大直径钻孔抽采条件下采空区遗煤自燃防治技术_邵国安.pdf

Safety in Coal Mines 第 51 卷第 11 期 2020 年 11 月 Vol.51No.11 Nov. 2020 近年采空区大直径钻孔抽采瓦斯技术 （钻孔直径 500～800 mm） 逐渐发展起来， 它是利用大型钻机 在煤层中施工大直径钻孔替代已取消的专用瓦斯排 放巷中的联络巷， 变联络巷通风为抽采瓦斯， 通过大 孔径钻孔实现采空区低浓度瓦斯大直径（钻孔直径 大直径钻孔抽采条件下采空区 遗煤自燃防治技术 邵国安 1， 邹永洺2,3 （1.山西小回沟煤业有限公司， 山西 清徐 030400； 2.煤科集团沈阳研究院有限公司， 辽宁 抚顺 113122； 3.煤矿安全技术国家重点实验室， 辽宁 抚顺 113122） 摘要 以山西小回沟煤业 2201 工作面采空区大直径钻孔抽采瓦斯为背景， 采用理论分析和现 场试验相结合的方法开展大直径钻孔抽采瓦斯条件下采空区遗煤自燃防治研究， 提出采用大直 径钻孔气体取样划分采空区自燃 “三带” 方法； 基于研究成果提出大直径钻孔抽采瓦斯条件下采 空区遗煤自燃防治措施， 工作面的最小安全推进速度为 0.46 m/d， 大直径钻孔抽采瓦斯负压要 低于 8 kPa， 大直径抽采瓦斯流量要低于工作面配风量 10， 采用灌浆防灭火和喷洒阻化剂防灭 火， 可将大直径钻孔 “一孔多用” 作为防灭火钻孔。 关键词 自燃 “三带” ； 大直径钻孔； 防灭火； 氧气浓度； 抽采参数 中图分类号 TD752.2文献标志码 B文章编号 1003-496X （2020 ） 11-0074-04 Prevention Technology of Residual Coal Spontaneous Combustion in Goaf Under the Condition of Large Diameter Borehole Extraction SHAO Guoan1, ZOU Yongming2,3 （1.Shanxi Xiaohuigou Coal Industry Co., Ltd., Qingxu 030400, China;2.China Coal Technology and Engineering Group Shenyang Research Institute, Fushun 113122, China;3.State Key Laboratory of Coal Safety Technology, Fushun 113122, China） Abstract Based on the background of the large diameter borehole extraction for the goaf of No.2201 working face in Xiaohuigou Coal Mine, the prevention of residual coal spontaneous combustion in the goaf under the condition of the large diameter borehole extraction is studied by using the combination of theoretical analysis and field test, the dividing of spontaneous combustion “three zone”in the goaf is proposed through the gas sampling of large diameter borehole. Based on the research results, the prevention and control measures of coal spontaneous combustion in the goaf under the condition of large diameter borehole extraction are put forward. The minimum safe advance speed of working face is 0.46 m/d, the