假顶下放顶煤开采瓦斯和自然发火防治.pdf

2 0 0 1 车8片 矿 业安 全 与环保 苇2 8 畚苇4 期 假 顶 下 放 顶 煤 开 采 瓦 斯 和 自然 发 火 防 治 唐 永志 ， 王永 ， 杨 家忠 ， 甘林 堂 淮南矿业 集团 ， ＼ 司 谢家集二矿 ， 安徽 淮南 2 3 2 0 0 0 摘要 介绍 了淮南矿业 集团 公 司谢 家集二矿 3 1 5 1 3 采煤工作面假顶下放顶煤开采过程 ， 针 对瓦斯和 自然发火问题采取的管理措施和经验。 关键词 假顶； 放顶煤开采； 瓦斯； 自然发火； 治理 中图分类号 T D 7 1 2 ； T D 7 5 2 文献标识码 c 文章编号 1 0 0 8 4 4 9 5 2 0 0 1 0 4 0 0 5 8一O 3 1 3 1 5 1 3 一 工作面概况 3 1 5 l 3 工作面风巷标高 一 4 7 8 ． 2 m， 顺槽标高 一 5 1 2 li t ， 煤层倾角 2 2 。 ， 工作面斜长 8 0 li t ， 走向长 3 2 0 m， 区内构造简单， 其顶分层已回采完毕， 尚余煤厚 3 ． 6 ～ 3 ． 8 l i t ， 煤层赋存稳定， 煤质较硬 ， 工作面采用走向长壁 后退式放顶煤开采 ， 回采初期开采层高度 1 ． 61 ． 7 m， 跟煤层底板回采， 采用采一放一循环一轮间隔放煤 的低位放顶煤方式 ， 初期煤炭回收率 5 0 ％ ～ 6 0 ％。 本煤层瓦斯含量 1 4 ／ I ， 煤层透气性极差， 其瓦 斯在顶分层回采后 7 0 ％得到释放 ， 压力卸 出。 本工作 面回采期间瓦斯涌出量 2 ． 5 3 ． 0 ／ m i n ， 煤尘具有 强爆炸性， 属 自燃煤层， 煤层挥发份 3 5 ． 7 6 ％ ， 碳化程 度中等， 具有极强的自燃性 ， 自然发火期 3 6 个月。 2 问题的提出及分析 l 3 1 5 1 3 工作面于 1 9 9 9年 3月 1 5日收作 ， 由于 矿井采掘接替紧张顶分层收作后不久便开始掘进该放 顶煤工作面 ， 至 1 9 9 9年 7月 1 6日3 1 5 1 3 全线贯通 投产。 工作面掘进过顶区收作线始， 风巷顶区收作段瓦 斯涌出达 1 ％以上 ， 不到一个月该段巷道顶部及上肩 窝出现了巷顶挂汗， 雾气增大呈喷雾状， c o含量增高， 局部高温达 3 8 。 以上。 风巷 由于沿煤顶掘进其 冒顶处 沟通顶区风巷亦出现了上述现象， 为此， 顶区收作线附 近和风巷冒顶沟通顶区风巷的防治瓦斯和 自然发火问 题成为开采过程亟待解决的问题 。 另外， 开采不久工作 面上隅角也出现了雾气增大 ， c o含量增高， 局部高温 达3 5 3 9 ℃ ， 上隅角也间断出现过瓦斯积聚现象。 2 ． 1瓦斯问题 收稿 日期 2 0 0 91 1 1 3 作者筒介 唐录志 1 9 6 2一 ， 男 ． 1 9 8 3年毕业于淮南矿业 学院 ， 获学士学位； 高级工程 师， 现任淮南矿业 集 团 公司谢 二矿 总工程师； 先后发表论文 多篇 。 5 8 1 根 据现场打钻实测 ， 本工作 面顶分层 回采 后 ， 沿倾斜距上 、 下风巷一个周期来压步距内 ， 由于 老顶及其上覆关键岩层的 0一 X型破断影响 ， 加之 本面直接顶较完整 ， 顶 区收作线及上 、 下风巷附近的 采空区 ， 其 冒落带和裂隙带均存在一定的空间 ， 其 内 高浓度 瓦斯积存量较大且相互联通 ， 放顶煤工作面 采掘过程一旦沟通此区 ， 受通风负压影响易造成漏 风 。 随漏风瓦斯大量涌出影响生产。 2 本工 作面顶分层与上 阶段工作面之间部分 地段煤柱尺寸小 ， 受采动影响煤柱易遭受破坏 ， 另外 顶分层风巷 与上 阶段采 空区有巷道联通 ， 联通巷道 虽经封闭 ， 由于无法维护和采动的破坏， 在负压影响 下 。 