（安全技术及工程专业论文）拾屯煤矿急倾斜煤层巷柱式回采面发火规律研究.pdf

摘 要 a b s t r a c r b a s e do nt h et h r e e 髂p c c i so ft h e o r ys t u d y ，l a b o r a t o r ya n a l y s i sa n da c t u a l m e a s u r e m e n t , t h ep a p e rs t u d i e dt h es p o n t a n e o u sc o m b u s t i o no fc o a li ng o a lo nt h e s t t l d yo ft h e o r y , t h ep a p e rs t u d i e dt h em e c h a n i s mo fs p o n t a n e o u sc o m b u s t i o no fc o a l a n dr u l e so fc o a lo x i d a t i o ni nl o wt e m p e r a t u r e c o m b i n i n gd o c u m e n to fs t e e pc o a ls e a m h o m ea n da b o r a d t h ep a p e ra n a l y z e dt h ep i l l a rm i n i n gm e t h o di ns t e e pc o a ls e a ma n d c o n c l u d e dt h er u l e so f6 r i i i go fs h i t u nc o a lm i n e ；o nt h es t u d yo fl a b o r a t o r y , t h ep a p e r s t u d i e dt h ea b s o r b e do x y g e n , w e i g h td e c r e a s i n g , h e a tf l o wa n da n a l y z e dt h ed i f f e r e n t e f f e c tt oa b s o r b e do x y g e na n dh e a to fd i f f e r e n tc o a ls i z e t h ep a p e rb u i l tm a t h e m a t i c m o d l eo fl o s tc o a lo x i d a t i o no f9 0 a fi n1 1 7 1w o r k f a c ea n dc a l c u l a t e dt h es h o r t e s t l a b o r a t o r yf i r i n gp e r i o di nl o wt e m p e r a t u r eb a s e do nt h em a t h e m a t i cm o t i l e o nt h e a c t u a lm e a s u r e m e n t , t u b e sa n dt e m p e r a t u r em e a s u r i n gd e v i c ew e r ea r r a n g e da l o n gi n l e t a n dr e t u md r i f t si n1 1 7 1w o r k f a c ct om e a s u r es o m ep a r a m e t e ro fg a sc o m p o s i t i o na n d t e m p e r a t u r eo fg o a fa f t e rc o a lm i n i n g , t h ep a p e rf o r e