专题-煤层自然发火预防与控制技术

专题部分专题部分煤层自然发火预防与控制技术摘要：根据煤层自然发火机理的分析，从根本找到煤层自然发火的原因。特别是我们对回采工作面的煤炭自然出发分析，找出回采工作面煤炭自然的机理，为了研究、分析工作面和采空区煤层自然我们将对采空区划分为“三带”（散热带、自然带和窒息带）。从而研究得出采空区遗煤自然条件。但是煤炭自然是不可避免得，我们尽量采取措施减少损失和减少发生火灾。所以研究出煤层自然发火的预防技术、控制技术以及煤层自然发火处理技术。关键词：煤层自然发火机理；采空区三带；煤层自然发火预防技术；煤层自然发火处理技术；防治煤层自然的新技术。一、概述神东千万吨矿井生产实践中发现，神东矿区的矿井地质条件虽然简单，但是在局部地区受矿区内煤系原始沉积环境变化的影响与控制较为复杂，其中典型的就是埋深浅、厚松散层。神东矿区开采的煤层均为自然煤层，对矿区不同煤层的自然倾向鉴定表明，10对矿井中有7对属于容易自然矿井，3对属于自然矿井。神东矿区从1978年至1998年期间生产任务较小，主要以基础建设为主，几个工作面基本是仰采，其采空区普遍被水浸泡，浮煤没有氧化、蓄热条件。2000年以来，随着生产任务的加大，工作面推进长度不断加长，而且推进速度也比较快，所以采空区留有浮煤都不同程度地发生低温氧化以及自然现象。按照神华集团神东煤炭公司的长远规划，开采深度将不断加深、强度加大、范围扩大，这样煤层的自然危险将更加突出。所以根据上述分析，我认为设计有必要进行为本矿井煤层自然进行专题研究。二、煤层自然发火机理（一）煤层自然发火机理分析根据长期科学研究认为，煤体自然主要是煤氧复合作用的并且放出热量而引起的。煤与空气接触后，发生物理化学反应放出反应热，热量聚集起来，就改变了煤自身所处的环境条件。因此，煤的氧化放热是热量自发产生的根源之一，也是引起煤自然发火的根源之一。（二）矿区采空区自然发火规律1、采空区三带划分采空区浮煤自然氧化升温和气样的检测分析表明：对于U形通风系统的采空区，按照漏风的大小和遗煤发生自然的可能性将采空区分为三带：散热带（宽度为）、自然带（宽度为）和窒息带（如下图所示）。三带的范围随着工作面的推进而向前运动，一般来说 520m，=2070m，划分三带指标与采空区漏风风速、采空区氧浓度分布、采空区遗煤升温速度有关。目前，只能定性论述，由于现场条件等原因暂时难以量化。2、采空区遗煤自然条件设采空区浮煤自然带最大宽度为，工作面推进速度为V，自然发火期为，当（）V时，说明自然带内有V宽度存在超过自然发火期，有自然危险。由此可见，采空区遗煤自然与否主要取决于工作面的推进速度和自然带最大宽度。加快工作面推进速度，减小，可以减少自然发火的危险性。（三）煤层自然发火原因分析矿区自然发火的产生和发展示诸多因素共同影响、相互作用的结果，既有内在原因，也有外在地原因。根据长期煤层自然的情况分析来看，外在原因起着主要作用。现在我们根据神东矿区出现低温氧化以及自然现象分析，主要原因有：1、工作面在准备（全部沿着煤层掘进）以及回采时由于受顶板及煤质的制约，不同程度地留有一定量（0.31.0m）的顶煤，顶板冒落破碎后造成采空区大量浮煤存在。2、神东矿区普遍为浅地表开采，受采动影响，地表有塌陷、裂隙，导致地表漏风。3、在布置工作面时普遍有辅助切眼和泄水巷，而且采用连续采煤机双巷掘进，每隔50m左右形成一条联络巷，大大破坏了煤柱的完整性，尽管才回采过程中已将联络巷密闭，但由于受财东压力及地质构造的影响，煤柱被压垮或在密闭周围出现不同程度的裂隙，使多个采空区互相连通，加之封闭不及时、封闭质量不好，导致采空区漏风情况复杂且难以避免。4、工作面开采线、停采线冒落不实。5、长走向、大采高综采长壁面开采，使工作面开采时间长，采空区面积大，其内高温火源点的位置和范围难以确定。