韩家湾矿综采面采空区煤自燃“三带”研究.pdf

韩家湾矿综采面采空区煤自燃“三带”研究靳博(陕西煤业股份有限公司陕西 西安)摘 要:为预防韩家湾煤矿综采工作面采空区发生煤层自燃在 综采工作面进行煤自燃发火“三带”观测现场观测并收集氧气浓度等数据分析采空区氧气浓度的分布规律 采用 模拟软件进一步分析采空区的氧气浓度确定韩家湾煤矿 综采面采空区煤自燃发火“三带”分布规律及范围 结果表明:进风侧工作面氧化带范围为距离工作面 回风侧工作面氧化带范围为距离工作面 最大氧化带宽度为结合煤层最短自燃发火期计算得到工作面安全推进速度为/为韩家湾煤矿 综采面采空区注氮、注浆管释放口的布置提供依据为该矿工作面采空区煤自燃预防提供参考价值关键词:自燃“三带”采空区分布规律现场实测数值模拟中图分类号:.文献标识码:文章编号:()我国作为世界产煤大国煤炭资源储量丰富 煤炭作为我国的基础性能源是社会主义经济发展过程中必不可少的重要资源 随着煤炭开采的不断深入社会对煤炭资源的需求量不断增大煤炭火灾事故频发且难以及时预测 目前各学者依据研究矿区煤层的情况采取不同的研究方法魏引尚等人将一氧化碳作为预测煤自燃的特征性气体据此划分自燃“三带”的分布情况丁胜等人利用气相色谱法分析采空区特征性气体结合煤的氧化升温实验得到各种指标气体产生规律分析采空区自燃“三带”的分布规律文虎等人通过数值模拟分析煤层自燃“三带”分布的影响以此确定自燃区域变化 韩家湾煤矿的可采煤层属于易自燃煤层本文以韩家湾煤矿为研究对象现场观测煤自燃“三带”收集数据分析采空区气体浓度分布规律通过数值模拟软件开展分析最终确定韩家湾煤矿 综采面采空区煤自燃发火“三带”分布规律及范围为 工作面采空区煤自燃预防提供重要依据 工作面概况韩家湾煤矿 综采工作面位于 煤一盘区工作面倾向长度为.走向长度为 开采面积约.万 可采储量约.万 综采工作面开采的煤层可采厚度.平均厚度.胶运顺槽净高为.、回风顺槽净高为.回采率为 设计采高.采空区内部空隙率为工作面采用走向长壁后退式采煤方法综合机械化一次采全高开采工艺全部垮落法处理采空区 工作面沿煤层顶板布置胶运顺槽和回风顺槽通风采用一进一回“”型全风压通风系统胶运顺槽进风回风顺槽回风配风量为/工作面采空区煤自燃发火“三带”现场观测.测点布置为保证最前端观测点在进入采空区前提前完成束管布置工作面未采长度有足够的观测范围将测点布设在平直巷道无水段 在工作面进回风两侧平均设置 个测点测点间距 测点布置位置见图 测点随工作面推进自行逐步进入采空区图 采空区煤自燃发火“三带”观测测点布置?为 测 点 位 置?埋 入 采 空 区 束 管端 用 特 制 斜?字 型 保 护 钢 管?具 体 外 观 和 尺 寸 要 求 见图?在?个 测 点 位 置 铺 设 三 芯 束 管?均 用?钢 管作 为 保 护 套 管?段 采 用 三 芯 束 管 中 的 第一 根 束 管 取 气 观 测?从 中 间 掐 断?从 观 测 探 头 中 引 出?各 需?根?长 保 护 套 管?段 采 用 三 芯 束管 中 的 第 二 根 束 管 取 气 观 测?从 中 间 掐 断?从 观 测 探 头中 引 出?各 需?根?长 保 护 套 管?后 和?后 采 用 三芯 束 管 中 的 第 三 根 束 管 取 气 观 测?各 需?根?长 保护 套 管?套 管 之 间 用?钢 管 自 由 插 入 连 接?每 个 测 点 的 探 头 都 应 在 引 出 的 过 程 中 标 示 清 楚 测 点号?布 设 完 成 后?测 点 未 取 气 体 时?用 塑 胶 或 卡 扣 将 两端 封 住?置 于 隐 蔽 处 加 以 防 护?图?埋 管 观 测 探 头 布 置 图?观 测 方 式 及 参 数采 用 人 工 采 集 气 样?色 谱 分 析 法?使 用?型负 压 气 体 采 样 器 进 行 人 工 采 集 气 样?使 用 色 谱 仪 分 析测 定 数 据?观 测 参 数 包 括 实 际 开 采 条 件 下?综采 工 作 面 的 采 空 区 浮 煤 分 布?采 空 区 的 氧 气 浓 度 范 围?工 作 面 的 日 推 进 速 度?工 作 面 日 回 采 率?顶 板 垮 落 情 况和 工 作 面 供 风 量 统 计 参 数 等?监 测 结 果 分 析?综 采 工 作 面 推 进 及 遗 煤 情 况采 空 区 观 测 期 间?进 风 侧 自 燃?三 带?综 采面 推 进?