c a t s t e ds p o n t a n e o u sc o m b u s t i o no f l o s tc o a lo fg o a fa n da c q u i r e dt h er u l e so fs p o n t a n e o u sc o m b u s t i o na n dt h ev a l u eo f “t h r e ez o n e s ”o fg o a l b a s e do nt h es t u d yr e s u l t s ，t h ep a p e ra d v a n c e de f f e c t i v em e a s u r e m e n to f s p o n t a n e o u sc o m b u s t i o ni ng o a fb e f o r em i n i n gu s i n gp i l l a rm i n i n gi ns h i t u nc o a lm i n e s t r o n gt h e o r ya n da c t u a lr e a l i t yw e r eg i v e nt op r e v e n tl o s tc o a li ng o a ff r o m f i r i n g , t h e s em e a s u r e m e n ta n ds t u d yr e s u l t sc a nf f l l s u r et h es a f em i n i n go f1 1 7 1 w o r k f a c eu s i n gp i l l a rm i n i n gi ns h i t u nc o a ln l i n e f i g u r e 【3 1 】t a b l e 【3 】r e f e r e n c e 【c o k e yw o r d s ：d i f f e r e n t i a ls c a n n i n gc a l o r i m e t r y ；d i f f e r e n t i a lt h e r m a la n a l y s i s ； s p o n t a n e o u sc o m b u s t i o n ；s t e e pc o a ls e a m ；p i l l a rm i n i n g ；w a t e ri n f u s i n g ；p r e s s u r e e q u a l i z a t i o n c h i n e s eb o o kc a t a l o g ：t d 7 5 - n 独创性声明 本人声明所里交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得塞徼理工太堂或其他教育机构的学位或证书而使用过 的材料与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示谢意 、， 学位论文作者签名：丛盘函硷日期：砭盟年兰月丛日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解塞筮垄三太堂有保留、使用学位论文 的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属于 塞徼翌王太堂学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复 印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅本人授权安徽理工大学 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采 用影印，缩印或扫描等复制手段保存，汇编学位论文( 保密的学位论 文在解密后适用本授权书) 、 、l ， 学位论文作者签名：j 承承卜 签字日期：沙矽年争月加 导师签名：4 弓房幺萨 签字日期：弘刁年痧月矽日 安徽理工大学硕士论文 1 绪论 1 绪论 1 1 引言 煤矿开采生产中，火灾的危害是五大主要灾害( 瓦斯，水，火灾，煤尘及顶板) 之一，火灾的出现严重影响着煤矿工人的身心健康及煤炭的正常开采。