石炭纪特厚煤层工作面自燃火灾综合治理技术实践研究.pdf

学位论文答辩信息表 论文题目 石炭纪特厚煤层工作面自燃火灾综合治理技术实 践研究 课题来源* 企事业单位委托项目 论文类型 在[ ]内打 “√” [ ]产品研发 [ ]工程设计 [√]应用研究 [ ]工程/项目管理 [ ]调研报告 [ ]基 础研究 论文答辩日期 2020.11.25 答辩秘书 武鹏飞 学位论文答辩委员会成员 姓名 职称 博导/硕导 工作单位 答辩委员会 主席 康天合 教授 博导 太原理工大学 答辩委员 1 张东峰 副教授 硕导 太原理工大学 答辩委员 2 姚素玲 副教授 硕导 太原理工大学 *课题来源可填国家重点研发计划项目、国家自然科学基金项目、 国家社科基金项目、教育部人文社科项目、国家其他部委项目、省科 技厅项目、省教育厅项目、企事业单位委托项目、其他 万方数据 太原理工大学工程硕士研究生学位论文 I 石炭纪特厚煤层工作面自燃火灾综合治理技术实践研究 摘 要 随着经济社会的迅速发展，我国煤炭的消费与产量在不断增加，相关 统计结果表明，目前煤炭在我国一次能源消费中的占比达到 76。伴随而 来的问题也有很多，大量的煤炭自燃现象严重制约了中国许多高产高效矿 井的发展，造成了资源的大量浪费与环境污染。本文进行了特厚煤层工作 面自燃火灾综合治理技术研究，在研究过程中选择金庄煤业石炭纪特厚煤 层为案例，具体分析了其大采高综放面开采的现状，且研究了这种煤层的 自燃火灾综合治理相关问题。石炭纪特厚煤层工作面自燃火灾综合治理技 术实践研究 首先明确本文的研究目标、技术路线，接着调查分析了金庄煤业各项 数据，对数据进行统计分析发现，其 8201 工作面在回采初期存在的问题主 要表现为推进速度慢，采空区浮煤多、工作巷成型时间长，然后结合相关 经验对这些问题的产生原因进行具体分析，确定了 3-5 合并层综放工作面 能否实现优质高产，防灭火是关键。 研究基于煤层自燃特性理论与采空区自燃“三带”理论，对金庄煤业 3-5 合并层综放面采空区注氮、 端头堵漏条件下的自燃 “三带” 经行了划分， 并对 8201 综放面采空区提出束管检测与堵漏策略。 且应用基于采空区数值 模拟方法对金庄煤业 3-5 合并层综放面自燃 “三带” 进行采空区数值模拟， 建立了优化的综放面推进速度。 结合金庄煤业实际情况，参考煤炭自燃综合防治策略，且考虑到其自 燃发火期特征，而对工作面两道两线需及时喷浆和阻化剂处理，根据采空 区预防煤自燃相关要求，而制定出融合封堵、注氮、灌浆等的综合防治方 案。 采用自然发火束管预测预报技术、 氮气防灭火技术、 灌浆防灭火技术、 阻化剂、端头封堵技术相关的方法进行防灭火处理。且在此基础上建立了 全面的火灾防治技术体系，为提高工作安全性提供可靠的支持。 关键词关键词特厚煤层；综放开采；数值模拟；防灭火技术 万方数据 太原理工大学工程硕士研究生学位论文 II 万方数据 太原理工大学工程硕士研究生学位论文 III Practical Research on Comprehensive Treatment Technology of Spontaneous Combustion Fire in Working Face of Carboniferous Extra-thick Coal Seam ABSTRACT With the rapid development of economy and society, the consumption and output of coal in China are constantly increasing. The relevant statistical results show that at present, coal accounts for 76 of the primary energy consumption in China. In this paper, the comprehensive control technology of spontaneous combustion fire in the working face of extra thick coal seam is studied. In the research process, the Carboniferous extra thick coal seam of Jinzhuang coal industry is selected as an example, and the current situation of its large mining height fully mechanized caving face mining is specifically analyzed, and the related problems of the comprehensive control of spontaneous combustion fire in this kind of coal seam are studied. First of all, the research objectives and technical routes of this paper are defined. Then, the data of Jinzhuang coal industry are investigated and analyzed. The statistical analysis of the data shows that the main problems of 8201 working face in the early stage of mining are slow speed of advancing, more floating coal in the goaf and long time of ing the working lane. Then, the causes of these problems are analyzed with relevant experience. Combined with the actual situation of Jinzhuang coal industry, the comprehensive prevention and control strategy of coal spontaneous combustion is implemented truthfully, and considering the characteristics of its natural ignition period, the two lines of the working face need to be timely sprayed with slurry and chemical inhibitor materials, and according to the relevant requirements of coal spontaneous combustion prevention in the goaf, a comprehensive prevention and control plan integrating plugging, nitrogen injection, grouting, etc. is developed. According to the analysis of the change of relevant index gases during coal spontaneous combustion, carbon monoxide, water vapor, CH4 and other gases 万方数据 太原理工大学工程硕士研究生学位论文 IV are ed by the combination of coal temperature programmed and oxygen. Carbon monoxide is detected at 51 ℃, ethylene is detected at 135 ℃, acetylene is detected at 340 ℃, and the spontaneous combustion of coal can be predicted according to the occurrence temperature of various gases. Two groups of bundle pipe monitoring systems are arranged in the two roadways. In the process of mining, each