回 风 侧 推 进?观 测 期 间 的 平 均推 进 速 度?最 大 推 进 速 度 能 达 到?最 小 推 进速 度 为?进?回 风 顺 槽 巷 道 净 高 大 于 开 采 煤 层 平 均厚 度?采 空 区 两 道 无 丢 煤 情 况?中 部 范 围 内 的 浮 煤 厚度 为?综 采 面 采 空 区 氧 气 浓 度 分 布 规 律?综 采 面 按 埋 管 布 置 方 案?针 对?综 采工 作 面 的 地 质 结 构 和 巷 道 分 布 特 征?共 设 置?个 监 测点?监 测 发 现 综 采 面 采 空 区 的 矿 压 随 着 采 空 区 深 度 的加 深 而 增 大?通 过 筛 选 每 个 测 点 的 观 测 数 据?得 出 进?回 风 侧 采 空 区 内 部 与 工 作 面 不 同 距 离 各 点 的 氧 含 量 变化 关 系?见 图?进 风 侧?回 风 侧图?进 回 风 侧 采 空 区 氧 气 浓 度 随 埋 深 变 化 趋 势由 氧 气 浓 度 曲 线 可 知?在 工 作 面 推 进 过 程 中?综 采工 作 面 采 空 区 深 度 逐 渐 增 大?各 位 置 的 氧 气 浓 度 整 体表 现 为 下 降 趋 势?在 回 风 侧 采 空 区?左 右 深 度 氧 气浓 度 下 降 至?在?左 右 氧 气 浓 度 降 到 了?进 风 侧 氧 气 浓 度 的 降 低 速 度 比 回 风 侧 慢?在 距 离 综 采工 作 面?范 围 内?氧 气 浓 度 始 终 维 持 在 较 高 水 平 即?以 上?原 因 是 进 风 侧 风 压 差 较 大?导 致 漏 风 严 重?此 外?随 着 工 作 面 的 推 进?采 集 气 体 的 束 管 布 置 位 置 靠近 巷 帮?在 采 空 区 煤 柱?支 护 锚 杆 和 锚 网 的 三 者 的 作 用下?顶 板 在 较 长 的 距 离 内 的 无 法 垮 落?形 成?三 角?漏风 区?另 外?距 离 巷 道 侧 的 顶 板 垮 落 得 不 够 紧 密 造 成 孔隙 率 大?煤 层 埋 深 较 浅?存 在 地 表 漏 风?二 者 的 综 合 作 用是 导 致 采 空 区 漏 风 的 主 要 因 素?随 着 工 作 面 的 继 续 推进?测 点 不 断 向 采 空 区 深 部 多 孔 流 域 移 动?风 流 从 下 隅角 进 入 采 空 区?浮 煤 氧 化 消 耗 氧 气?氧 气 浓 度 逐 渐 降 低?通 过 分 析?综 采 工 作 面 进 风 侧 的 氧 气 浓 度分 布 范 围 较 大?距 离 工 作 面?处?氧 气 浓 度 保 持在?的 范 围 内?随 着 工 作 面 的 推 进?进 风 侧 采 空 区内 的 氧 气 浓 度 逐 渐 减 小?在 距 离 工 作 面?附 近?氧气 浓 度 下 降 到?并 停 止 下 降?分 析 原 因 是 束 管 在采 空 区 垮 落 或 作 业 过 程 中 受 到 外 力 挤 压?束 管 断 裂 漏风 或 堵 塞?后 续 将 采 用 数 值 模 拟 方 法 达 到 结 束 观 测 的条 件?采 空 区 回 风 面 含 氧 量 分 布 幅 度 小?距 工 作 面?处?氧 气 浓 度 保 持 在?以 上?距 离 工 作 面?处?含 氧 量 降 至?以 下?采 空 区 中 部 含 氧 量 总 体 表现 为 从 自 进 风 侧 到 回 风 侧 逐 渐 减 小?处 于 相 同 埋 距 的氧 气 浓 度 表 现 为 进 风 侧 大 于 回 风 侧?采 空 区 危 险 区 域 数 值 模 拟?几 何 模 型采 用?流 体 动 力 学 软 件 构 建?工作面采空区三维模型设置采空区深度为工作面倾向长度为.两道无浮煤采空区浮煤厚度取.厚的岩石设置于浮煤上 坐标原点定在采空区最里端指向出风口为 轴正方向指向工作面走向方向为 轴正方向向上为 轴正方向 计算区域划分网格为结构化网格浮煤中网格在、三个方向上的步长为.岩石中的步长为共划分网格 个 三维模型如图 图 采空区三维模型图.