negative pressure of large diameter borehole extraction is less than 8 kPa, the large diameter borehole extraction flow is less than 10 of the air distribution of working face. The grouting materials and the spraying chemical inhibitors are used to prevent the fire, and the large diameter borehole can be used as the fire preventing hole of“one hole with multiple uses” . Key words spontaneous combustion“three zone” ; large diameter borehole; fire prevention and extinguishing; oxygen concentra- tion; extraction parameters DOI10.13347/ki.mkaq.2020.11.015 邵国安， 邹永洺. 大直径钻孔抽采条件下采空区遗煤自燃防治技术 ［J］ .煤矿安全， 2020， 51 （11 ） 74-77， 82. SHAO Guoan, ZOU Yongming. Prevention Technology of Residual Coal Spontaneous Combustion in Goaf Un- der the Condition of Large Diameter Borehole Extraction ［J］ . Safety in Coal Mines, 2020, 51 （11 ） 74-77, 82.移动扫码阅读 基金项目 国家重点研发计划资助项目 （2018YFC0807900） ； 中国 煤炭科工集团有限公司科技创新基金资助项目 （2018-MS-022） ； 辽宁省自然科学基金指导计划资助项目 （20180551093） 74 Safety in Coal Mines Vol.51No.11 Nov. 2020 第 51 卷第 11 期 2020 年 11 月 图 1大直径钻孔采空区气样取样示意图 Fig.1BSchematic diagram of gas sampling in the goaf of large diameter borehole 500～800 mm） 、 大流量抽采 （单孔抽采混合流量可到 200～300 m3/min） ， 可有效的对采空区及上隅角瓦斯 进行抽采， 达到治理上隅角瓦斯的作用[1-5]。 在现场实践过程中发现， 因大直径钻孔直径大、 抽采流量大， 势必会引起采空区漏风量增加； 此外， 因采空区内遗留的破碎煤体，在采空区大直径钻孔 瓦斯抽采的情况下，破碎煤体与氧气共处，一旦漏 风条件适宜就难免发生采空区遗煤自燃。为此以小 回沟矿采空区大直径钻孔抽采为切入点，重点对大 直径钻孔抽采下的遗煤自燃防治技术展开研究， 可 保障工作面安全高效的生产。 1工程概况 山西小回沟煤业有限公司 2201 回采工作面为 2煤层首采工作面，工作面煤层平均厚度为 2.63 m， 2煤层的最短发火期为 110 d， 煤尘具有爆炸性， 煤层自燃倾向性为 III 类。工作面布置运输巷、 辅运 巷、 回风巷和抽采巷， 共计 4 条巷道， 各巷道之间留 设 15 m 保护煤柱。 2201 工作面瓦斯抽采方式为本煤层采用提前 预抽和边采边抽，邻近层采用高钻钻孔进行瓦斯抽 采，采空区采用大直径钻孔进行瓦斯抽采。目前在 2201 抽采巷已经施工 12 个大直径钻孔，进行了 11 个大直径钻孔的联网抽采，大直径钻孔累计抽采瓦 斯纯量 701 120.67 m3， 抽采浓度平均值为 2.24， 平 均混合抽采流量为 166.3 m3/min， 2201 回风巷平均 瓦斯浓度为 0.32， 上隅角平均瓦斯浓度为 0.40， 上隅角最大瓦斯浓度为 0.67，工作面日最大产量 为 9 370 t， 由此可以看出采用大直径钻孔进行采空 区瓦斯抽采，能够有效管控工作面上隅角瓦斯， 保 证工作面的安全生产。 