煤矿火灾 根据发火原理可以分为：内因火灾及外因火灾。外因火灾或称外源火灾是指由于 外来热源如瓦斯煤尘爆炸、放炮作业、机械摩擦、电气设备运转不良、电源短路 以及其它明火、吸烟、烧焊等引起的火灾。而内因火灾或称煤的自燃火灾是指煤 炭在一定的条件下，如破裂的煤柱、煤壁、集中堆积的浮煤，又有一定的风量供 给，自身发生物理化学变化、吸氧、氧化、发热、热量聚集导致着火而形成的火 灾。根据1 9 8 5 年的统计，由于发火而冻结的煤量累计近6 0 0 0 万吨据统计，在 矿井火灾事故中，外因火灾的次数占总数量不到1 0 ，9 0 9 6 以上矿井火灾是由内因 火灾( 煤炭自燃) 引起的“1 。火灾严重影响和威胁着煤矿的安全生产，是世界各国 所共同关注的且至今尚未彻底解决的重大科研难题。 矿井火灾的危害不言而喻，不但影响着矿工的生命，健康及感情，还影响着 煤矿的正常动作及生产，影响着设备的正常运转及资源的正常开采。， 对于引起火灾的主要因素，即内因的研究，目前仍没有多少合理理论及措施 达到可以实际用来指导防灭火的目的。煤的低温氧化是一个极其复杂的、动态的、 自动加速的物理化学过程，其实质是一个缓慢的氧化、放热、升温蓄热至最终引 起燃烧的过程，煤在一定的条件下吸附环境中的氧气，并发生氧化反应放出热量， 氧化热逐渐积聚并在一定条件下促进煤体加速氧化，最终导致煤体燃烧。 1 2 问题的提出及其意义 1 2 1 问题的提出 本论文研究的对象是拾屯煤矿急倾斜煤层开采工作面，在全国煤炭分布中， 急倾斜煤层也占有相当比重，而且随着开采方法的变化，带来了相应的防灭火技 术难题，拾屯煤矿在1 1 7 1 工作面采用巷柱式回采工艺，这种特殊的开采方式下， 由于通风条件差，煤炭回收率低，必然导致采空区防灭火任务的艰巨。 本论文研究的课题来源是是安徽理工大学与拾屯煤矿联合研究项目即：1 1 7 1 工作面急倾斜煤层巷柱式回采防灭火措施的研究。本课题的主要研究内容主要有 下列几方面：一、深入研究拾屯煤矿7 煤在低温氧化时的特性，即井下采集煤样 安徽理工大学硕士论文1 绪论 进行低温氧化过程实验，建立7 煤自然发火的数学模型，求出煤层的最短发火期 值；二、在拾屯煤矿1 1 7 1 - f 作面上、下顺槽各蓣埋一趟束管与测温系统，实测采 空区内遗煤氧化温度，释放的气体成分等参数，得出采空区“三带”的分布规律 与采空区遗煤氧化情况。三、提出科学合理的防灭火措施确保工作面安全回采。 1 2 2 课题的意义 煤的低温氧化导致煤的放热量降低和产生环境污染等危害，当采空区遗煤具 备良好的漏风供氧和蓄热条件时还会造成采空区遗煤自燃，危及正常回采，甚至 烧损设备、冻结大量的煤资源，并可能引起瓦斯爆炸，危及从业人员的生命与健 康。基于以上因素，加强对煤的低温氧化规律的研究是必要的。 本着对煤低温氧化特性的研究，借助项目支持，在拾屯煤矿急倾斜煤层回采 工作面的条件下，即通风条件不好，遗留煤柱多，易自燃等特点，进行了相关的 理论分析、实验分析及现场测定等工作。 以理论分析为背景，结合现场实验所得的结果，研究拾屯煤矿在急倾斜巷柱 式开采条件下的防灭火技术措施，为类似条件的煤层开采方法下的防灭火等工作 提出指导。 1 3 煤炭自燃的国内外研究现状 1 - 3 1 煤炭自燃的理论 近百年来，对于煤炭白燃的起因及过程，国内外许多专家、学者从煤自燃学 说、自燃机理、煤的自燃性以及实验和数值模拟等多方面进行了研究探索。 1 煤自燃学说 在煤的自燃学说方面，自十七世纪开始研究探索煤的自燃问题以来，提出了 多种煤炭自燃学说，主要有黄铁矿导因学说、细菌导因学说、酚基导因学说及煤 氧复合学说等，其中煤氧复合作用理论得到大多数学者赞同。