韩家湾煤矿综采工作面防灭火技术研究与应用.pdf

安全与生产韩家湾煤矿综采工作面防灭火技术研究与应用靳博(陕西煤业股份有限公司陕西 西安)摘 要:韩家湾煤矿 综采工作面 煤层在回采期间受地质构造的影响出现顶板冒落不充分、遗煤较多、漏风范围大等煤自燃隐患工作面自燃发火的危险性大 针对该工作面回采期间出现的煤自燃隐患结合韩家湾煤矿 煤层的开采情况从煤层特征、通风条件、遗煤量等方面分析了隐患成因 分析确定煤层自燃发火的预测预报指标体系结合工作面切眼长度较大的情况设计了束管监测系统在回采时采用灌浆和注氮的综合防灭火技术关键词:煤自燃防控技术防灭火束管监测中图分类号:.文献标识码:文章编号:()煤炭作为我国最主要的能源之一 年煤炭的消费量占能源消费总量的.煤炭资源开采技术不断成熟但地质条件复杂开采深度不断加大导致矿井事故频发 由最初的浅层开采发展到深层开采高矿压、高地温等复杂的地质开采条件对井下工作面的安全推进造成严重威胁易引发煤矿火灾事故造成人员伤亡目前国内外煤矿的防灭火技术主要包括注氮、灌浆、喷洒阻化剂、高分子凝胶等各技术存在各自的优劣性应结合矿井工作面的实际情况针对性实施 注氮防灭火的降氧效果显著且污染较小但易受采空区漏风的影响灌浆防灭火的成本较低材料易获取但受地势限制高地势易跑浆、溃浆阻化剂的吸热降温效果显著但喷洒难度较大不易均匀分布凝胶技术具有较高的热稳定性但技术成本高限于局部区域的火源 根据上述分析急需研发适用性广泛、降温效果优良的防灭火技术以适用多数矿井韩家湾煤矿 煤层为类容易自燃煤层最短的自燃发火期为 自燃发火隐患大 针对韩家湾煤矿 综采工作面的实际情况分析设计防灭火监测系统及火灾防控方案 工作面概况 工作面的可采长度 煤层厚度.平均厚度.工作面宽度.设计采高.煤层倾角.工作面面积 可采储量.万 工作面采用综合机械化一次采全高倾斜长壁采煤法全部垮落法管理顶板皮带顺槽采用“”工法进行切顶留巷工作面间不留设煤柱 工作面回采率循环进尺.煤体视密度./日产量约 巷道采用锚杆、锚索、钢带及原木点柱联合支护煤层结构简单厚度变化不大全区可采属于稳定煤层 矿井采用中央并列式通风系统抽出式通风方式 主斜井、二号副斜井进风副斜井、回风斜井回风 工作面通风系统图如图 所示图 工作面通风系统图 煤自燃危险性分析.煤自燃条件根据煤自燃倾向性鉴定报告(陕西陕北矿业韩家湾煤炭有限公司煤)煤自燃倾向性等级为类容易自燃煤层.采煤工作面自然发火危险性分析根据煤自燃发火的原因、条件和过程如图 所示结合韩家湾煤矿 煤层开采的实际情况对韩家湾煤矿 煤层采煤工作面自燃发火危险性的分析如下图 煤自燃发火原因及过程.“”工法的无煤柱开采留巷侧空区漏风严重留巷时在侧帮部施工挡矸网片和喷射快速密闭材料对帮部进行封堵由于密闭材料的收缩变形和采空区压力的变化密闭材料中间及接底和接顶处容易产生漏风裂隙.无隔离煤柱开采采空区漏风范围较大无隔离煤柱开采时采空区会连成一片漏风范围大邻近采空区受漏风的影响容易自燃发火 一旦自燃发火火区范围不容易确定治理难度大.工作面煤层开采时三角丢煤区域工作面刮板输送机的机头位置需要抬高才能进入皮带输送机形成三角丢煤区域长期存在 一旦三角丢煤进入采空区就会留下煤自燃的隐患.巷道自燃发火危险性分析根据巷道自然发火的影响因素及煤自燃机理结合造成煤自燃的影响因素进行分析巷道煤自燃发生的主要位置如下.巷道高冒区巷道高冒区容易通风不畅使巷道顶部遗煤有良好的蓄热供风环境容易自燃.硐室及其周边区域风流受水平硐室的影响形成水平风流的涡流现象容易造成硐室四周松散煤体蓄热氧化易发生自燃.