应用性并不高， 但却是 局部通风微调节的一种有效手段。由于在工作面回 风隅角等位置 CO 等有害气体容易积聚，在工作面 回风巷末端设置了调节风障， 使负压点外移， 从而 实现工作面均压通风。 通过采空区 30、 60、 90、 120 m 等位置的束管监测数据可以发现， CO 气体浓度积 聚的现象得到有效缓解，气体浓度平均下降 30， 实现了 CO 气体浓度不超限。调节风障使用前后部 分实测数据主要指标对比见表 2。 3） 封闭隅角重点管控易发火区段。由于工作面 回风隅角位于回风的末端， 风流补偿， CO 等气体容 易积聚。针对这个问题， 从 3 个方面进行治理 ①对 于超前支护区域， 在进行移架之前及时卸除锚杆、 锚 索盘， 以便靠近工作面采空区顶板能够及时垮落， 对 于垮落不实的区域构筑煤矸石墙；②在上隅角区域 悬挂挡风帘， 阻止空气进入采空区， 降低煤氧化反应 速度； ③当遇到回风隅角 CO 气体再超限情况， 在工 作面溜头以上 10 m 位置再加设 1 道挡风帘， 实现降 低回风隅角 CO 气体积聚浓度。 3.3应急处理与预测预报 对于防灭火工作来说， 重点是管控， 能够及时发 现问题， 并做到及时防范。制定可靠的预案， 保证发 生问题时， 能够及时治理， 降低危害程度。根据工作 面防灭火实际情况， 制定如下措施 1） 从工作面开切眼开始， 在采空区内每隔 30 m 铺设 1 路束管， 共布置 4 路， 用于观测采空区内 30、 60、 90、 120 m 等位置的气体情况，一旦出现气体异 常， 进行不间断抽气监测， 随时了解气体变化情况。 2） 在工作面回风隅角及每隔 30 架支架设置防 火监测点， 对架间气体进行及时监测。 3） 在工作面两巷道铺设铁管， 用于注浆或注氮。 将铁管固定在支架上，随工作面推采，铁管随之移 动。 一旦采空区内 CO 气体出现上升的趋势时， 对采 空区进行注浆或注氮。 4结论 1） 采空区内煤体自燃防治主要针对自燃带， 只 要使引起煤自燃的 4 个条件中的 1 个或多个因素消 除， 终止煤氧化反应， 就可防止煤体发生自燃。 2） 采用 “五步耕” 工艺流程对裂隙区域进行治 理， 可解决注浆、 注惰气等效果不理想的问题， 有效 减少了工作面的漏风量， 保证了工作面的安全生产。 3） 通过控制风量， 并调节风障均压通风， 可有效 控制工作面 CO 气体浓度， 保证工作面安全生产。 参考文献 ［1］ 刘润年．超长走向综采工作面综合防灭火技术 ［J］ ．煤 炭科学技术， 2017， 45 （9） 114－119． ［2］ 刘伟． 综合防灭火技术在鹤煤六矿 2808 工作面的应 用 ［J］ ．煤炭工程， 2017， 49 （7） 81－83． ［3］ 王金力．神东矿区开采煤层自燃及预防基础研究 ［D］ ． 阜新 辽宁工程技术大学， 2006 22－34． ［4］ 王宁．大范围采空区煤自燃综合治理关键技术研究 ［J］ ．煤炭技术， 2017， 36 （10） 177－179． ［5］ 黄戈， 张勋， 王继仁， 等．近距离煤层上覆采空区自燃 监测点 塌陷区治理前塌陷区治理后 φ（O2） /φ（CO ） /10-6φ（O2） /φ（CO ） /10-6 采空区束管 120 m 采空区束管 90 m 采空区束管 60 m 采空区束管 30 m 工作面回风隅角 工作面回风巷 平均值 15.2 14.3 12.5 13.6 19.2 20.9 148 225 196 97 55 22 124 2.3 1.5 3.2 2.1 20.2 20.9 41 54 80 62 19 5 43 （下转第 151 页） 监测点 使用前使用后 φ（O2） /φ（CO ） /10-6φ（O2） /φ（CO ） /10-6 采空区束管 120 m 采空区束管 90 m 采空区束管 60 m 采空区束管 30 m 工作面回风隅角 工作面回风巷 平均值 9.2 6.8 2.5 3.1 20.1 20.9 86 59 92 102 44 21 67 6.1 5.0 7.5 6.6 19.6 20.9 72 50 63 49 28 13 46 146 ChaoXing Vol.50No.12 Dec. 2019 第 50 卷第 12 期 2019 年 12 月 Safety in Coal Mines 钻孔硫化氢浓度分布及变化趋势一致，硫化氢涌出 对工作面影响较大。由于煤层硫化氢赋存状态的特 殊性，仅通过通风稀释不能解决涌出治理问题， 可 采取采前煤层注吸收液以及采动期间喷雾吸收等主 被动治理方法。 参考文献 ［1］ 刘奎．综掘工作面硫化氢分布规律及泡沫治理技术 ［J］ ．煤炭科学技术， 2017， 45 （2） 71－75． ［2］ 路露．不同煤级煤对 H2S 的吸附性实验研究 ［D］ ．徐 州 中国矿业大学， 2014． ［3］ 薛景战， 傅雪海， 范春杰， 等．不同煤级煤对 H2S 气体 的吸附差异及吸附模型 ［J］ ．煤田地质与勘探， 2016， 44 （6） 75－78． ［4］ 苗永春， 付玉凯．煤矿硫化氢赋存机理及综合治理方 法研究 ［J］ ．煤炭技术， 2015， 34 （3） 227－230． ［5］ 傅雪海， 何也， 刘小辉， 等．乌鲁木齐西山井田原位煤 层瓦斯中 H2S 含量的影响因素及成因分析 ［J］ ．中国 煤炭地质， 2015， 27 （1） 28－30． ［6］ 马忠辉．新疆部分煤矿硫化氢赋存机理危害治理研究 ［J］ ．煤炭工程， 2017， 49 （S2） 133． ［7］ 姚亚虎， 黄中峰， 刘军．急倾斜特厚煤层硫化氢涌出规 律及控制技术研究 ［J］ ．煤炭工程， 2017， 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