综放工作面回撤时期全断面喷浆防灭火技术_王宪涛.pdf

Safety in Coal Mines 第 51 卷第 11 期 2020 年 11 月 Vol.51No.11 Nov. 2020 综放工作面在末采回撤时期推进速度放缓， 加 之设备回撤时间较长，容易造成采空区等区域遗煤 氧化蓄热[1-3]。新疆地区一些矿井开采煤层埋深较 浅，在矿井负压的作用下，地表向采空区漏风较为 严重，若不加以管控，回撤时期采空区等区域的遗 煤自燃风险将急剧增加[4-6]。目前在工作面设备回撤 过程中，液压支架后部采空区表面煤体全断面喷浆 防灭火技术被一些矿井所采用，其防灭火效果还需 考察[7-11]。 国内外文献关于回撤时期全断面喷浆防灭 火技术对采空区的影响，还缺乏一定的基础数据和 系统性的研究。为此以神华国能哈密煤电有限公司 大南湖一矿 1305 综放工作面回撤时期采用的全断 面喷浆防灭火技术为研究对象，通过红外热成像仪 测定的温度和采空区束管监测数据为基础，系统性 综放工作面回撤时期全断面喷浆防灭火技术 王宪涛 1， 李永恩1， 安伟涛1， 张海洋2,3 （1.神华国能集团有限公司 煤炭管理部， 北京 100033； 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 以神华国能哈密煤电有限公司大南湖一矿 1305 工作面回撤时期作为研究对象， 通过红 外热成像仪采集的采空区表面煤体温度和气相色谱仪分析的采空区各气体体积分数作为基础 数据，运用 OriginLab 数据分析软件系统性地分析全断面喷浆堵漏前后采空区表面煤体温度和 采空区气体体积分数的变化情况。 结果表明 采空区表面煤体全断面喷浆后， 热量散发期 5 d， 热 量稳定期 5 d，随后煤体表面温度呈每 2 d 增长 0.5～1 ℃；喷浆后采空区 O2体积分数下降 3～ 4左右， N2体积分数上升 3～4左右。 关键词 煤矿火灾； 综放工作面； 工作面回撤； 全断面喷浆堵漏； 采空区； 防灭火技术 中图分类号 TD752.2文献标志码 B文章编号 1003-496X （2020 ） 11-0070-04 Fire Prevention Technology by Full-section Shotcrete Plugging During Equipment Recycling of Fully Mechanized Caving Face WANG Xiantao1, LI Yong’ en1, AN Weitao1, ZHANG Haiyang2,3 （1.Department of Coal Management, Shenhua Guoneng Group Co., Ltd., Beijing 100033,China;2.China Coal Technology and Engineering Group Shenyang Research Institute, Fushun 113122, China;3.State Key Laboratory of Coal Mine Safety Technology, Fushun 113122, China） Abstract Taking No.1305 working face equipment recycling period of Dananhu No.1 mine of Shenhua Guoneng Hami Coal Power Co., Ltd. as the research object, based on the data of the surface coal temperature of the goaf collected by the infrared thermal imager and the gas volume fraction of the goaf analyzed by the gas chromatograph, the OriginLab data analysis software is used to systematically analyze the changes in the surface coal temperature and the gas volume fraction of the goaf before and after full- section shotcrete plugging. The results show that after full-section shotcrete plugging of surface coal in the goaf, the heat dissipa- tion period is about 5 days and the heat stabilization period is about 5 days. Then, the surface temperature of the coal increases by about 0.5 to 1 ℃ every 2 days; the volume fraction of O2decreases about 3～4 and N2increases about 3～4 in the goaf. Key words coal mine fire; fully mechanized caving face; working face equipment recycling; full-section shotcrete plugging; goaf; fire prevention technology DOI10.13347/ki.mkaq.2020.11.014 王宪涛， 李永恩， 安伟涛， 等.