煤岩裂隙发育诱导采空区漏风及自燃防治研究.pdf

第27卷 第1期 2010年03月 采矿与安全工程学报 Journal of Mining 教育部长江学者和创新团队发展计划IRT0618 ;河南省基础与前沿技术研究计划资 助项目082300463205 作者简介褚廷湘19812 , 男,河南省桐柏县人,助教,硕士,从事矿井火灾防治技术方面的研究. E2mail ctx1900 Tel 13569123659 文章编号16732336320100120087207 煤岩裂隙发育诱导采空区漏风及自燃防治研究 褚廷湘1,余明高1,杨胜强2,贾海林1 1. 河南理工大学 安全科学与工程学院,河南 焦作 454003 ; 2.中国矿业大学 安全工程学院,江苏 徐州 221116 摘要为了防治采空区漏风及浮煤自燃,结合阳泉矿区近距离上覆岩层冒落特点和U Ⅱ 型通 风方式,在分析采空区煤岩裂隙的发育特征和大煤堆实验的基础上,提出 1 系统制定防灭火技 术措施的必要性 ;2 增阻控制漏风技术措施 ;3 阻化剂的优选实验,及防灭火工艺的设计.结果 表明,上覆岩层裂隙发育诱导采空区漏风是浮煤自燃的原因之一,14 煤层自燃倾向为 Ⅰ 类,采 空区后部增阻有利于减少漏风量,MEA阻化性能优越,实现了15108工作面的安全回采.本文 研究,对阳泉矿区U Ⅱ 型近距离煤层采空区浮煤自燃防治,提供了技术指导,具有重要的现实 意义和经济价值. 关键词 U Ⅱ 型通风;裂隙;漏风;自然发火;阻化 中图分类号 TD 72 文献标识码 A Air Leaking Induced by Well Developed Coal Fractures and Prevention of Spontaneous Combustion in Goaf CHU Ting2xiang1, YU Ming2gao1, YANG Sheng2qiang2, J IA Hai2lin1 1. School of Safety Science and Engineering , Henan Polytechnic University , Jiaozuo , Henan 454003 , China ; 2. School of Safety Engineering ,China University of Mining 2 technical counterseasures for resistance2increasing to control air leakage ; and 3 the optimization experiment for inhibitor and the design of fire prevention and extinguish. The result shows that the fracture leading to air leakage is one of the reasons causing spontaneous combustion , and the spontaneous combustion proneness of 14 coal seam belongs to typeⅠ. The resistance increasing is beneficial to reduce the air leakage ; MEA is su2 perior in inhibition , making safety mining in No. 15108 working face realized. The study a2 chievement provides a technical guidance to the float coal spontaneous combustion on the condi2 tion“U Ⅱ ”style ventilation mode and close distance coal seams in Yang2quan mine area , which is significant for economic effect. Key words “U Ⅱ ”style ventilation ; fractures; air leak ; spontaneous combustion ; inhibition 采矿与安全工程学报第27卷 我国煤炭开采条件复杂、 灾害严重,安全问题 一直是制约煤炭工业健康发展的主要因素之一.