上阶段采空区瓦斯亦沿上述通道源源不断涌出， 其瓦斯运移关系见图 1 。 图 1 均压调节前后瓦斯运移关系图 2 ． 2 自然发火问麓 根据我矿以往煤炭 自燃火灾发生的地点分布 ， 自燃火灾主要发生在中、 下分层开采时的顶、 中分层 的收作线及进 、 回风道 即“ 两道一线” ， 本面主要也 为此类问题 ， 而工作面 回采期问采空 区出现发火迹 象尚属首 次。 因此 ， 本着 防患于未然 ， 预防为主的 目 的， 分析出本工作面自 然发火的潜在因素， 做到有的 放矢， 是本面防火的关键。 2 ． 2 ． 1两道一线发火因素 维普资讯 2 0 0 1 年8月 矿 业安 全 与环保 苇2 8 J ． J 4 期 1 两 道一线 附 近 由于采动 压力 和老 顶岩层 0一 X型板破断及固定支承压力对煤柱的反复作用 ， 四周煤柱煤体遭受破坏 ， 细碎松散 ， 且堆积量大 ， 颗 粒比表面积大 ， 与漏风接触量大 。 2 两道一线松散煤堆氧化后内部热量不易散 发 ， 存在良好 的聚热环境。 3 本层回 采过程， 工作面上、 下出口顶煤放出后 易沟通顶区上 、 下风巷附近的采空区， 其与上分层风 巷收作线和本面掘进 冒顶区及收作线上 、 下两端易形 成漏风通道 ， 特别是上分层 收作线上、 下两端是风压 差最大的漏风通道， 有良好的漏风空隙， 供氧充足。 2 ． 2 ． 2 工作面发火因素 1 放顶煤开采技术不成熟 ， 假顶下硬煤放顶煤 开采在我矿属首次 ， 硬煤 顶煤破碎不充分 ， 块度大 ， 冒放性差 ， 放煤过程易 出现大块煤堵死放煤 口使顶 煤无法回收， 导致回采率较低， 煤炭丢失于采空区严 重， 本面初期回采率仅为6 0 ％左右。 2 本面煤层为上软下硬的层状结构 ， 上部 0 ． 4 m厚的软弱顶煤在顶分层回采的矿山压力反复作用 及支柱支回的破坏下松散破碎 ， 且顶底分层 回采 间 隔时间仅 4 个月， 顶层老顶对此松散煤层的压实作 用小， 且此松散煤层受下位大块煤堵口的影响根本 无法放出， 为工作面采空区发火的重要因素。 3 假顶下放顶煤开采及其老顶弹性形变作用 在工作面及采空区的压力较小 ， 使采空 区后部压实 区相对后移， 采空区漏风宽度增大， 其老塘遗煤供氧 持续时间相对较长 。 不易放 出的块状硬煤内部存在 着较大含氧空间 ， 也加速了采空区虚煤的氧化 自燃。 4 工作面初期配风量偏大 ， 采空区上 、 下两端 漏风压头相对较大， 使老塘侧采空 区漏风宽度增大 ， 采空区遗煤供氧时间较长。 3 解决办法 根据上述 ， 顶分层两道一线富积了大量高浓度 瓦斯 ， 这对防止 自然发火非常有利 ， 但采掘活动破坏 了这种平衡， 使富积的高浓度瓦斯大量涌出， 一方面 对防火的 自然保护消除了， 另外 ， 涌人生产系统的高 浓度瓦斯对安全生产的威胁最大 ， 因此 ， 对 自然发火 治理的同时， 首先必须治理好瓦斯。 3 ． 1 商道一线瓦斯防火治理 3 ． 1 ． 1顶分层采空区均压 掘进期间在顶分层风巷收作线和高抽巷之间安 设三道均压风门 ， 在 3 1小轨道与风道之间安设两道 永久调节风 门， 掘进和采煤 的不同时期通过调整上 述风门的漏风阻力， 使顶分层采空区上、 下两端漏风 压差达最佳状态 小于 3 0 P a ； 高抽巷 出 口和整个 C 1 3 槽上阶段采空区压差趋于 0 ， 并使瓦斯运移方 向 朝向高抽巷， 利用顶分层高抽巷抽放采空区瓦斯。 图 2为3 1 5 1 3 均压调节示意图。 顶分层采空区瓦斯积 聚在采空区内 ， 不再大量外涌 ， 一方面顶分层采空 区 形成了氧化窒息带 ， 更主要的是解除了瓦斯的威胁， 同时大大降低了采空 区漏风。 