在此基础上，国内 外学者又提出了一些更具体的学说，如李增华教授于1 9 9 6 年提出了自由基作用学 说，l o p e z ，d 于1 9 9 8 年提出氢原子作用学说，w a n gh 于1 9 9 9 提出了基团作用理 论等。 上述各种解释煤自燃的学说中，煤氧复合作用学说受到大多数学者的赞同。 2 煤自燃机理 在煤的自燃机理方面，近十多年来，国内外学者从不同角度、采用不同方法 安徽理工大学硕士论文 1 绪论 对煤自燃机理进行了研究，取得了一些新进展。如利用热分析技术研究煤自燃机 理，从煤的活化能着手研究煤自燃机理，从煤分子结构模型着手研究煤自燃机理， 从煤氧化学反应和表面反应热的角度研究煤自燃机理，从煤岩相学角度研究煤自 燃机理。另外，还有些学者采用红外光谱、f t i r 谱等研究不同的煤在自燃各个阶 段吸附光谱的强弱。 国内外应用热分析技术主要从以下五个方面研究煤的氧化自燃过程，测定煤 自燃特性参数。 1 )煤的热重分析简称煤的t g a 。它是利用热分析仪器在程序控制温度下， 测定煤的重量随温度变化的技术。从煤的t g a 曲线，可以清楚地看到煤从室温开 始被空气氧化而达到着火点以至燃烧结束时。煤的重量的全部变化过程，并能测定 煤样的燃点。 2 )煤的示差热分析。简称煤的d t a 。它也是在程序升温条件下，测量煤和参 比物( 一种不与空气发生氧化反应的惰性物质，如口一a i ：0 3 ) 之间的温差( t ) 与时间( t ) 或温度( t ) 关系的方法。煤的d t a 曲线显示了煤受热( 程序升温) 时被空气氧化所发生的分解、放热、吸热的全部变化过程。不同品种的煤存在不 同的d t a 曲线，通过d t a 曲线可以计算出氧化热峰面积的大小，比较煤样的放热 性的大小。 3 )煤的差示扫描量热法。简称煤的d s c 。它是在程序升温控制温度下，测量 煤的吸热或放热速率( d h d r ) 。通过煤的d s c 曲线积分可以求出热焓，不同的煤 种，在燃点以前有不同的热焓，借此可以分析出不同种煤的氧化放热规律。 4 )煤的熟分析与气相色谱联用技术。在进行d t a 或d s c 测定时，煤样中逸 出的空气氧化物( c o 、c o , 、c h , 、c 乩、c 地、c 3 1 8 ) ，对它们进行定量的色谱 分析，建立温度与气体产生的关系，以便确定煤矿井下，煤氧化自燃的指标气体。 煤的热分析技术与红外分光光度计联用实验，利用热分析技术研究煤在程序温控 下的空气氧化；通过红外分光光度计测定煤表面分子结构的变化以探讨煤的低温 氧化自燃机理。 5 )傅立叶变换红外光谱分析，简称f i t r 分析。它是直接测定煤样本身随温 度变化发射出来的光谱的特点，然后用拟合程序处理光谱数据，得出煤样中各主 要官能团的变化规律，依此考察煤的氧化过程。 以上煤自燃性测试方法不能真实全面地反映出煤的内在自燃性，它们与现场 实际环境中，暴露于空气中的煤在低温下( 2 0 c 3 0 c ) 与空气中的氧缓慢地、 自由地氧化放热，热量逐渐积聚引起煤体升温的过程相差较远，很难做到化学反 安徽理工大学硕士论文1 绪 论 应过程相似和反应条件相似，无法考察参量随煤温变化的动态趋势，也很难对煤 自燃的动力学过程进行研究。 3 煤的自燃性 在煤的自燃性研究方面，8 0 年代前，国内外对煤自燃性的研究方法主要以煤 的氧化性为基础，大体可以分为化学试剂法和吸氧法两类。8 0 年代后，国外开始 从煤的热效应角度来研究煤的自燃性。美国矿业局研究出绝热炉，测定煤的最小 自热温度；加拿大用静态等温法、绝热和动态法研究煤的自燃性；土耳其用非等 温动力法测试煤自燃临界温度和c o 产生率；南非采用由计算机控制的绝热量热器， 测定煤的自燃性；r e n ，j o n e s ，v a n c e ，s u j a n t i 等人构造实验台测定煤自燃的临界 温度和氧化速度等参数。 