2采空区自燃 “三带” 划分 2.1可行性分析 采空区束管监测系统是利用在巷道内预埋束 管，随着采煤工作面的不断往前推进，预埋在采空 区内的束管进入采空区深部，利用真空泵，通过预 埋的束管对采空区内的气体取样进行色谱分析， 但 在现场发现预埋的束管，随着采空区顶板的垮落， 束管容易被垮落的矸石折断、 擦伤、 刮伤和掩埋， 造 成束管破坏并出现漏气，易使真空泵抽不出气的现 象， 造成束管监测数据不准确[6-9]。 因大直径钻孔与采空区直接连通，且大直径钻 孔内下置了护壁钢管，能保证大直径钻孔的长期稳 定性，提出利用大直径钻孔进行采空区气体取样。 具体操作方法为 在大直径钻孔封闭的状态下， 通过 大直径钻孔孔口预留取气孔，将取气杆通过取气孔 伸入到采空区内， 利用真空泵抽取采空区内的气体， 实现采空区内气体的取样，大直径钻孔采空区气样 取样示意图如图 1。 这种取气方法与束管原理相同， 都是通过真空泵采取采空区内的气体，但大直径钻 孔因有护管的保护而稳定，能保证取样工作的顺利 开展，且通过伸入采空区内不同长度的取气杆， 可 实现采空区工作面方向不同位置的气体取样，这种 取样方式更方便灵活， 综合分析， 采用大直径钻孔抽 取采空区气体对自燃 “三带” 划分具有可行性[10-11]。 2.2自燃 “三带” 现场测定 考虑到现场测定的可操作性，采空区自燃“三 带”测定采用氧气浓度作为划分指标。按各带间的 氧气浓度来划分，散热带内氧气浓度取大于 18； 氧化带内的氧气浓度为 7～18；窒息带的氧气浓 度取小于 7。 随着工作面不断向前推进，大直径钻孔会依次 进入采空内的 “散热带” 、“氧化带” 和 “窒息带” ， 利 用真空泵和取气杆采集 3、 4大直径钻孔内采空区 气体， 对采集的气体进行色谱分析， 根据色谱分析氧 气浓度结果， 结合大直径钻孔与工作面的距离， 确定 自燃 “三带” 范围。统计分析了 3、 4大直径钻孔随 工作面不断推进钻孔取样氧气浓度色谱分析结果， 绘制出的氧气浓度随工作面与钻孔距离的变化曲线 如图 2。 由图 2 可知， 当 3大直径钻孔进入采空区 28.4 m 时， O2浓度降至 17.90， 3大直径钻孔检测点进 入采空区 78.4 m 时， O2浓度降至 6.84； 当 4大直 75 Safety in Coal Mines 第 51 卷第 11 期 2020 年 11 月 Vol.51No.11 Nov. 2020 图 5工作面风量和大直径钻孔抽采流量的关系 Fig.5Relationship between the air volume of working face and the extraction flow of large diameter borehole 图 3大直径钻孔抽采流量与抽采负压的关系 Fig.3Relationship between the extraction flowandthe negative pressure of the large diameter borehole 图 2氧气浓度随工作面与大直径钻孔距离变化曲线 Fig.2Oxygen concentration change curves with the distance between working face and large diameter borehole 径钻孔检测点进入采空区 30.4 m 时， O2浓度降至 17.86； 当 4大直径钻孔检测点进入采空区 82.4 m 时， O2浓度降至 6.79。 根据氧气浓度 7～18作为采空区自燃 “三带” 范围划分的依据， 2201 工作面采空区自燃 “三带” 分 布基本情况见表 1。 3采空区遗煤自燃防治技术措施 3.1工作面推进速度的确定 采空区遗煤在氧化升温带范围内遗煤才有可能 发生自燃，可根据氧化升温带的范围和煤层自然发 火期， 确定工作面推进速度。 2煤层最短自然发火期为 110 d。根据 2煤层 最短自然发火期和 2煤层采空区氧化带宽度， 可推 算出 2201 工作面的最小安全推进速度 vmin Lmax t （1） 式中 vmin为工作面最小推进速度， m/d； Lmax为 氧化升温带的宽度， m； t 为煤层最短自然发火期， d。 