三、煤层自然发火预防技术煤炭自然是一项复杂的系统工程，关系到整个矿井的安全生产，是煤矿生产的主要环节。根据长期的预防灭火的经验，设计认为防止体系由以下六大系组成。煤炭自然预测，它是预防预报的基础，依据预测建立煤炭自然预防技术屏障；根据煤炭自然初期的物理化学变化产生的效应，进行煤炭自然预报，预报准确就能把自然隐患消除；假如形成自然火灾，就要进行火源预测，确定火源位置及其范围，有的放矢的进行自然火灾的处理。所以制定下列煤炭自然预防技术体系。(一)煤炭自然预测煤炭自然预测包括其本质特征和时间与空间特征。其本质特征就是煤的自然倾向性和煤的热解实验，以确定煤自然发火的危险程度和热解产物；其时间特性就是煤自然发火期的模拟实验和最短发火期的确定；其空间特性就是煤层在开采过程中发火空间统计以及规律。1、煤自燃本质特征预测1）煤自燃倾向性鉴定目前，国内外测定煤自燃倾向性的方法很多，主要有吸氧测定法、着火温度降低值测定法、氧化速度测定法、差热测定法及重量测定法等。神东煤炭公司对各矿井不同煤层采集煤样送国家授权单位进行自燃倾向性鉴定。各鉴定单位对各煤样的鉴定结果表明：神东矿区开采的煤层均为自燃煤层。2）煤热解实验煤的热解，即煤加热温度和稀释气体之间的关系，通常在实验室进行。对神东矿区煤样进行热解实验结果表明：当煤样氧化升温至30C时，出现CO气体；达到120C时，出现C3H3、C3H6气体； C2H4气体既有灵敏性、规律性，又有可测性，井下正常情况下没有C2H4气体。根据有关资料，结合神东矿区具体情况，可确定C2H4作为预报自然发火的指标气体，即井下开采过程中煤发生氧化生热，只产生CO气体，其他气体不出现，称为自然发火隐患；既出现CO气体，又出现C2H4气体，但没有达到燃点，没有出现明火，称为自燃现象；此阶段可根据这些气体这些气体（CO、C2H6、C2H4、C3H8、C3H6）的出现及浓度可以推测其氧化生热自燃温度；当煤达到燃点，出现明火，即自然发火。2、煤自燃时间特性与空间特性预测根据矿井的开采技术、煤质、地质条件等因素，对相同类型矿井的自燃事故作详细统计分析，找出其发火的时间规律；易发生自燃的空间分布主要有开切眼、停采线、上下两道、沿底掘进的巷道顶部等，这些地点的发生概率又随开采方法的不同而有所差别。统计法是对大量资料的总结，它受到资料多少的制约，有时缺乏一定的准确性。通过实验模拟，在正常供氧、蓄热条件好的情况下，神东矿区煤层自然发火期一般为1-3个月。煤层自然发火期的长短受煤的破碎状态、堆积状态、漏风情况、蓄热条件等因素制约，同一煤层同一开采区域，外界环境条件不一样，其自然发火期也不一样，它是个动态变化参数，只能作为参考使用。煤层开采现场，在煤炭自燃的早期，用温度和指标气体法来确定自燃位置和范围。3、煤自燃危险区域判定分析工作面实际条件下煤自燃的主要影响因素得知，对于一个特定煤层工作面，浮煤的氧化放热性基本恒定，则采空区浮煤自燃主要取决于氧浓度，浮煤厚度和块度、漏风强度、工作面推进速度、煤（岩）体温度。当推进速度为常数且煤（岩）体温度一定时，浮煤自燃则主要取决于其他三个因素。根据自燃危险区域判定理论，采空区中只有氧化升温带范围内的浮煤才有可能发生自燃，然而也并非进入采空区氧化升温带的浮煤都一定会自燃，因为煤自燃在低温阶段是一个蓄热升温的缓慢氧化放热过程，采空区浮煤自燃需要充足的时间，并且由于工作面不断推进，采空区漏风状态、氧浓度分布状态和煤体温度变化、自燃条件均发生变化，使得采空区三带范围动态移动。因此，还必须根据工作面实际推进速度及及氧化升温带的动态变化情况，进一步确定出采空区氧化带范围。（二）煤炭自然预防煤炭自然必须同时具备4个条件1）有自然倾向的煤开采后呈现为破碎带，堆积厚度随着煤炭破碎情况变化，一般是煤粉大于0.2米，各个采空区浮煤一般大于0.4米；2）有含氧气量较高的气体经过破碎煤体，造成持续供痒条件；3）破碎煤体有积聚氧化热量的环境；4）上述三个条件同时存在的时间要大于煤的自然发火期。