我国从5 0 年代初期即开展对煤炭自燃倾向性的研究，先后采用克氏法、着火 点温度降低值法、双氧水法及静态容量吸氧法进行研究。9 0 年代，我国开始推广 使用煤科总院抚顺分院研究的色谱动态吸氧法，该方法把色谱仪中分离气体的色 谱柱换成了煤样试管，测定煤样对氧气的物理吸附量，并以某一温度( 3 0 ) 下每 克干煤的吸氧量来划分自燃性。该方法测定系统先进，操作简单，吸氧量可由色 谱处理机自动计算，缩短了测试周期，提高了工作效率。但在伴有化学吸附和反 应时，氧吸附量则难以计算，且煤自燃性受多种因素影响，煤的吸附性能亦受煤 岩组份、孔隙结构、粒度组成、水分含量、瓦斯气体含量等多种因素制约。 上述测试煤自燃性的实验，用煤量较少，供风量相对较大，且实验时采用程 序升温加热，改变了煤自燃过程的升温条件，与现场实际中，暴露于空气中的煤 在常温下与空气中的氧缓慢地、自由地氧化放热，热量逐渐积聚引起煤体升温的 过程相差甚远，很难做到化学反应过程相似和反应条件相似，测算结果很难应用 于实际。 4 煤自燃实验 在煤自燃过程实验模拟方面，煤温超过临界温度后，表现出来的自燃特性较 明显，实验测试相对容易进行，国内外对临界温度以上时，煤的氧化性、放热性、 产生的气体组成及分子结构变化的研究较多与之相对，临界温度以下煤所表现 出的自燃特性很不明显，模拟测试起来相当困难，然而，实际的煤炭自燃却是从 常温开始的。 近二十年，世界各主要产煤国先后建立了模拟煤层自燃过程的大型自然发火 实验台( 其中法国的实验台装煤5 t 、美国的1 3 t 、前苏联的4 t 、英国的l t 、日本 的0 3 t 、新西兰0 1 7 t ) ，给松散煤样送入空气进行模拟实验，观测煤自然发火 安徽理工大学硕士论文1 绪论 过程。 八十年代末，西安矿业学院的徐精彩、葛岭梅教授等设计建造了我国第一个 大型煤自然发火实验台，装煤量0 8 5 t 。九十年代，又在此基础上建造了一系列的 煤自然发火实验台，装煤量分别为0 4 t 和1 5 t 利用这些实验台对煤低温阶段的 自燃过程进行了大量实验研究。以实验所获取的最短自然发火期、临界温度、放 热强度和耗氧速度等为基础，对煤的氧化性、放热性、煤自燃的影响因素及煤自 燃过程中的一些特性参数进行了研究，取得了大量的研究成果。由于实验台体积 小，对煤自燃过程的蓄热环境要求较高，故选用导热性极差的聚氨脂作保温层， 该保温材料不耐高温，故炉内最高煤温不能超过1 8 0 ，因此，对该温度至出现明 火时煤自身的氧化放热特性、自燃过程发展及高温区域移动规律无法进行研究。 5 煤自燃数值模拟 在煤炭自燃数值模拟方面，中国科技大学的余明高等，根据煤氧化放热、升 温吸热平衡关系，对原苏联学者卡连金提出的计算煤层最短发火期模型进行了修 正和完善，建立了绝热条件下煤氧反应放热、吸氧放热、煤体升温、水分和瓦斯 解吸吸热平衡的最短自然发火期解算模型及相应的实验方法。宋志等人以采场自 然发火为充要条件，依据时空一致观点，分析自然发火因素空间，提出用人工神 经网络来预测煤自然发火期和自燃地点的模型。 。 近二十年来，美国、澳大利亚、法国和中国等国学者如d s c h m a l ，k b r o o k s ， k y u r os a s a k i ，m i n s h a nz h u ，p n o r d o n 、卞晓揩、冯小平和张瑞林、杨运良等， 针对采空区的自燃环境及条件，建立了多种煤自然发火数学模型，并使用计算机 对采空区的浮煤自然发火进行了数值模拟m 1 “。谢之康、张瑞新和陈亚平等建立 了数学模型，对露天矿和地面煤堆的自燃进程进行了模拟。李宗栩对综放面煤柱 内的漏风和耗氧过程进行了数值模拟。 1 3 2 煤炭自燃的预测预报技术 1 煤炭自燃的预测技术 预测技术是指在煤处于低温氧化阶段( 即潜伏期) ，还未出现自然发火征兆 之前，仅根据煤的氧化放热特性和实际开采条件，超前判断松散煤体自燃的危险 程度、自然发火期及最易自燃区域的一种技术。