shift will sample and test the temperature rise zone is mainly distributed in the area 22-107m away from the coal wall. The oxidation temperature rise zone is located in the air inlet area, and the maximum width is about 85m. s related to the prediction technology of natural fire bundle, nitrogen fire-fighting technology, grouting fire-fighting technology, chemical inhibitor and end plugging technology are used for fire-fighting treatment. On this basis, a comprehensive fire prevention and control technology system is established to provide reliable support for improving work safety. Key words Extra-Thick Coal Seam; Fully Mechanized Caving Mining; Numerical Simulation; Fire Prevention Technology 万方数据 太原理工大学工程硕士研究生学位论文 V 目 录 摘 要 ..................................................................................................................................... I ABSTRACT .......................................................................................................................... III 第 1 章 绪论 ......................................................................................................................... 1 1.1 选题背景和依据 ........................................................................................................ 1 1.2 研究目的和意义 ........................................................................................................ 1 1.2.1 研究目的 .......................................................................................................... 1 1.2.2 研究意义 .......................................................................................................... 2 1.3 国内外研究现状 ........................................................................................................ 2 1.3.1 煤自燃理论 ...................................................................................................... 2 1.3.2 煤自燃机理研究技术 ...................................................................................... 3 1.3.3 煤层自燃防治技术 .......................................................................................... 3 1.4 研究的主要内容与方法 ............................................................................................ 5 1.4.1 研究主要内容 .................................................................................................. 5 1.4.2 研究方法 .......................................................................................................... 5 1.4.3 研究技术路线 .................................................................................................. 6 第 2 章 相关理论基础 ......................................................................................................... 7 2.1 煤的自燃倾向性实验过程 ........................................................................................ 7 2.2 煤层最短自燃发火期数学模型 ................................................................................ 8 2.3 采空区自燃“三带”理论 ........................................................................................ 9 2.3.1 采空区煤炭自燃理论 ...................................................................................... 9 2.3.2 采空区自燃“三带”理论 ............................................................................ 12 2.3.3 采空区自燃“三带”环境影响因素 ............................................................ 14 第 3 章 金庄煤业矿井概况及自燃倾向性鉴定情况 ....................................................... 16 3.1 矿井概况 .................................................................................................................. 16 3.1.1 交通位置 ........................................................................................................ 16 3.1.2 地形、地貌 .................................................................................................... 