切顶留巷工作面回采时受采空区周期来压影响切顶留巷由快速密闭材料形成的巷帮产生部分裂隙进而通过巷道向采空区漏风供氧切顶侧破碎煤体二次氧化容易形成自燃.巷道离层、起伏较大的区域受到地质作用影响巷道顶板煤体容易发生离层在巷道起伏过程中风流容易产生动压差造成巷道顶部松散煤体漏风供氧容易发生自燃.通风设施附近自燃发火危险性分析通过对煤自燃作用机理的分析确定通风设施附近容易发生自燃的区域主要有:闭墙及通风构筑物 闭墙及通风构筑物(风门、风桥、风窗)周边煤体受矿压的影响易破碎两侧压差较大漏风供氧充分长期氧化蓄热易自燃采空区密闭墙附近 采空区永久密闭周边长期承压容易造成周边松散煤体的破碎随着时间推移周边煤体的松动圈逐步扩大当松动圈超过掏槽厚度后造成松动圈漏风供氧容易发生煤自燃 井下自燃火灾监测系统韩家湾煤矿采用 型安全监测监控系统设多系统融合服务器一台监控主机一用一备共两台监控系统有环网交换机四台井下设置多个分站和各类传感器实现对甲烷、一氧化碳、温度、氧气、二氧化碳、负压、粉尘、水位等的实时动态监控.矿井火灾束管监测系统韩家湾煤矿装备有 型矿井火灾束管监测系统由井下气体采样、分析系统和地面色谱分析工作站、地面数据处理和共享子系统组成主要借助束管将矿井井下各测点的气体经抽气泵负压抽取、汇总到指定地点再借助气相色谱检测装置对束管采集的井下气样进行分析实现对、等气体含量的在线监测监测结果通过实时监测报告、分析日报等方式提供数据亦可自动存入数据库以便今后对某种气体含量的变化趋势进行分析实现对矿井自燃火灾的早期预报 束管监测系统原理图见图 图 束管监测系统原理图束管采样头设置:在工作面回风顺槽布置一趟 芯束管 芯束管迈步埋入采空区每两个束管采样头的间距约为 埋入采空区最远采样头距工作面约为 埋入采空区的束管要合理保护防止损坏若埋入采空区内的采样点处 浓度且 浓度稳定则该采样点可提前停止采样束管采样头布置如图 所示图 工作面束管采样头布置示意图.人工监测安排专职瓦检员每班至少对工作面进、回风隅角及采空区内的温度、气体检查 次重点检查温度、甲烷、一氧化碳、氧气等浓度做好气体的收集工作及时送到信息中心束管监测室进行分析对工作面回风隅角及采空区束管的埋设进行一次全面的检查维护做到回风隅角采空区束管埋设至氧化带内 的范围内确保束管系统的正常监测 煤矿防灭火系统韩家湾煤矿 煤层为类容易自燃煤层根据相关规程和规范结合工作面切眼长度较长的实际情况工作面回采时采取灌浆和注氮的综合防灭火措施生产期间预防性注氮工作面回采完毕后采取采后注氮根据煤层自燃发火的预测预报指标体系明确防火时机.注氮防灭火系统.制氮系统类型选择注氮防灭火通过制氮设备从空气中分离出氮气经输氮管路向采空区灌注使采空区内空气惰化氧气浓度小于煤自燃发火的临界浓度从而防止煤氧化自燃或熄灭已形成的火区 制氮系统主要分为地面固定式制氮系统、地面移动式制氮系统和井下移动式制氮系统各个系统的优缺点比较见表 表 制氮系统优缺点比较表制氮系统优点缺点地面固定式制氮系统制氮能力强制氮场地不受限制制氮设备维修保养方便制氮设备集中便于管理制氮设备位于地面需要地面工业厂房井下输氮管路长管道阻力大初期投资大地面移动式制氮系统制氮能力强制氮场地不受限制制氮设备维修保养方便井下输氮管路短管道阻力较小制氮设备分散管理不便需要频繁搬运初期投资较大井下移动式制氮系统制氮设备位于井下需要场地小井下输氮管路短管道阻力小注氮地点灵活初期投资小制氮能力较地面制氮系统小制氮场地受井下巷道空间限制制氮设备位于井下维修保养不便制氮设备分散管理不便 韩家湾煤矿采用中央并列式通风系统生产盘区相距较近不宜采用地面移动式制氮系统若采用地面固定式制氮系统氮气的输送距离较长因此韩家湾煤矿选用井下移动式制氮系统.