计算得出 2煤层工作面的最小推进速度为 0.46 m/d， 若推进速度大于 0.46 m/d， 采空区没有自 然发火的危险；若工作面连续超过 110 d 平均推进 速度小于 0.46 m/d， 采空区将有自然发火危险。 3.2大直径钻孔抽采参数的选择 统计 1 个月的大直径钻孔抽采管路的抽采流 量、抽采负压、工作面配风量和大直径钻孔抽采管 路内 CO 浓度，大直径钻孔抽采流量与抽采负压的 关系如图 3， 大直径钻孔抽采流量与管路内 CO 浓度 的关系如图 4，工作面风量和大直径钻孔抽采流量 的关系如图 5。 由图 3～图 5 可以看出 表 12201 工作面采空区自燃 “三带” 分布范围 Table 1Distribution range of the spontaneous combus－ tion“three zone”in the goaf of No.2201 working face 位置散热带/m氧化带/m窒息带/m 回风侧＜29.429.4～80.4＞80.4 图 4大直径钻孔抽采流量与管路内 CO 浓度的关系 Fig.4Relationshipbetweenthelargediameterborehole extraction flow and the CO concentration in pipeline 76 Safety in Coal Mines Vol.51No.11 Nov. 2020 第 51 卷第 11 期 2020 年 11 月 1 ） 随着抽采负压的增大， 大直径钻孔的抽采流 量也逐渐的增大，为考察大直径钻孔的极限抽采参 数， 将管路抽采负压持续增大， 最大抽采负压 11.36 kPa， 大直径钻孔最大抽采流量达到 397 m3/min。 2） 当大直径钻孔抽采流量为 246 m3/min， 大直 径抽采负压为 7.91 kPa 时， 大直径钻孔抽采管路出 现 CO， CO 浓度为 410-6， 随着大直径钻孔抽采流量 的增加， CO 的浓度逐渐增大， 当大直径钻孔最大抽 采流量达到 397 m3/min，抽采负压为 11.36 kPa 时， 大直径钻孔抽采管路 CO 的浓度达到最大 4810-6， 随着抽采负压和抽采流量的降低，抽采管路内的 CO 的浓度也逐渐降低， 在观测时间内 CO 浓度维持 在 1610-6。 3） 随着工作面配风量的增加， 大直径钻孔的抽 采流量也逐渐增大，这是因为随着工作面配风量和 抽采负压的增加，漏向采空区的风量也逐渐增加， 大直径钻孔的抽采流量也逐渐增大。结合图 4， 大 直径钻孔抽采管路内 CO 出现时， 工作面配风量为 2 307 m3/min，大直径钻孔抽采流量为 237 m3/min， 抽采负压为 8.16 kPa，此时大直径钻孔的抽采流量 是工作面配风量的 10.27；随着工作面配风量、 抽 采流量以及抽采负压的逐渐增大，大直径抽采管路 内的 CO 浓度也逐渐增大， 当工作面配风量为 2 684 m3/min， 抽采负压为 11.36 kPa， 大直径钻孔抽采流 量为 397 m3/min，大直径钻孔抽采管路内 CO 浓度 达到最大 4810-6， 此时大直径钻孔的抽采流量是工 作面配风量的 14.79； 当工作面配风量、 抽采流量 和抽采负压的逐渐降低时，大直径抽采管路内的 CO 浓度也逐渐降低， 在观测时间内 CO 浓度维持在 1610-6， 此时大直径钻孔的抽采流量是工作面配风 量的 9.6左右， 抽采负压维持在 7.3 kPa。 综上分析， 大直径钻孔抽采负压要低于 8 kPa， 大直径抽采流量控制在工作面配风量 10， 才能实 现大直径钻孔低负压、大流量抽采，实现采空区瓦 斯最大化抽出和防止采空区遗煤自燃。 3.3采空区遗煤自燃防治措施 1） 灌浆防灭火。在回风立井工业场地风机平台 南部建设地面固定黄泥灌浆站，对回采结束的工作 面在停采线进行封闭灌浆，灌浆液自回风立井自流 至井下。采用采后灌浆，即在采区或采区的一翼全 部采完，将整个采空区封闭灌浆。工作面正常回采 时如监测温度和 CO 不正常，有发火迹象或已经发 火时， 采取对火区密闭后， 连续注浆的方法， 直至温 度和 CO 数值正常后且稳定时间不小于 10 d。 2） 喷洒阻化剂防灭火。