17 3.1.3 地面水系 ........................................................................................................ 17 3.1.4 气象特征及地震情况 .................................................................................... 17 3.2 井田地质构造 .......................................................................................................... 17 3.3 煤层及煤质 .............................................................................................................. 18 3.3.1 含煤地层 .......................................................................................................... 18 3.3.2 主采煤层 .......................................................................................................... 19 3.3.3 煤质 .................................................................................................................. 20 3.4 煤层开采技术条件 .................................................................................................. 21 3.4.1 岩石的工程地质特征 ...................................................................................... 21 3.4.2 瓦斯 .................................................................................................................. 21 3.4.3 自燃 .................................................................................................................. 22 3.5 金庄煤业煤层自燃倾向性鉴定情况 ...................................................................... 22 3.5.1 鉴定结果 ........................................................................................................ 22 3.5.2 金庄煤业煤自燃的标志性气体 .................................................................... 23 万方数据 太原理工大学工程硕士研究生学位论文 VI 3.5.3 金庄煤业最短自然发火期解算结果 ............................................................ 25 第 4 章 金庄煤业 3-5 合并层综放面采空区自燃“三带”测定 .................................... 27 4.1 金庄煤业 8201 综放面概况 .................................................................................... 27 4.2 8201 综放面采空区束管监测系统及堵漏措施 ..................................................... 27 4.3 注氮、端头堵漏条件下采空区自燃“三带”参数 .............................................. 29 第 5 章 金庄煤业 3-5 合并层综放面自燃“三带”数值模拟 ........................................ 38 5.1 数值模拟 3-5 合并层综放工作面采空区数值模拟理论 ...................................... 38 5.2 3-5 合并层综放工作面采空区自燃“三带”数值模拟结果 ............................... 40 5.3 采空区自燃“三带”划分 ...................................................................................... 44 5.4 金庄煤业 8201 综放面合理推进速度的确定 ........................................................ 44 第 6 章 金庄煤业煤自燃综合防治技术措施 ................................................................... 46 6.1 注氮防灭火工艺和方法 .......................................................................................... 46 6.1.1 注氮工艺 .......................................................................................................... 46 6.1.2 注氮方式 .......................................................................................................... 46 6.1.3 注氮流量的确定 .............................................................................................. 48 6.1.4 制氮机参数 .................................................................................................. 48 6.1.5 相关的输氮管路设计 ...................................................................................... 48 6.2 初采期间喷洒阻化剂 .............................................................................................. 51 6.2.1 阻化剂的浓度 .................................................................................................. 52 6.2.2 喷洒系统 .......................................................................................................... 52 6.2.3 阻化剂喷洒工艺 .............................................................................................. 