压力 图 2 均压前 后压 力分布对 比图 3 ． 1 ． 2堵漏 掘进风巷过顶区收作线时， 棚子紧跟迎头， 严防 冒顶， 掘后采取堵漏措施， 减少采空区漏风， 具体堵 漏措施如下 1 术板黄泥棚背帮。 在上 、 下风巷过收作线前 后 1 0 m范围的工字钢棚档内全部用木板背严 ， 木板 以内填塞黄泥， 捣实， 为压注凝胶和注浆提供条件。 2 注凝胶堵漏 。 距顶区收作线 5 I l l 处用煤 电钻 沿施工巷道 向上顶角 向顶分层收作线附近采空区打 钻 ， 打通采空区后插入 q 2 5 ． 4 m m钢管 ， 然后用泥浆 泵向孔内注凝胶 ， 使凝胶积存于巷道顶部充满煤体 裂隙， 以达到包裹煤体隔绝蓿风的作用。 3 灌浆堵漏 。 在木板黄泥棚两帮顶部向下 0 ． 4 m，沿走向分别打 4 个注浆孔 ， 孔深6 7 m ， 孔内插 入钢管 ， 管壁用速凝材料封实 ， 接通灌浆管路管 口， 进行灌浆， 掘进期间， 每天灌浆半小时， 回采期间定 期间隔定量灌浆 ， 另外， 鉴于本工作面风巷内错顶区 风巷 51 0 m， 掘进和回采期 间， 每天对顶区风巷收 作封闭墙进行灌浆， 为防止浆液过大冲蚀底区风巷 和顶区收作线， 灌浆采用“ 打点滴” 的办法， 每天灌浆 时间不超过一小时， 使浆液沉积下来， 达到堵漏的目 的， 同时， 还可降低煤温， 防止发火。 3 ． 2 工作面采空区瓦斯防火治理 3 ． 2 ． 1 上 、 下出口各 5m范围顶煤不放 由于本 面顶分层已回采完毕 ， 回采工作 面风流 中瓦斯浓度较小 ， 瓦斯主要来源于顶层采 空区内老 顶 0一X型破断影 响范围内未被压实的空间 ， 为防 止回采空间沟通此 区， 上、 下出口 5 m范围顶煤不再 进行回收， 这样， 上、 下出口顶煤充分冒落充填上、 下 部空间， 阻止了瓦斯外泄影响生产。 同时也达到对顶 区上 、 下风巷堵漏的 目的 ， 对顶区两道 的瓦斯管理和 防火管理均有益处。 3 ． 2 ． 2均压通风 59 维普资讯 2 0 0 1 年8月 矿 业安 全 与环 保 第2 8 卷第4 期 回采期间， 对顶分层及上阶段采空区采用的均压措 施对工作面采空区瓦斯防火治理同样有效， 另外， 矿在调 整系统负压的同时， 也是对整个系统风量进行调整， 工作 面配风量由回采初期 6 0 0 ／ m i n降至3 5 0 ／ mi n 。 3 ． 2 ． 3采空区灌浆 在工作面上出口老塘每隔 1 0 11 11 预埋一路塑料 管 ， 进行灌浆 ， 同时每天检修班放煤后用塑料软管插 入工作面采空侧顶部矸石内 自下向上进行洒浆 ， 洒 灌浆时间均在 3 h以上 ， 以顺槽出浆为原则。 另外还 加强对浆液浓度进行检查， 确保水土比在 5 l 以下。 3 ． 2 ． 4 探索破碎顶煤方法， 提高煤炭 回收率 通过试验 ． 探索 出多种破碎顶煤提高煤 炭回采 率的方法 ， 鉴于假顶下高瓦斯层简易支架开采的局 限性 ， 只在采高和放煤方式两种 回采工艺过程进行 了调整 即采高 由 1 ． 6 m增加到 1 ． 9 11 11 ， 改先期循环 单轮间隔放煤为循环多轮间隔放煤的方式 ， 煤炭回 收率 由原来的 6 o ％增加到 8 5 ％以上， 另外 ， 上部 0 ． 4 1 1 11 的软煤层虽不能全部 回收 ， 但其散落于洒浆高度 以下 ， 可被洒灌的浆液包裹 ， 不易氧化积聚热量。 4 效果 在实施瓦斯治理防火 的同时， 加大 了安全检查 力度 ， 除对回风 系统瓦斯探 头和 C O探头随时监测 外 ， 每天对 回风系统重点地段温度和上 隅角温度进 行不少于 3次 的检查 。 