采用煤层表面喷洒和用 钻孔向煤体压注的方式。表面喷洒是从支架间隙向 采空区喷洒， 每间隔 5 组支架喷 1 次， 每次喷洒至少 6 min， 流量不小于 35 L/min； 对可能或已经开始氧 化发热的煤体进行打钻压注阻化剂。 3） 另外， 由于大直径钻孔与采空区直接连接， 并 且大直径钻孔有护壁钢管的保护， 能保持钻孔稳定， 当采空区遗煤发生自燃时，可将封闭的大直径钻孔 与注浆管路连接，通过大直径钻孔对采空区进行注 浆， 实现大直径钻孔的 “一孔多用” 。 4结语 1） 对基于大直径钻孔气体取样采空区自燃 “三 带” 划分原理和方法进行了分析， 利用大直径钻孔抽 取采空区内的气体能够真实有效的采集采空区内气 体，因此可利用大直径钻孔抽取采空区气体划分采 空区自燃 “三带” 。 2） 以 O2浓度为划分指标， 基于大直径钻孔取样 采空区气体组分，划分了 2201 工作面三带范围， 2201 工作面回风侧 散热带为 0～29.4 m， 氧化带为 29.4～80.4 m； 窒息带为大于 80.4 m。 3） 2 号煤层工作面的最小安全推进速度为 0.46 m/d； 大直径钻孔抽采负压要低于 8 kPa， 大直径抽 采流量控制在工作面配风量 10， 才能实现大直径 钻孔低负压、大流量抽采；小回沟矿采空区防灭火 技术主要采用灌浆防灭火和喷洒阻化剂，另外可以 将大直径钻孔 “一孔多用” 作为防灭火钻孔。 参考文献 ［1］ 罗如强.超大直径钻孔大流量抽采采空区瓦斯技术在 马兰矿的应用 ［D］ .北京 煤炭科学研究总院， 2018. ［2］ 高宏， 杨宏伟. 超大直径钻孔采空区瓦斯抽采技术研 究 ［J］ .煤炭科学技术， 2019， 47 （2） 77-81. ［3］ 王海东， 王哲.近距煤层群高瓦斯矿井采空区大直径 钻孔抽采瓦斯技术研究 ［J］ .煤炭技术， 2018， 37 （5） 149-151. ［4］ 王春丽.万安煤业大直径钻孔抽采采空区瓦斯技术应 用研究 ［J］ .煤炭与化工， 2019， 42 （5） 100-103. ［5］ 贾进章， 郭建.大直径抽采钻孔在采空区瓦斯抽采中 的应用 ［J］ .辽宁工程技术大学学报 （自然科学版） ， 2020， 39 （1） 1-5. ［6］ 张建业， 陈举师， 孙新.漏风测定和煤温监测防治采空 区煤炭自燃技术 ［J］ .矿业安全与环保， 2016， 43 （3） 60-63. （下转第 82 页） 77 Safety in Coal Mines 第 51 卷第 11 期 2020 年 11 月 Vol.51No.11 Nov. 2020 4） 在灭火战斗时， 必须严密监控爆炸性气体及 火势变化。 参考文献 ［1］ 刘学服， 方前程， 黄渊跃.独头煤巷掘进过程中瓦斯分 布规律研究 ［J］ .煤炭科学技术， 2012， 40 （3） 62-64. ［2］ 张晓东， 葛红霞.煤矿火灾事故应急救援技术分析 ［J］ . 能源技术与管理， 2012 （4） 124-126. ［3］ 吴兵， 雷柏伟.我国煤矿火灾应急救援体系建设机制 ［J］ 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年毕业于辽宁工程技术大学， 现任山西小回 沟煤业有限公司总经理， 从事煤矿安全生产管理工作。 （收稿日期 2020-05-22； 责任编辑 陈洋） ［7］ 赵彤宇， 杨胜强， 陈登照， 等.采空区自燃 “三带” 自动 化分析技术 ［J］ .煤矿安全， 2020， 51 （4） 118-121. ［8］ 王伟东， 王伟， 李鹏， 等.浅埋深高瓦斯工作面瓦斯抽 放对采空区自燃 “三带” 的影响研究 ［J］ .煤矿安全， 2020， 51 （1） 181-186. ［9］ 桂小红， 蔚世鹏.综放工作面 Y 型通风方式下的采空 区自燃 “三带” 研究 ［J］ .煤炭工程， 2019， 51 （2） 49. ［10］ 曹乃夫.三道沟煤矿综采工作面采空区自燃 “三带” 划分与漏风测定 ［J］ .煤矿安全， 2019， 50 （6） 192. ［11］ 文虎， 胡伟， 刘文永， 等.抽放条件下采空区煤自燃危 险区域判定 ［J］ .煤矿安全， 2018， 49 （11） 190-193. （上接第 77 页） 82