在 我国国有重点煤矿中,存在煤炭自燃的矿井占矿井 总数的56 ,因煤炭自燃而引起的火灾占矿井火 灾总数的90 以上[1].矿井瓦斯和煤层自燃是严 重威胁煤矿井下安全生产的两大主要灾害,当矿井 瓦斯和煤层自燃同时存在时,对矿井的生产和人员 的安全则构成了双重威胁.采空区上覆岩层裂隙发 育方面许家林、 屈庆栋等[223]提出了利用关键层理 论研究了煤岩裂隙发育及卸压对瓦斯抽放的问题, 充分利用煤岩裂隙发育实现对采空区及邻近层的 瓦斯实施抽放.李宗翔等[4]基于漏风渗流研究了采 空区瓦斯涌出及自燃耦合关系.张辛亥等[5]提出了 近距离煤层自燃危险区域划分及预测.以上研究成 果对与瓦斯抽采和防灭火起到了重要影响.但是查 阅大量文献发现,缺少系统研究上覆岩层裂隙发育 及高抽巷配合内错尾巷瓦斯抽放技术下的采空区 漏风及自燃的研究.本文结合阳泉的实际问题和情 况,系统地对U Ⅱ 型近距离煤层采空区煤岩裂隙 发育诱导采空区漏风、 浮煤煤氧化特性、 防治技术 及应用方面进行研究,为阳泉的自然发火防治提供 技术帮助. U Ⅱ 型工作面通风,是阳煤最具代表性的工 作面巷道布置方式和瓦斯抽放技术,为实现阳煤集 团高瓦斯工作面煤与瓦斯共采提供了有效途径. U Ⅱ 型工作面实行 “一进三回”,利用内错尾巷和高 抽巷实现对上隅角和上覆岩层及邻近层的瓦斯抽 采,保证了正常回采期间瓦斯治理问题[6].但自07 年9月至08年9月,阳煤集团下属4个工作面发 生了火灾,致使工作面密闭,影响了矿井的安全生 产和进度,造成巨大的经济损失和社会影响.阳泉 矿区大部分都是高瓦斯矿井,矿井一旦发生火灾, 煤体明火引燃瓦斯,就极有可能导致瓦斯爆炸,造 成更大的经济损失及人员伤亡.更有甚者扩大事故 规模,瓦斯爆炸引发的火焰及高温引燃周围煤体, 使发火区域增大,增加救灾难度.因此,展开高瓦斯 工作面采空区浮煤的自然发火研究十分有意义. 1 UⅡ 型近距离工作面采空区漏风特征 氧气是煤体发生氧化的条件之一,因此分析氧 气的来源,对于防治煤体自燃氧化是必要的.以石 港煤业15101工作面为例,其能代表阳煤U Ⅱ 型 近距离煤层工作面的普遍情况,而且此面是4个发 火面之一,具有针对性和代表性. 1. 1 工作面概况 15101综放工作面标高为952～997 m ,地表 标高为1 492～1 375 m ,埋藏深度为423～517 m. 工作面走向长425 m ,倾斜长152 m ,主采15 煤层 厚6. 68～7. 35 m ,平均厚度7. 02 m ,煤层倾角5 ～14.工作面巷道布置如图1所示. 图1 15101工作面巷道布置图 Fig. 1 Roadway layout about 15101workface 在15 煤层垂直上方6～7 m有14 煤层存 在,14 煤层不开采,随顶板冒落于采空区中.这样 使得采空区浮煤增加,14 煤与15 煤之间最小夹 矸0. 4 m左右,这样使得采空区某个位置两层浮 煤重叠,浮煤厚度变大. 15 煤层与14 煤层空间 位置关系如图2. 88 第1期褚廷湘等煤岩裂隙发育诱导采空区漏风及自燃防治研究 图2 15 煤层与14 煤层空间位置关系 Fig. 2 Location betwwen14 and 15 coal seam 工作面通风瓦斯管理采取内错尾巷布置方式, 是近年来广泛采用的放顶煤工作面瓦斯治理技术, 其在原传统的 “U” 型通风系统基础上,另距回风巷 内侧10～20 m处沿顶板裂隙带布置一条 “内错尾 巷”,15101综放面高抽巷沿9 煤层布置,距15号 煤层顶板距离为53. 