综放工作面回撤时期全断面喷浆防灭火技术 ［J］ .煤矿安全， 2020， 51 （11 ） 70-73. WANG Xiantao, LI Yong’ en, AN Weitao, et al. Fire Prevention Technology by Full-section Shotcrete Plug- ging During Equipment Recycling of Fully Mechanized Caving Face ［J］ . Safety in Coal Mines,2020, 51 （11） 70-73. 移动扫码阅读 70 Safety in Coal Mines Vol.51No.11 Nov. 2020 第 51 卷第 11 期 2020 年 11 月 图 11305 回撤工作面全断面帷幕注氮工艺布置示意图 Fig.1Schematic layout of full-section curtain nitrogen injection process for 1305 equipment recycling working face 的分析该防灭火技术对采空区表面煤体温度和采空 区气体体积分数的影响。 1工程概况 大南湖一矿位于新疆哈密市境内，现主要开采 煤层为 3煤层， 1305 工作面于 2019 年 8 月 17 日完 成设备回撤并永久封闭。 1305 工作面倾向长度 240 m， 煤层倾角平均 8， 上覆及下覆煤层尚未开采。工 作面采用综合机械化放顶煤开采方法，全部垮落法 管理顶板， 采煤机采煤高度 2.8～3 m， 平均放煤高度 6.7～7.2 m， 工作面采煤回采率约 85。矿井瓦斯等 级为低瓦斯矿井， 3煤层自燃倾向性等级为Ⅰ类， 属 容易自燃煤层， 煤层最短自然发火期为 37 d， 煤尘 具有爆炸危险性。 2回撤时期采空区自燃危险区域及防灭火技术 2.1工作面回撤时期采空区自燃危险区域 1305 综放工作面采空区在不采取管控措施的 情况下， 采空区自燃 “三带” 分布范围为进风巷位置 氧化带 90～155 m， 回风巷位置氧化带 15～30 m。大 南湖一矿通过对近 5 个综放工作面的回采、回撤时 期采空区气体体积分数测定数据综合分析，在采取 综合防灭火技术措施的情况下， 采空区自燃 “三带” 分布范围为， 进风巷位置氧化带 20～50 m， 回风巷位 置氧化带 5～20 m， 因此， 在回撤时期需要对采空区 此区间进行防灭火工作的重点管控。 2.2工作面回撤时期采空区防灭火技术 1305 综放工作面回撤时期采空区主要采取以 注氮、控风堵漏和地面回填为主，灌浆为辅的防灭 火技术措施；采取以束管自动取样分析为主、人工 取样化验为辅的预测预报措施。 在工作面末采回撤阶段，采空区防灭火主要采 用全断面帷幕注氮工艺。1305 回撤工作面全断面帷 幕注氮工艺布置示意图如图 1。1305 综放工作面回 撤通道约 15 m，当工作面推进至距离停采线 40、 30、 20 m 时，分别在工作面液压支架后部刮板运输 机处， 沿采空区侧铺设长度约 240 m 左右的全断面 帷幕注氮管路，注氮管路埋入采空区 5～10 m 左右 时开始连续注氮， 注氮流量约 500 m3/h。 采空区在采取连续注氮防灭火技术措施的情况 下，同时采取全断面喷浆堵漏防灭火技术措施。在 工作面停止移架后，使用喷浆机对采空区侧的煤 体，沿底板至液压支架尾梁顶部，包括液压支架间 的裸露煤体进行全断面喷浆封堵。后部刮板运输机 回撤后及液压支架回撤期间，对所喷浆体完好状况 进行检查， 发现裂缝、 浆体脱落和破碎煤体裸露等情 况时， 进行复喷， 确保所喷浆体完整覆盖采空区和液 压支架间的裸露煤体。 3全断面喷浆堵漏防灭火技术效果考察 3.1全断面喷浆堵漏前后采空区表面温度变化 工作面全断面喷浆方式为回风隅角向进风隅角 方向对液压支架后部采空区侧进行喷浆，喷浆至工 作面中下部时调整为从进风隅角向工作面上部方向 喷浆， 历时 5 d 完成全断面喷浆堵漏工作。 7 月 15 日开始， 利用红外热成像仪对回撤时期 的 1305 工作面进行温度监测， 7 月 17 日回风隅角 开始进行喷浆堵漏。根据红外热成像仪所拍摄的照 片如图 2。 回风隅角表面喷浆后， 热量由回风隅角底 部至中部再向上部进行热传递，热量散发期在 5 d 左右， 回风隅角表面会散发出较高热量； 热量稳定期 在 5 d 左右， 回风隅角温度趋于稳定； 回风隅角在经 历热量散发期和稳定期后， 温度会略有上升， 但随着 设备回撤的进行， 通风方式的改变， 回风隅角在设备 回撤后期的温度总体趋于稳定。 喷浆前后采空区表面煤体温度变化情况如图 3。