注氮流量设计由于注氮量与采空区氧化带的漏风量、采空区氧化带内的平均氧气浓度、注入的氮气浓度有关煤以 工作面为例进行计算防火注氮流量如下:()/()()式中:注氮流量/安全备用系数取.采空区氧化带内漏风量取/采空区氧化带内平均氧气浓度取.采空区惰化防火指标取 注入氮气的氮气浓度取 计算得注氮流量为/结合矿上的实际情况和制氮设备的型号规格确定 煤工作面的注氮量为/.制氮设备型号参数韩家湾煤矿井下 煤制氮硐室安装两台/.型煤矿用碳分子筛制氮装置 氮气产量为/氮气纯度制氮机的能力满足要求.铺设注氮管路煤制氮硐室煤回风大巷下组煤回风斜巷煤一盘区回风巷西部联络巷 皮带顺槽 皮带顺槽后巷预埋注氮管采空区.注氮方法为防止采空区内残煤自燃以及瓦斯、等有害气体超限留巷过程中在喷射快速密闭材料时在留巷帮部预埋注氮管平时设置法兰盘将其堵死确保必要时能及时与巷内的注氮支管连接预埋的注氮管管径不小于 管长不小于 距巷道底部高度.外露.每隔 布置一个 在预埋注氮管距离工作面约 后开始注氮并预埋新的注氮管当新的预埋管距离工作面约 时开始新的预埋管注氮同时停止上一个预埋管的注氮工作如此循环如图 所示图 预埋注氮管路示意图.灌浆防灭火系统.灌浆材料及参数灌浆材料风沙地貌位于韩家湾矿井东部和北部黄土丘陵沟壑区位于矿井西部和南部 黄土资源丰富取用黄土作为灌浆防灭火材料具有取用方便、易于开采、运输距离短、成本低的优点且黄土的制浆工艺简单不含可燃物制、灌浆的效果好因此采用黄土作为制浆原料灌浆量()()式中:工作面灌浆量/工作面日产煤量/取 沿工作面布置方向灌浆宽度取 浆液覆盖层厚度可取.取.d土水比倒数取 浆液制成率可取.r煤的密度/取.工作面回采高度取.工作面长度取.灌浆添加剂防灭火效率因子可取.矿井灌浆时间/取 计算得:工作面灌浆量为./.灌浆系统根据灌浆能力的计算结果确定韩家湾煤矿 煤的灌浆能力为/灌浆量较小选用井下移动灌浆系统.灌浆管路井下移动灌浆站 皮带顺槽预埋管 工作面采空区.灌浆方法为防止采空区内残煤自燃以及瓦斯、等有害气体超限留巷过程中在喷射快速密闭材料时在留巷帮部预埋注氮管平时设置法兰盘将其堵死预埋注氮管的间距约为 当预埋的注氮管路停止注氮时预埋的注氮管路出口距离工作面约为 仍然处于氧化带范围因此可以使用预埋的注氮管路继续灌浆灌浆示意图如图 所示图 利用预埋的注氮管路灌浆示意图 结论针对 工作面回采期间出现的煤自燃隐患结合 煤层的特质及开采方式分析了工作面各区域的煤自燃危险性采用束管监测系统和光纤测温在工作面的回顺采空区、上隅角等重要区域部署监测设备结合人工定期监测实现矿井火灾的监测和预防根据工作面巷道的布局工作面回采时采取灌浆和注氮的综合防灭火措施实际注氮/灌浆./建立了完善的防灭火系统参考文献:邓军白祖锦肖旸等.煤自燃灾害防治技术现状与挑战.煤矿安全():.文虎郭军金永飞等.煤矿井下 产生机理与控制技术研究现状及趋势.煤矿安全():.卢浩何启林李金亮等.高瓦斯环境下“固、液、气”三位一体防灭火技术的应用.矿业安全与环保():.董合祥任继飞王润生等.小峪煤矿 综放面综合防灭火技术研究与应用.煤炭技术():.张松宁.矿井火灾束管监测及灌浆防灭火技术应用.江西煤炭科技():.许金钟.综合防灭火技术在磁窑沟煤矿的应用研究.煤炭工程():.作者简介:靳博()男 陕西咸阳人 本科 采矿工程师 从事煤矿安全生产管理、矿山压力与岩层控制、煤火灾害防治工作