9 m ,距离回风巷的水平距离 为60 m左右.内错尾巷的通风负压大于回风巷, 内错尾巷永久处于低压区,这样就可以使其发挥专 用排瓦斯的作用,减少上隅角瓦斯的涌出量,解决 上隅角瓦斯超限问题.在工作面割煤初期,高抽巷 的作用不会太大,但随着工作面的推进,基本顶初 次来压显现以后,上覆岩层的采动裂隙开始逐渐发 育,这时后高抽巷及高抽巷将会逐步发挥作用,邻 近层瓦斯会大量涌入高抽巷,其瓦斯含量将会增 加,整个抽采效果也会因此得到大大提高. 1. 2 UⅡ 型近距离煤层采空区裂隙发育分析 近距离煤层的开采,给煤自然发火预测和防治 带来了一系列新的问题,主要表现在[7] 1 近距离煤层上、 下煤层间岩体力学性质对 岩体破裂带和冒落带高度产生很大的影响.对于近 距离煤层而言,上、 下煤层因采动影响容易串通,漏 风规律相对较为紊乱,煤体相对破碎,自燃危险性 增强. 2 近距离煤层由于上下煤层间距较小,煤层 开采时受采动影响比较大.在下部煤层开采过程 中,基本顶初次来压、 垮落后,发生周期性来压、 垮 落,引顶部岩层产生冒落带、 裂隙带和整体移动带. 下部煤层顶部岩体垮落产生大量裂隙,使得冒落带 和裂隙带中的裂隙成为空气渗流的主要通道,上部 煤层供氧充分. 李树刚教授提出了综放工作面采空区的上覆 岩会形成两类裂隙[8],以钱鸣高院士为首的科研群 体对整个上覆岩层直至地表岩层的整体运动规 律[9]提出了 “横三区” 、“竖三带” 总体认识,即沿工 作面推进方向上覆岩层将分别经历煤壁支承影响 区、 离层区和重新压实区,由下而上岩层移动划分 为垮落带、 裂缝带和整体弯曲下沉带.在卸压区内 岩层以拉应力为主,当其超过岩体的极限抗拉强度 时,便出现纵向裂隙,因此在顶板覆岩周期断裂时 在煤壁前方顶板岩层内产生开口向上的纵向裂隙, 在煤壁后方顶板岩层内产生开口向下的纵向裂隙. U Ⅱ 型工作面由于内错尾巷及高抽巷的开 拓,对上覆岩层进行了区域性卸压,造成周围岩体 松动,引发裂隙发育,随着工作面的不断推进,对采 空区及上覆岩层的裂隙形成横向及纵向的变化,致 使在抽放负压的条件下,增加了采空区的漏风,使 采空区的浮煤得到了氧气,提供了氧化的动力基 础. 1. 3 采空区采动裂隙椭抛带高度和宽度的确定 15101工作面基本顶为细砂岩、 直接顶为粉砂 岩、 尾顶为泥岩组成,垮落带和导气带的高度分别 由经验公式进行计算 H 100m 1.6m 3.6 5.6, 式中H为导气带高度,m ;m为煤层厚度. 15101煤层厚度平均为7. 02 m ,经计算导气 带高度为41. 73～52. 93 m. 通过对U Ⅱ 型近距离煤层采空区裂隙发育 的分析,发现处于低压区的内错尾巷与工作面及回 风巷周围至采空区深部一定位置存在漏风.同时通 过对采空区采动裂隙椭抛带高度的计算,其影响区 98 采矿与安全工程学报第27卷 域垂直高度为41. 73～52. 93 m ,根据15101工作 面的高抽巷沿9 煤层布置,距15号煤层顶板距离 为53. 9 m ,可见15101工作面的裂隙发育局部是 可以贯通高抽,有利于瓦斯抽放,但是高抽巷与工 作面的气压差,造成工作面风流沿煤层裂隙涌往高 抽巷,形成另一漏风通道.结合内错尾巷与高抽巷 空间位置综合考虑,在U Ⅱ 型近距离煤层采空区 形成了立体交叉分散漏风源.同时随着15 煤层的 回采,顶板跨落,顶板出现断裂,形成大量的裂隙, 使得14 煤层就如堆放在布满空隙的 “箅子” 之上, 在有漏风动力存在的情况下,采空区不断补给新鲜 风流,14 煤体及15 煤体,能够充分接触氧,处于 有氧状态,为浮煤氧化创造了前提条件.因此U Ⅱ 型近距离煤层采空区的煤岩裂隙发育不利于防 火,易引发浮煤自燃. 2 14 煤的氧化特征 利用河南理工大学实验室的大型煤堆自然发 火测试模拟实验炉,对石港矿14 煤层开展了大煤 样5 t自燃模拟测试实验.以环境温度24. 6℃ 作 为实验起始温度,利用煤氧化放热引起自然升温, 根据升温特征,分析其自燃特征.实验过程的升温 曲线如图3所示. 