预测技术主要有自燃倾向性预测 法、综合评判预测法、统计经验法和数学模型预测法等4 种。 1 )自燃倾向性预测法 自燃倾向性预测法主要是根据自燃倾向性不同，划分煤层自然发火等级，以此 安徽理工大学硕士论文1 绪 论 区分煤层的自燃危险程度，从而采取相应的防灭火措施。国外对煤自燃倾向性的测 试方法主要以煤的氧化性为基础，大体可分为化学试剂法和吸氧法，我国一直沿 用着火温度降低值法( 固态氧化剂法) 。进入9 0 年代，我国推广色普动态吸氧法。 该方法把色谱仪中分离气体的色普柱换成装煤样的试管，测定煤样对延期的物理 吸附量，并以某一温度( 3 0 ( 2 ) 下每克干煤的吸氧量来划分自燃倾向性。以上方 法仅考虑了煤与氧气的作用速度和作用量，而没有考察热效应，也没有考察它们 随温度变化的动态趋势，因而无法真实全面地反映出煤的内在自燃性，与煤实际 开采条件下自燃的实质相差甚远。因此，煤层自燃倾向性预测法仅能粗略判断出 煤层的自然发火危险程度，不能确定实际条件下松散煤体的自燃危险程度、可能 自燃区域和发火期。 2 ) 综合评判预测法 鉴于影响煤层自燃危险程度的各种因素很多且存在许多不确定性，难以用经 典数学的方法加以量化。因此，我国和美国采用煤的自燃倾向性、地质赋存条件、 通风条件、开采技术条件和预防措施等因素确定煤层自燃危险程度。 1 3 3 采空区遗煤氧化“三带”的研究 国内外专家学者对于采空区氧化“三带”的研究主要有计算机模拟研究、现 场实测两种方法。 1 计算机模拟研究“刀。嘲 计算机模拟研究是把风流在采空区内的流动规律用某一合适的数学模型表达 出来，然后给定边界条件和所需的参数，通过有限元数值解算技术求得采空区内 各点的风速大小，从而根据适宜于煤自燃的漏风风速范围分析采空区内遗煤的自 燃规律。计算机模拟研究所需矿压参数较多。 2 现场实测嘲一伽 现场实测法研究采空区自燃“三带”的分布规律是基于这样一个事实：煤在 从自热到自燃的发展过程中，不断产生c o 及碳氢化合物而消耗一定得氧气，同时 煤的温度也在不断变化。煤氧化升温的过程受氧浓度大小得影响，只有氧浓度在 一定的范围内，煤的氧化过程采得以维持不断发展。因此，研究采空区内的自燃 分布可以通过分析采空区内不同地点氧浓度及温度变化来实现。 1 )根据氧浓度的变化情况分析采空区内的自燃分布 2 )根据采空区内温度变化情况分析采空区内的自燃分布规律 3 )根据采空区内漏风风速分布情况分析采空区内的自燃分布规律 安徽理工大学硕士论文 1 4 煤炭自燃研究近年来的新发展 煤炭自燃研究近年来的新发展主要表现在以下几个方面： 1 在煤炭自燃机理研究方法上，煤的微观结构和宏观实验以及计算机模拟 技术被采用，并在宏观实验上倾向于采用大煤样量( 6 0 0 - 7 0 0 k g ) 进行研究，并 自觉运用流体力学、热力学和传热学等自然科学中质量传递、动量传递和能量守 恒的基本规律来指导研究。 2 建立自然发火实验平台，何启林教授在中国矿业大学做博士论文期间首 次采用了2 0 0 9 左右的少量煤样，在可控的绝热炉中进行了氧化实验成功，并提出 了实验最短发火期概念和煤的氧化动力学过程的机理函数与煤自燃倾向初步分类 方法，该项研究对煤的自燃过程有了初步认识。 3 在微观方面，提出新的解释煤自然发火机理的观点，并根据煤化学、有 机化学、物理化学和化学动力学研究成果，分析常温下煤表面可能与氧发生复合 作用的活性结构，推断煤自燃的化学反应过程，对煤氧复合的物理吸附、化学吸 附以及化学反应过程及其热效应进行推断。 1 5 主要研究内容 1 分析急倾斜煤层开采方法及特点，调查拾屯煤矿在此特殊开采条件下， 矿井发火的规律性； 2 采用热分析技术，利用热分析软件分析不同粒径下，煤的失重及热流规 律，并通过建立适当模型计算1 1 7 1 工作面煤采空区遗煤的最短发火期值； 3 采用预埋熟电偶和束管系统实测采空区内温度、气体成分和浓度，分析 采空区煤温与氧浓度的变化规律，得出采空区遗煤氧化的“三带”分布规律； 4 针对拾屯煤矿急倾斜煤层巷柱式开采的特点，提出相应的防灭火技术措 施，为拾屯煤矿防灭火工作提供有力技术支持。 ， 1 6 研究方法和技术路线 本论文采用理论分析、实验测定、现场实测相结合的研究方法，铡得不同粒 径下煤的相关特性，现场开采时的采空区特征，本文拟采取的技术路线如图1 所 示： 安徽理工大学硕士论文 1 绪论 图1 本文采取的技术路线图 f i g 1 t h e t e c l m i q u e i o 眦o f t h e 咖d y 8 - 安徽理工大学硕士论文 2 倾斜煤层开采及巷柱式采煤方法特点 2 急倾斜煤层开采及巷柱式采煤方法特点 目前，急倾斜煤层年产量占全国煤炭总产量的8 1 0 9 6 ，并呈逐年增加的趋势， 而且有的省( 区) 急倾斜煤层的产量占有很大比例，例如四川省煤炭产量的4 0 9 6 5 0 9 6 来自于这类煤层从检索到的有关急倾斜煤层的文献数量来看，也呈逐年大幅度 上升趋势，这说明对急倾斜煤层开采的研究和应用越来越受到人们的重视。 2 1国内外急倾斜煤层开采技术现状 2 1 1国外急倾斜煤层开采技术现状 国外主要产煤国家( 原西德、前苏联、英国、法国、波兰等) 曾对急倾斜煤层 开采方法进行过深入研究，提出了一些切实可行的采煤方法，大致可分为冒落法 开采和充填法开采两种。冒落法开采中应用比较广泛的是掩护支架开采法和柔性 假顶综合开采法；充填法开采均系分层开采，这种情况下广泛采用水砂充填开采 法疆力。 另外，国外对急倾斜煤层进行的长壁综采的研究与试验，主要限于中厚煤层。 7 0 年代末，国外主要产煤国家曾研制过急倾斜煤层综采设备，因煤层倾角大，工 作面设备故障多，工艺复杂，产量和效率过低，最近几年的研究进展缓慢或基本 停止。一 2 1 2 国内急倾斜煤层开采技术现状 开采急倾斜煤层，有过很多种方法。对薄及中厚煤层而言，据不完全统计有： 房柱式采煤法、巷道长壁式采煤法、仓储式采煤法、单一走向长壁采煤法、台阶 式采煤法、斜坡式采煤法、伪倾斜柔性掩护支架采煤法、俯伪斜走向长壁分段水 平密集支柱采煤法等汹h ”。 而对急倾斜厚煤层和特厚煤层的开采，仍然有许多种方法，如倾斜分层走向 长壁采煤法、水平分层采煤法、斜切分层采煤法、柔性掩护支架采煤法、仓储式 采煤法、换相采煤法、水平分段放顶煤采煤法以及近几年发展起来的巷道放顶煤 采煤法等蚓口力嘲洲瑚悯 1 从5 0 年代初开始，进行了采煤方法的改革。各矿区根据不同的煤层赋存 条件，推行倒台阶工作面、水平分层、巷道长壁和沿俯斜推进的掩护支架等采煤 方法。部分采用风镐落煤，刮板运输机运煤和机械式回柱，用冒落法处理采空区， 安徽理工大学硕士论文 2 倾斜煤层开采及巷柱式采煤方法特点 取得了提高工作面生产能力、减轻劳动强度、改善安全状况的效果，初步改变了 急倾斜煤层矿井落后的技术经济面貌。 2 6 0 年代，急倾斜煤层开采技术的进步主要表现为改风镐落煤为电钻打眼 爆破落煤。为扩大掩护支架的使用范围，淮南、开滦、徐州等矿区先后在掩护支 架采煤法中成功应用橇型、“ 1 1 _ ) n ( c c jn ( q 0 - - ) u ( h l - 。j 的区域，如图所示： “三带”的划分指标主要可分为3 类，即以采空区内的氧气浓度、漏风风速 和温度分布来划分我们认为，寻求划分“三带”的指标，应从“三带”之间的 本质区别去考虑。散热带与氧化带之间的界限，应着眼于煤自然发火的蓄热条件， 以煤自燃氧化蓄热的临界风速为主指标；而氧化带与窒息带之间的界限，应着眼 于煤自然发火的供氧条件，以煤自然发火的临界氧浓度为主指标，并综合考虑顶 板冒落状态、漏风分布状态和温度分布状态等因素。任何一种用单一的指标来划 分“三带”的方法都是不妥和片面的”。 本次实验采用测试采空区两种主要参数，即：氧气等气体的浓度，测量采空 区的温度。