其瓦斯超 限现象在系统 均压 调整后 ， 及时得到了控制 ， 且上述针对性的综合防灭 火措施 的实施 ， 也使各高温点温度很快降至 3 2℃以 下， C O降至 3 O p p m以下 ， 达到了较好的治理 瓦斯和 防治 自然发火 的目的， 保证 了安全生产 ， 至该 面开采 完毕， 工作面安全采 出煤炭 1 2 ． 7万 t 。 5 结语 1 假顶下放顶煤开采瓦斯和 自然发火治理首 先要找出瓦斯涌出和 自然发火 的位置及影响 因素 ， 以便采取针对性的措施。 2 利用均压技术防治瓦斯和 自然发火 ， 其投人 少 ， 见效快 ， 是治理矿井瓦斯和 自然发火的首选。 3 增大漏风阻力进 行堵漏也是防治瓦斯涌出 和自然发火 的一个重要因素。 其方式多种多样 ， 应根 据现场的具体情况采取相应方法。 4 放顶煤 回采必须采取有效措施提高煤炭 回 采率 ， 减少采空区虚煤丢失 ， 这是防治采空区 自然发 火的根源所在 5 采用灌浆 的方式也可达到堵精及包裹煤体 、 降低煤温， 防止煤层 自然发火的 目的。 责任编辑 秦文贵 上接第5 l 页 估计是钻孔未打到火源。 总结了两次 灭火失败的经验教训后 ， 又重新制定新的灭火措施 ， 即 采用以氮气控制为主 ， 利用l ／ 4 巷道断面未压实的条件 超前作临时密闭逐段维修 ， 逐步推进 ， 寻找火源的灭火 措施 。 累计建造密闭5 个 ， 维修冒顶巷道4 0 m， 将密闭推 进到了离掘进面还有5 m的地方， 准备直接灭火。 3 ． 3 直 接灭 火 打开最后一道密闭 ， 由于此密闭封闭不严 ， 注氮 效果较差， 为了防止复燃， 局部通风机停止供风， 灭火 人员佩戴 自救器进入掘进面， 发现其上的冒顶区比火 区其它冒顶区冒落高 ， 上部气体温度为2 8℃ ， 比巷道 常温高6 ， 因此判断火源在高冒区的上部 。 于是 ， 首 先向冒顶区上部插管注氮 ， 降低高冒区氧含量 ， 然后 向高冒区插管注水降温 ， 在注水的过程中 ， 常有高温 煤炭从上部掉下 ， 淋水的温度也达2 8 ， 经过l 2 h的 注氮 、 注水 ， 淋水的温度降为2 2 ℃， 冒顶区的气体温度 也降为2 2 ℃ ， 冒顶 区的高温煤炭被彻底冷却 ， 火区不 可能复燃 ， 于是恢复巷道维修工作 ， 掘进队又恢复了 正式掘进。 此后 ， 火区再也没有复燃。 4 几点看法 1 巷道冒顶区2 次临时封闭注氮均将火区内气体 ， 6 O 一 温度、 和 C O含量降到了火区熄灭规定值 ， 说明氮气能 迅速扑灭火区， 但两次打开密闭后火区均复燃， 说明氮气 对火区高温发热煤体的降温需较长的时问， 氮气灭火后 需采取降温措施降低高温发热煤体温度， 防止火区复燃。 2 巷道大 冒顶区氮气灭火后 由于灭火人员不 能进入 冒顶 区内直接对高温煤体降温 ， 为防止火 区 复燃 ， 采用以氮气控制为主， 逐段推进临时密闭， 逐 段维修巷道 ， 逼进火源 ， 最后对火源直接降温的技术 能彻底扑灭火源， 且不复燃。 3 采用逐段逼进火源的技术扑灭巷道大 冒顶 区火灾时． 必须向密闭内连续注氮气， 停氮气时间一 般不超过1 d时间， 否则密闭内火源复燃后其有毒有 害气体涌 出密闭将危及巷道维修人员 的安全 ， 这次 洼氮气灭火， 在第3 个密闭注氮气时， 制氮机的压缩 机发生故障， 曾停注氮气一天半， 致使密闭内烟雾涌 出， 使巷道维修停止 ， 压缩 机修好又恢复注氮气 ， 使 密闭外烟雾消失后才使维修重新开始。 4 砚北煤矿扑灭巷道大冒顶 区火灾取得 了好 的经济效益 ， 不仅保住 了价值几十万元的综掘机， 而 且使 S 1 0 1 综放工作面二分层的掘进按时完成， 避免 了矿井采掘失调的严重后果。 责任编辑 吕晋英 维普资讯