条件降低煤自然倾向性消除供氧条件破坏蓄热环境缩短煤氧化发展时间方法1、压注和喷洒阻化剂2、提高采出率3、合理布置巷道4、惰化、隔氧1、合理的通风系统2、正确设置通风设施3、均压技术4、漏风检测与堵漏1、增加碎煤分散度2、灌浆技术3、煤体注水4、压注凝胶1、提高回采速度2、缩短自然危险区存在时间，如停采线的快速密闭对此情况我们采取以下措施1）优化矿井通风系统，采用均压通风。使工作面风量稳定、安全、可靠。从矿井通风阻力计算，进行矿井通风系统优化。明确规定“优化通风系统，风路要短、系统简单、通风设施齐全、风阻小”要求。2）喷浆堵漏钻孔灌浆。对煤层开采中的可疑地点或已出现隐患地点进行全封闭喷浆和打浅密集钻孔注浆，是防止自然发火的2个有效措施。3）加强工作面推进速度，在影响发火期程度的外因方面，工作面推进速度大约占20%，是影响采空区发火的重要因素。提高回采速度，可以让氧化自热区在较短时间内变化为窒息区，减少自然发展阶段漏风量对煤炭氧化时间。工作面要做到“快掘、快采、快撤、快闭”的原则。4）注凝胶防灭火。采用注凝胶技术处理高温点或自然发火是煤层开采中防灭火的重点措施，其方法是将凝胶注入高温点或火点的周围煤体中，其作用是既可以封堵漏风通道，又可以吸热降温。四、煤层自然发火处理技术1）氮气灭火氮气防灭火主要是向发火地区注入惰性气体，主要成分是氮气，用来降低氧气浓度，使氧化自然的浮煤因缺氧而逐渐熄灭。但是根据长期的研究发现，密闭地区注氮效果十分明显，能使氮97%，氧气5%，迅速使火区熄灭；而开区注氮灭火效果不太理想，仅仅对控制煤炭自然和改善工作面安全生产条件有一定的作用。2）注阻化沙浆灭火根据煤炭自燃的原理，一般是由于残留在采空区中的浮煤以及压裂的煤柱在通风过程中氧化聚热而发火。加上大柳塔煤矿为特大型矿井，工作面推进速度比较快，所以采空区范围较大，浮煤和氧气接触面积也就大。这样很容易造成采空区的浮煤自然。大柳塔煤矿煤层属于浅埋煤层，上层为黄土层。所以直接在地面向采空区开拓注浆立井。这种方法根据沙浆的自重对采空区灭火比较经济、简单而且实用。3）高分之胶体材料灭火以聚丙烯酸纳等为主要成分的高分之胶体在煤矿自然火灾的防制中发挥着重要的作用。它主要有降温、隔热、隔氧、隔气（一隔三降）的功能，而且无副作用。但是经济费用比较高。所以矿井一般只把这种方法作为矿井防灭火的备用措施。4）均压技术准确探测高温火源点的位置和范围后，应首先采取均压措施。抑制煤层的自然的迅速发展。均压是防治自然发火行之有效的方法。用计算机程序进行均压防灭火的定量分析，较好地克服了经验试探法或定性分析法的缺陷，提高了均压防灭火这一先进技术应用的经济性、安全性及应用效果。5）地面用钻机向火区打钻孔灭火。井下自然发火地点确定后，把火区坐标点填到井上下对照图上，根据井上下对照图在地面选点打钻孔，用钻孔灌黄泥浆把火区范围圈住使火区不向外蔓延，然后在火区中心打钻直接灌黄泥浆灭火。当火区范围较大时，使用多个钻机同时打钻孔灭火；钻机灭火围封火区非常有效，可堵住火区使其不能向外蔓延，从而有效控制火区范围，为有效灭火创造条件。6）井下巷道喷浆防止自然发火。对井下所有巷道进行喷浆（表面喷200mm混凝土），喷浆厚度平均在3cm ，粗料石砌碹的巷道经喷浆后，减少了巷道空隙，减少了漏风，从而减少了向煤层供氧，减慢了煤层的氧化速度。巷道喷浆后，裂隙减少，当巷道壁后灌黄泥浆时，减少了跑漏浆现象。巷道喷浆后为预防巷道壁后厚煤层自然发火创造了有利条件。井下密闭墙进行喷浆，既防止了采空区漏风，又有效地预防了采空区煤层自然发火。五、防治煤层自然的新技术针对矿区方灭火工作的重点和难点，公司设施了全方位、全过程的预防措施，并且在漏风测定、新型方灭火材料的研制、注砂系统的开发方面取得了重大脱破。