52 6.2.4 阻化剂喷洒地点 .............................................................................................. 52 6.2.5 参数计算 .......................................................................................................... 52 6.2.6 阻化剂喷洒要求 .............................................................................................. 53 6.3 端头封堵 .................................................................................................................. 54 6.4 注浆防灭火 .............................................................................................................. 54 6.5 束管监测 .................................................................................................................. 55 6.5.1 完善束管火灾监测系统 .................................................................................. 55 6.5.2 测点的设置 ...................................................................................................... 55 6.5.3 火灾监测系统管路的敷设 .............................................................................. 55 6.5.4 人工检测 .......................................................................................................... 56 6.6 安全技术措施 .......................................................................................................... 57 第 7 章 总结 ....................................................................................................................... 60 参考文献 ............................................................................................................................... 63 致 谢 ................................................................................................................................... 66 攻读学位期间取得的科研成果 ........................................................................................... 68 万方数据 太原理工大学工程硕士研究生学位论文 1 第 1 章 绪论 1.1 选题背景和依据 煤炭在生产生活领域都有广泛的应用，我国的煤炭资源储量多，且分布范围广，在 能源领域有重要的支柱性地位[1]。中国能源赋存特征具体表现为富煤、贫油、少气，因 而很有必要加大煤炭资源的研究和应用力度[2]。而在实际的发展过程中，煤炭也为我国 经济快速发展提供了强大的动力支撑，且表现出很高的应用价值[3]。倪维斗在此方面进 行了未来能源格局转化的预测研究，估计至 2050 年我国煤炭在能源结构中煤炭依然占 据重要地位，以后其重要性会不断降低，占比会下降到 50[4]。不过相应的总量仍据需 地增加。不过在此过程中受到地质赋存条件相关因素的干扰，各矿井煤炭开采过程中， 矿井火灾的问题没有有效的处理，这对矿井安全生产的威胁很严重。 在我国，煤炭自然发火的出现比例较高，相关统计结果表明，我国的 55％的矿井 存在自然发火的问题[5]。统计调查发现上世纪八十年代我国煤矿矿井共发火 10296 次， 相应的每年平均百万吨发火率为 0.76 次[6]。和世界几个主要产煤国家相比，在此方面还 有很大的改进空间。采空区自燃严重地影响了我国煤炭企业的效益，与此相关的损失也 在不断的增加。进入 90 年代后，矿井生产过程中开始引入新的技术，发展模式转向高 产高效集约化方向，相应的火灾发生率也在不断的提高[4,8]。在矿井救灾过程中，引发 自燃的因素有很多种， 如密闭不及时、 密闭范围过大等， 一般无法实现自动密闭的效果， 这样在处理过程中出现二次事故可能性很高。 造成这些事故的主要原因之一为我国煤矿 整体防灭火技术不强，且企业对此也不是很重视。此外我国此领域的研究起步晚，且相 应的灭火关键设备和技术水平也不强，煤自燃机理相关的研究也不深入。 1.2 研究目的和意义 1.2.1 研究目的 （1）对金庄煤业相关资料进行统计分析，且综合相关实际的调查结果。在此基础 上结合理论知识来分析金庄煤业煤层的自燃影响因素，为防控措施的制定提供支持。 （2）在实验基础上研究其 3-5 合并煤层煤样的标志气体，从而确定出在其自然发 火期间相关气体的变化情况，进行一定的关联性分析，为有效的处理煤层火灾问题提供 支持。 （3）在连续监测基础上，明确相应的综放面采空区自燃“三带”的变化规律，进 万方数据 太原理工大学工程硕士研究生学位论文 2 行一定的等级划分，同时分析工作面推进速度、封堵的相关性。 （4）对综放面自然发火综合防治技术进行深入研究，且在此基础上建立起联合注 氮、 注浆、 阻化剂、 堵漏为一体的防治技术体系， 为提高综放工作面开采安全提供支持， 更好地满足防控要求。 1.2.2 研究意义 金庄煤业 8201 综放工作面开采煤层为 3-5 合并煤层，根据山西省煤炭工业厅综合 测试中心鉴定报告鉴定 3-5 合并煤层自燃倾向性为易自燃煤层。通过山西省煤炭工业厅 综合测试中心实测，确定 3-5 合并层工作面自然发火期最小值为 40 天。根据相关调查 结果表明 8201 工作面煤层厚度平均 11.8m，回采 3.9m，放煤高度达 11.08m。在开采过 程中回采初期工作面推进慢， 采空区浮煤多， 出现自燃的可能性高， 回风巷成型时间长， 且相应的放顶煤无法将顶煤全部放净， 在此因素的影响下发生自然发火的可能性明显提 高。此外巷道在掘进期间对应的冒顶地点较多，高冒顶也促使自燃出现。总体上看研究 工作面自燃火灾的规律和防治技术有重要的意义。 1.3 国内外研究现状 1.3.1 煤自燃理论 十七世纪开始一些学者针对煤自燃理论进行研究， 为了有效地分析煤自燃的深层次 的原因，很多相关的理论模型和假设不断的被提出。相关的学说主要包括[8]酷基导因学 说、黄铁矿导因学说等。不过受到时代等方面因素制约，这些学说都存在局限性。在其 后不断的发展和演化基础上，相关的学说也在不断发展。目前广泛接受的为氧复合学说 [9]。这种学说主要是基于分子角度阐释自燃的机理，根据此学说，煤自燃是由于煤与外 界的氧气氧化后释放出的热导致的。 在此期间出现的变化主要包括物理吸附、 化学吸附、 化学反应。煤与外界氧气在裂隙的作用下接触，且出现物理吸附，释放出热量，其后进 一步出现化学吸附，最后则在化学反应基础释放出大量的热，这些热量在相对封闭的空 间中无法得到有效的释放，而提高了煤炭的温度，最终超过临界点后就会自燃。 在煤氧复合理论的基础上，其他相关的学说和理论也不断的被提出 （1）自由基作用理论[9-10]，根据这种理论进行分析时，煤视作大分子物质，破裂 后出现了很多的裂隙，从而促使其中共价键的断裂，在此基础上出现很多的自由基，然 后自由基反应而