边界条件及控制方程根据研究的韩家湾煤矿 综采工作面将区域中的进风巷、回风巷及工作面表面作为边界并假定区域其余表面具有壁面特性气体不会发生渗透 在上述条件的基础上对模型区域中的边界条件定义如下:假设采空区温度保持不变工作面两端压力也不变表现为稳态渗流问题即:壁面上:将采空区定义为均一介质具有各向同性的特性在此基础上假定气体以稳态渗流方式进入采空区将进风口风流速度设置为./综采工作面采集完毕工作面上的顶板岩层相继垮落假设采空区内的松散煤体和岩体为均匀多孔介质设置不同的渗流参数渗流模型中只考虑通过单位面积松散煤体的漏风量在设定的计算区域内流体密度不变空气渗流符合达西定律 在常温常压条件下松散煤体对空气的吸附与脱附达到平衡状态在氧和煤反应并耗尽的过程中产生了等体积的气体空气质量保持不变 根据菲克定律空气中各组分将呈现出由高浓度至低浓度的扩散 煤层的自燃发火速度较慢在正常开采过程中采空区内的所有反应都表现为稳态过程得出以下控制方程:()()()()式()中:、为三维空间坐标为采空区漏风强度 为压力 为绝对渗透率根据实验计算得出岩体中 .煤层中 .为空气黏性系数取常温上 .为氧气质量浓度为空气中氧气质量浓度其值为 为氧气在煤体中扩散系数其值为.()为煤体在新鲜风流中的实际耗氧速率()为标准耗氧速率.数值模拟结果及分析通过模型分析采空区氧气浓度分布图见图 红色部分为氧气浓度大于的范围即散热带蓝色部分为氧气浓度小于 的范围即窒息带两者之间的部分为氧气浓度 的范围即氧化带 整体而言韩家湾煤矿 综采面采空区氧气浓度在进风侧距工作面 处为 在 处为 在回风侧相同氧气浓度含量条件下则分别在 和 处 数值模拟结果显示随着采空区深度的增加煤层含氧量总体呈现下降趋势但实际测量结果出现了波动原因是现场实际观测存在误差和采场通风变化数值模拟结果与实测结果相符 通过分析现场观测和数值模拟所得结果可以采用扩大采空区危险区域监测范围的方法解决 综采面采空区煤自燃隐患的问题 因此假设浮煤的厚度足够聚集热量初步得出韩家湾煤矿 综采面采空区内部在距工作面进风侧 、回风侧 处两个范围内煤自燃风险较高 ()距煤层底板.处氧气浓度条纹分布图 ()采空区氧气浓度立体分布图 图 采空区氧气浓度分布图 采空区煤自燃发火“三带”划分的理论与分析.采空区遗煤自燃发火“三带”划分根据束管监测得到的氧气浓度变化规律绘图可以判断出采空区煤自燃发火“三带”分布范围由图 可知 综采面采空区散热带主要分布在距工作面 的采空区内部采空区进风侧的漏风较多散热带范围的深度较大回风侧的漏风相对较小散热带的深度较小 窒息带在距离工作面 以上的采空区深部 在回风侧窒息带的深度比较浅约为 在进风顺槽中窒息带的深度比较深约为见表 图 综采面采空区煤自燃发火“三带”范围表 采空区“三带”划分表散热带氧化带窒息带回风侧采空区 进风侧采空区 .基于煤自燃防治的工作面安全推进速度由图 和表 及观测数据可知 综采面氧化带最大深度出现在工作面进风侧氧化带的最大距离 根据矿方提供的 综采面采空区浮煤最短自然发火期 得出采空区可能发生自燃的工作面安全推进速度为:./()式()中:为工作面安全推进度/为安全系数取 为.为煤层最短自燃发火期正常情况下回采工作面的推进速度超过/时采空区内自燃发火风险较小推进速度低于/时加大对工作面的监控力度做好堵漏和防火工作 结论以韩家湾煤矿 综采面为研究对象在采空区两巷铺设束管分析采集气体采用 软件进行数值模拟得到采空区煤自燃“三带”范围将采空区煤层自燃着火的规律和特征相结合为制定煤自燃防治技术方案奠定基础.韩家湾煤矿 综采面采空区内进、回风顺槽无浮煤采空区中部范围内的浮煤厚度为.通过现场观测结果和数值分析工作面氧化带为进风侧距离工作面 和回风侧 范围最大氧化带宽度为.韩家湾煤矿 综采面采面安全推进速度为/工作面日推进速度小于 时需加强自燃指标气体监测制定相应防火措施工作面的推进速度在连续 内均低于/或 总推进里程低于 时采空区将有自燃发火的危险.根据韩家湾煤矿 综采面采空区煤自燃发火“三带”分布规律在正常开采条件下建议在工作面进风顺槽采空区预留注氮管路注氮释放口在采空区距工作面 位置处开始布置直到 位置停止 回风顺槽预留灌浆管路在采空区 范围内灌注 发现煤层自燃迹象时应根据防灭火专项设计采取措施灭火参考文献:吴黔.新经济形势下中国煤矿的经济管理及跨越式发展.纳税():.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():.梁运涛侯贤军罗海珠等.我国煤矿火灾防治现状及发展对策.煤炭科学技术():.丁胜张光明王瑞.薄煤层采空区自燃三带划分及危险性分析.陕西煤炭():.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