图3 14 煤层自燃模拟测点温度及升温速率变化曲线 Fig. 3 The temperature change curves about 14 coal seam simulation of spontaneous combustion 从图中可以看出煤的放热升温可以分为3个 阶段,第1阶段是从环境温度到70～80℃ 升温速 度较快,这是由于在这较低的温度下散热量少,热 量容易积累造成的;第2阶段是从80℃ 到110℃ 升温变得很慢,主要原因是温度升高后散热加大, 从而使得升温减缓;第3阶段是煤温超过110℃ 后 温度急速升高,尽管此时散热进一步加大,但放热 加速远远超过散热.从图4可以看到前10 d升温 速率较大,煤能够比较快地升温.在第10～44 d ,煤 的升温速率很小,也就是当煤的温度在80～110℃ 之间时,升温变得很缓慢.在第45天以后,煤的升 温速率开始急剧提升,意味着煤很快地升温最终着 火. 在氧气吸附量方面,经过测定石港矿14 煤层 属于 “容易自燃” 类型,自燃等级为 Ⅰ 级.在氧化动 力学的活化能数值方面,经过分析测定石港矿14 煤层在低温阶段的活化能都小于100 kJ/ mol ,也 属于容易自燃的煤样.从5 t的大煤样的实验结果 来看,在从环境温度到70～80℃ 这一阶段石港矿 14 煤层的升温速率都较快,都达到了2℃/ d以 上.实验得到14 煤层自燃特征指标,如表1. 表1 14 煤层的自燃氧化特征 Table. 1 The characteristics of 14 coal seam simulation of spontaneous combustion 自燃强弱性指标石港矿14煤层 氧气吸附量/ cm3g- 1干煤0. 91 活化能/ kJmol - 1 85. 96 80℃ 以下实验升温速率 / ℃d- 13. 90 若采空区后部漏风裂隙充分发育,加上具有 Ⅰ 类自燃倾向性的14 煤层跨落采空区,造成浮煤的 松散堆积,在工作面推进困难的情况下,无疑自然 发火的几率大大增加.因此在具有易自然发火煤层 回采期间,U Ⅱ 型近距离工作面的采空区后部裂 隙充分得到发育,形成漏风流场,在抽放负压的作 用下,采空区浮煤需要的氧气得到不断的供应,同 时综放工作面的推进速度比较慢,这样煤自燃的条 件同时存在,煤自燃的可能性极大.因此需要对采 空区的浮煤进行预防处理,实现在现有条件下,对 浮煤自燃的延滞和采空区漏风的适当控制. 3 防治技术研究 3. 1 UⅡ 型近距离煤层采空区自燃危险 因素识别 工作面采空区遗留浮煤和冒空松动顶煤的自 然发火是一个多种因素综合作用的结果,必须综合 考虑有关煤层的自燃特性、 煤层厚度、 赋存状况、 顶 底板岩性、 巷道布置和回采方法、 地温特征、 通风系 统和采空区漏风状况以及工作面推进速度和回采 时间等因素.针对正在回采的15108工作面,总结 和分析15101工作面发火原因的基础上,对15108 09 第1期褚廷湘等煤岩裂隙发育诱导采空区漏风及自燃防治研究 采空区自燃危险因素识别,为有效防治工作面采空 区自燃事故再次发生提供理论依据. 1 14 煤层的易于自燃氧化性可能是引起工 作面采空区自燃的主要原因 14 煤层具有自然发火倾向性 Ⅰ 类,最短自燃 发火期为33 d ,属于易自燃发火煤层,这是引起 15101工作面采空区发生自燃的主要煤层,也是 15108工作面面采空区可能引发自燃的最危险因 素. 2 两巷留顶煤开采为工作面采空区浮煤自燃 提供了丰富的物质条件 15108工作面为综放开采,两巷采用留顶煤掘 进,在正常开采过程中两巷顶煤直接跨落于采空区 中,而所留设的顶煤也为15108工作面采空区自燃 事故的发生提供了丰富的物质条件.对采空区15 浮煤厚度进行了计算进、 回风两巷沿工作面走向 5 m至停采线区域浮煤厚度在6. 6 m左右,采空区 中部沿工作面走向至工作面切顶线区域浮煤厚度 在0. 