1、SF6测定漏风技术SF6属于无毒无味气体，在地面以及井下的环境含量低，化学稳定性好，扩散性强，是一种良好的示踪气体。1）SF6测定地表漏风通道（1）SF6示踪气体连续定量释放系统。该系统由SF6以及钢瓶、减压器、稳压器、稳流器、流量计等组成（如下图所示）。释放系统经过二级稳压与一级稳流，保证释放SF6气体的流量稳定于连续可调。该装置SF6的流量范围为20200ml/min。（2）测试方法。对照矿井通风系统分析确定可能漏风的通道、漏风源、漏风出口；在漏风源释放SF6示踪气体，在漏风出口每隔一定时间用球胆采集气样；将采集的气样送实验室分析。由气相色谱测定SF6的浓度；根据气样分析结果确定、计算漏风通道以及漏风风速。2）SF6测定井下漏风通道以及漏风量。（1）SF6示踪气体连续定量释放系统和上面的相同。（2）测定方法。利用SF6气体的连续定量释放装置在巷道上风侧连续定量释放SF6气体，在距离释放点一定距离处（大于20m）的下风侧每隔一段时间用球胆采集气样，通过色谱分析仪分析风流中SF6气体浓度，即可根据下式计算该巷道的风量。采用该方法不要测定巷道断面积，就可以直接比较准确的测出巷道风量值。Q=1000q/C其中Q巷道风量，；qSF6示踪气体定量释放量，ml/min；C经过分析后的SF6示踪气体浓度，。测定一段巷道中的风量时，可直接得到该巷道的风量Q。对于单一工作面的漏风量，只要测出、，就可以得到该工作面的漏风量，所以（如下图1所示）；对于测定回风平巷一侧为采空区的工作面（如下图2所示），SF6示踪气体的释放点为R在1、2、3点处取样，既可以求出工作面的漏风量，采空区巷道漏风率。2、绿色环保注浆材料的研制为了防止煤炭自然，国内外广泛采用灌浆、喷洒阻化剂、注惰性气体等技术。在灌浆材料方面，主要是黄泥、粉煤灰，此外还有矸石、砂子、水泥砂浆、石膏、高水材料等。近年来，又广泛采用了凝胶、胶体泥浆、阻化汽雾、泡沫树脂等防火技术。这些技术对保证矿井安全生产起到了重要的作用。但对其进行分析，特别是与神东矿区实际结合起来，每种材料都存在一定的缺陷，所以这就很难在神东矿区加以推广使用，必须找到使用于神东矿区的新型防火材料。经过近年来的不断研究、探索，目前已经成功的研制了稠化砂浆和三相泡沫两种防灭火材料。1）稠化砂浆防灭火材料在神东煤田内大面积覆盖新生界第四系全新统松散沙层，一般厚度1020m，这为井下注砂浆提供了得天独厚的资源。采用单独注砂浆的方法，为使砂子不在管中沉淀，一般水沙比为7：111：1，不仅消耗大量水源，而且砂浆到井下容易脱水，严重影响井下环境。此外，沙子因颗粒较大对煤体的包裹覆盖作用差，方灭火的效果并不理想。若能在砂浆中加入一定量的高效阻化添加剂，提供砂浆粘度，将沙泥悬浮，减少用水量；砂浆到井下不脱水，既不对井下环境造成影响，又可以大大提高砂浆的防灭火效果。因此，神东煤炭公司和中国矿业大学合作，成功研制出KD2型黏附性防灭火添加剂材料，满足了矿区砂浆防灭火的需要。这种材料具有独特的化学结构，可以在水中形成三维网状结构，具有屈服假塑性流体特征，浓度为0.3%0.4时具有最佳的流体力学特性。主要特点如下：（1）在低剪切速率（620/s）下，能达到0.332.94PaS，保证了注浆材料在煤体表面形成15mm的覆盖层，起到隔氧作用；此外因其粘度大（是水的1500多倍），能使沙粒悬浮，使得浆体不会沉淀于注浆管路之中。（2）能降低管路输送阻力，便于喷洒。具有剪切稀化特性的非牛顿体在高剪切速度率（大于500/s）下的表面粘度小于0.28 PaS，从而有效降低材料在管路中的流动阻力，可泵性能好。（3）具有高吸水性，保水时间长，能充分吸热蒸发，可带走更多的热量，提高了降温效果，具有较强的防火阻化作