1305 回撤工作面液压支架后部采空区表面煤体 温度增速总体为每 2 d 上升 0.5～1 ℃； 喷浆后， 热量 散发期约 5 d， 之后温度稳定， 热量稳定期约为 5 d， 随着设备回撤的进行， 喷浆封堵效果有所下降， 采空 区表面煤体温度呈每 2 d 上升 0.5～1 ℃。 综上所述，采取液压支架后部全断面喷浆堵漏 技术措施后， 由于浆液温度低且富含水分， 从而起到 对煤体的降温效果， 随着煤体裂隙的封闭， 从工作面 向采空区的漏风裂隙被封堵，减少了工作面向采空 区的漏风供氧， 降低了煤氧复合作用的强度， 从而使 71 Safety in Coal Mines 第 51 卷第 11 期 2020 年 11 月 Vol.51No.11 Nov. 2020 煤体升温速率大幅放缓。但是随着液压支架回撤等 扰动因素的影响，所喷浆体受动压作用，浆体表面 破裂， 甚至脱落， 封堵效果下降， 导致煤体温度依然 会持续上升。 3.2全断面喷浆堵漏前后采空区气体体积分数变化 在全断面喷浆堵漏工作完成前，采空区束管埋 深 6 m 处的 O2体积分数 19.6， CO 体积分数 20 10-6， N2体积分数 80.3， CH4、 C2H4和 C2H2体积分数 为 0；采空区束管埋深 17 m 处的 O2体积分数 8.4， CO 体积分数 6410-6， N2体积分数 91， CH4、 C2H4和 C2H2体积分数为 0。 7 月 22 日， 完成全断面喷浆堵漏工作后， 束管 埋深 17 m 处的 O2和 CO 体积分数有明显下降， O2 体积分数由 8.2降为 5.2， CO 体积分数由 6510-6 降为 3710-6， N2体积分数由 91升高至 94；埋深 6 m 处的束管 O2体积分数也有所下降， O2体积分数 由 19.6降为 15.7， CO 体积分数无明显变化， N2 体积分数由 80升高至 84。 全断面喷浆堵漏技术对采空区表面裂隙封堵及 提高注氮效果有着显著的作用，单纯的上下端头喷 浆堵漏对提升采空区注氮效果存在一定的局限性。 8 月 1 日回撤工作面改为局部通风机通风， 风 筒布置在液压支架后部。改为局部通风机通风后， 采空区束管埋深 6 m 和 17 m 处的 CO 体积分数有 所下降， 但 O2体积分数无明显变化， 采空区 N2体积 分数略有提升， 但不明显。矿井为抽出式通风， 地表 裂隙与采空区存在漏风通道，局部通风机通风可减 小采空区与工作面间的压差，但还是会存在一定量 的地表漏风。 根据 1305 工作面设备回撤时期的采空区束管 监测数据来看，采空区未出现 C2H4和 C2H2自然发 火标志气体， CO 体积分数也小于正常开采过程中 束管监测到的数值。 综上所述，全断面喷浆堵漏技术能较为明显的 提高采空区 N2含量， 降低氧气含量。 同时， 全断面帷 幕注氮工艺结合全断面喷浆堵漏技术措施能有效降 低采空区遗煤自燃风险。 4结论 1） 全断面喷浆堵漏技术可以有效降低破碎煤体 表面温度， 大幅度降低工作面向采空区漏风， 在一定 图 21305 综放工作面回撤时期回风隅角温度照片 Fig.2Temperature pictures of return air corner in 1305 fully mechanized caving face during equipment recycling period 图 3喷浆前后采空区表面煤体温度变化情况 Fig.3Changes of surface coal temperature in goaf before and after shotcreting 72 Safety in Coal Mines Vol.51No.11 Nov. 2020 第 51 卷第 11 期 2020 年 11 月 率增大了 5.74， 煤层润湿效果良好， 从根源上减少 了粉尘的产生。 3） 基于改进采煤机高压外喷雾系统和全断面伸 缩式捕尘网技术手段，有效的治理了重点产尘区 域，采用分段多重阻隔粉尘技术手段，进一步降低 了综放面的粉尘浓度。 参考文献 ［1］ 陈芳， 刘勇， 马威， 等.综放工作面动静压联合注水技 术研究 ［J］ .煤炭科学技术， 2015， 43 （5） 67-70. ［2］ 张炜， 张东升， 王旭峰， 等.大倾角厚煤层注水防尘技 术应用 ［J］ .煤炭工程， 2010 （9） 43-45. ［3］ 朱留哲， 刘传俊， 何万里， 等.煤层长孔注水降尘机理 和工程应用 ［J］ .煤炭技术， 2015， 34 （2） 149-3151. ［4］ 熊祖强， 袁广玉.难注水煤层降尘注水工艺参数研究 ［J］ .煤炭工程， 2013 （8） 57-59. ［5］ 熊祖强， 袁广玉， 陶广美.综放工作面注水降尘技术 ［J］ .西安科技大学学报， 2013， 33 （4） 394-399. ［6］ 吴国友， 刘奎， 郭胜均， 等.综放面特殊煤层的注水降 尘研究 ［J］ .采矿与安全工程学报， 2008， 25 （1） 99. ［7］ 赵振保.变频脉冲式煤层注水技术研究 ［J］ .采矿与安 全工程学报， 2008， 25 （4） 486-489. ［8］ 张永吉.煤层注水技术 ［M］ .北京 煤炭工业出版社， 2001. ［9］ 张延松.综放工作面煤层注水技术的研究 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