86 m左右. 3 良好的漏风条件为工作面采空区浮煤自燃 提供了足够的氧气 15108工作面从其巷道布置平面上有一条内 错尾巷和一条高抽巷,特别是由于内错尾巷与15 煤层间距很小,当处于采空区段的内错尾巷跨落以 后,直接与采空区相连,同时由于矿压的作用的,造 成采空区裂隙较大,在抽放负压的作用下,漏风存 在,为浮煤提供了氧化动力. 3. 2 采空区增阻控制漏风技术 采场是由工作面和与之相连的采空区组成.一 般认为,采空区内的气体处于低雷诺数条件下,流 动状态为层流,多采用Darcy定律来研究采场内气 体的流动.通过增加采空区后部风阻R,减少采空 区的漏风量,缩短采空区可能氧化带的范围,降低 发火的机率. 在工作面两端风压差保持不变的情况下,通过 改变漏风风阻Rf,调节漏风量,因此可以通过增大 Rf,实现降低采空区的漏风量. 通过在工作面上下隅角充填封堵,可以增大采 空区后部的风阻,当工作面两巷风压变化不大的情 况下,根据漏风阻力定律,可知,后部漏风可以减 少.当漏风减少,就会改变采空区漏风流场的分布, 氧化带的范围缩小,氧气含量会低,能够抑制煤炭 自燃. 在15108工作面两端巷道每间隔10～20 m , 进行两巷的堵漏,增加采空区后部漏风风阻.现场 操作如图4所示. 12进风巷;22回风巷;32工作面; 4 ,6 ,7 ,82封堵墙;52综放支架;92采空区 图4 工作面上、 下隅角封堵示意图 Fig. 4 Plugging in upper corner and the down2corner angle 3. 3 采空区阻化处理技术 通过采用特定的防灭火材料,喷洒在浮煤上, 包裹煤体,在煤体表面形成一层阻化膜,这样被包 裹的浮煤的表面与O2的接触面积就大大的减少, 这样可以控制煤与O2的氧化程度,隔离煤与氧接 触,使煤与氧接触机率减小;同时由于阻化剂泡沫 含有大量的水分,可以起到降低采空区温度的冷却 作用.另一方面向浮煤喷洒阻化剂,能够改变煤体 表面自由活性基团的微观结构,抑制或减缓煤体表 面自由活性基团与氧气的反应速率[10],能够减弱 煤的氧化进程,降低煤氧复合热效应,从而使煤与 氧的自燃氧化反应至发火的周期变大,间接改变煤 的最短发火期,在这种情况下,实现快速推进,把氧 化带滞留在采空区的时间缩短,能够抑制采空区自 然发火情况. 3. 3. 1 阻化剂优选实验研究 将取自15108工作面的新鲜煤样破碎并筛分 出粒径0. 16 mm d 0. 315 mm煤颗粒作为实验 煤样.选择NaCl、 硅凝胶、PCAS粉煤灰稠化剂、 MEA 4种具有代表性的阻化剂.做出原煤样与阻 化煤样升温曲线图,如图5所示,进行阻化效果的 分析.可认为煤样温度随时间变化曲线越平缓,所 代表阻化剂的阻化作用就越好,更能有效阻止煤氧 化和热量的产生. 图5 原煤样与阻化煤样的氧化升温曲线 Fig. 5 The oxidation temperature increasing curves about raw coal and inhibitied coal sample 19 采矿与安全工程学报第27卷 利用实验数据对不同阻化剂煤样的氧化升温 曲线进行拟合T≤100℃ 时的升温过程 , 得出氧 化升温梯度函数T见表2. 表2 阻化煤样的氧化升温特征 Table 2 The oxidation temperature increasing characteristics about inhibitied coal sample 阻化剂 名称 阻化剂 质量分数/ 氧化升温拟合方程 误差 ΔT/℃ 达到最高温度 的时间t/ min NaCl20T 5.98t2 12.68t 34. 80ΔT 4. 0763t≤62 硅凝胶10T 4.99t2 11.52t 32. 16ΔT 3. 2388t≤99 PCAS粉煤灰稠化剂0. 3T 5.68t2 12.97t 33. 95ΔT 3. 9336t≤88 MEA1T 0.0056t2- 0.2868t 30. 863ΔT 0. 7803t≤115 通过实验发现 1 升温梯度大小是在煤氧化过程中,阻化剂 对其阻化效果的一个重要指标.升温梯度越小,反 应速度越慢,则阻化效果就越好;反之,则阻化效果 就越差.从表2中我们可以看出加入阻化剂后升 温梯度显著减小,在所有的阻化剂中,MEA对煤 样阻化效果最好,其次是硅胶体,阻化效果较差的 是氯化钠. 2 阻化效果也可以用阻化时间变化率来评 价.在此实验条件和阻化剂添加量的情况下,可认 为煤样温度随时间变化曲线越低,所代表阻化剂的 阻化作用就越好,更能有效阻止煤氧化和热量的产 生.从氧化升温曲线图上可以看出,在加入阻化剂 后煤样氧化到最高温度的时间显著延长,煤样温度 随时间变化曲线变低.其中MEA的阻化时间最 长,煤样升到最高温度用时114 min ,其次是硅胶 体、PCAS粉煤灰稠化剂和NaCl. 3 从阻化剂阻化机理上来看无机盐氯化钠 水溶液能浸入到煤体的裂隙中,并覆盖在煤的外部 表面,把煤的外部表面封闭,在煤的表面上就形成 含水的液膜,从而阻止煤的氧化,在实际应用中吸 水性能很强的盐类还能使煤体长期处于含水潮湿 的环境,水在蒸发时的吸热降温作用使煤体在低温 氧化时温度不能升高,从而抑制煤的自热和自燃. 相比之下胶体和MEA高分子阻化剂阻化的效果 更加显著,其原因就在于胶体阻化剂是一种吸水性 能很强的无机高分子化合物,呈胶体状态存在,具 有较高的黏结性和吸附性,吸附在煤的表面上时, 形成强度较大的胶膜.它吸收的水分对煤起降温作 用,其胶体特性,可以包裹煤样,隔绝煤和氧的接 触. MEA不但具有胶体的特性,而且MEA灭火剂 中含有能抑制烟雾及阻断自由基链式反应的物质, 作用在燃烧的煤体上,分解的高聚物及无机盐中的 部分金属氧化物,与链式反应的自由基相撞,使自 由基分子失活,从而阻断了链式反应,使燃烧尽快 减弱乃至停止.使灭火过程得以高效、 快速地进行, 达到快速灭火的目的,而且难以复燃. 3. 3. 2 MEA阻化实施 MEA高分子阻化泡沫充分利用了MEA高分 子材料的致密性、 成膜性、 挂壁性以及保水性等特 性,并结合水的吸热降温作用和氮气的窒息能力经 发泡后来防治煤炭自燃与灭火,将多种技术综合在 一个有机的整体之中,充分发挥了多种材料的防灭 火功能.在现场钻孔施工的过程中,发现在工作面 两端打钻,难度比较大,同时由于工作面作业空间 有限,影响工作面的正常推进,后来决定在15108 工作面布置专用防灭火巷,平行于进风巷道,位于 14 煤体,钻场的施工地点如图6 ,在此地点,往 15108工作面的14 煤层打顺层孔,钻孔形成后, 灌注MEA ,通过对每个钻孔大量的注入MEA阻 化泡沫,通过监测高抽巷、 内错尾巷及上隅角的 CO含量,判断采空区浮煤的氧化情况及处理效 果. 图6 15108压注MEA平面示意图 Fig. 6 Pressure injection MEA in 15108 workface 通过对采空区后部增阻和实施浮煤的阻化处 理,在15108面回采期间,采空区的温度变化不明 显,CO气体略有出现.利用束管检测系统和人工 取样分析,采空区浮煤处于潜伏期,浮煤的自燃氧 化进程缓慢.在现有的共工作面推进速度保障的情 况下,配合15108的防灭火措施的严格贯彻,能够 确保工作面的顺利回采. 29 第1期褚廷湘等煤岩裂隙发育诱导采空区漏风及自燃防治研究 5 结 论 1 U Ⅱ 型近距离煤层采空区煤岩裂隙发育 诱导采空区漏风加剧,是采空区浮煤氧化的原因之 一.大煤堆实验表明14 煤层属于 Ⅰ 类自燃倾向, 具有易自燃危险性. 2 通过阻化剂优选实验,根据煤样阻化后的 绝热升温规律分析,确定以MEA高分子阻化泡沫 配合防灭火巷压注工艺实施采空区浮煤的阻化处 理. 3 通过对15108采空区的危险因素分析,通 过对采空区后部增阻和MEA的注入措施的实施, 上下隅角没有出现CO超限现象,采空区的漏风到 得到了控制,浮煤的氧化进程被有效阻滞,自然发 火的危险性得到降低,实现了15108工作面的安全 回采. 参考文献 [1] 王省身,张国枢.矿井火灾防治[M].徐州中国矿业 大学出版社,1990. 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