而束管及测温系统的布置存在两种模式郎于工作面布置或沿迸回风巷 道，因为沿工作面布置一般适用于综采，且布置于工作面的装置极易被破坏，对 于本实验中拾屯煤矿由于开采技术的不同，选用沿进、回风巷道进行装置布置。 1 )根据氧浓度的变化情况分析采空区内的自燃分布 煤要产生氧化升温必须有一个合适的氧浓度范围：散热带，氧气浓度大于1 8 ； 自燃带氧气浓度在1 8 1 0 9 6 之问；窒息带氧气浓度低于1 0 。氧浓度过低，煤产生 氧化反应的耗氧速度大于供养速度，则氧化过程受到抑制；而氧浓度过高的地点， 一般伴随漏风较大，煤氧化产生的热量的不到积聚，煤温不能升高，火煤温升高 后由于漏风较大降下来而进入风化状态，这两种情况都不会自燃。 2 ) 根据采空区内温度变化情况分析采空区内的自燃分布规律 煤体温度的变化是反映煤自燃进程的一个重要指标，通过升温速率( 即每一 天的温度上升值 c d ) 的大小，可以掌握各地点的煤的自燃的危险性。升温率的 安徽理工大学硕士论文5 拾屯煤矿1 1 7 1 回采面采空区遗煤氧化规律的研究 大的地点，煤的自燃危险性大；反之，升温率小的地点，则自燃性小。 3 )根据采空区内漏风风速分布情况分析采空区内的自燃分布规律 按照采空区内漏风风速指标划分：低温不自燃带，采空区内漏风风速在0 2 4 0 1 m m i n 的区域；自燃带，漏风风速在0 2 4 0 1 m m i n 之间的区域：窒息带，漏 风风速小于0 1 m m i n 的区域。 从2 0 0 6 年9 月2 0 日1 1 月2 7 日对1 1 7 1 面采空区进行了测定工作，测定结 果见表3 。 表3 采空区各测点气体浓度测定值( 1 0 1 ) f i g 3g a sc o n c e n t r a t i o no fe a c hm e a s u r i n gp o i n ti ng o a f 2 3 5 2 1 0 1 8 5 p 1 6 0 o1 3 5 巡 誊1 1 0 8 5 6 0 3 5 1 0 k ，= 1 8 0 1 一 、- 、 一、k y=1 0 0k、 、 l o1 82 6 3 6 “ 6 0 6 7 7 5 8 4 9 0 1 0 01 1 0 深度( i ) 图2 6 各测点随开采深度的氧浓度变化图 f i g 2 6o x y g e nc o n c e n t r a t i o no fe a c hp o i n tw i t hm i n i n gd e p t h 安徽理工大学硕士论文5 拾屯煤矿1 1 7 1 回采面采空区遗煤氧化规律的研究 测试结果分析： 1 在采空区进回风巷进行束管与测温系统的埋设。基本达到测试标准，在 开采过程中，若干数据扎测得的数据值相差悬殊，可得知这些测点已经被开采时 的种种因素破坏，最终我们得到最可信任的四组数据，进回风巷道各两组； 2 通过对采空区有效测点的气体成份分析知，1 1 7 1 工作面采空区遗煤氧化 “三带”分布为：散热带0 2 0 m ；氧化带2 0 7 5 m ；大于7 5 m 为窒息带；所测温 度均不超过5 0 ，因而没有将具体测点的温度值列出； 3 经过对采空区进行测温及气体成份分析，可以得知；工作面在现有的推 进速度下( 6 0 6 4 米月) ，采空区遗煤氧化的最高温度为不超过5 0 c 左右，采 空区遗煤一般不会发生自燃； 5 4 小结 通过在进、回风巷进行束管测气系统和补偿导线测温系统的埋设，分析掌握 了拾屯煤矿1 1 7 1 工作面采空区遗煤氧化“三带”随回采推进的变化规律，掌握了 采空区遗煤氧化过程中温度和气体成分变化规律。通过对现场的实验的整理分析， 及对现场实际采空区发火情况的了解，可以断定，拾屯煤矿在开采1 1 7 1 工作面时， 采取了相应的技术措施，保证了回采的安全进行，及采空区发火次数的降低。 安徽理工大学硕士论文6 拾屯煤矿煤炭自然发火防治措施研究 6 拾屯煤矿煤炭自然发火防治措施研究 根据本论文前几章节对拾屯煤矿的自然发火情况的研究，对拾屯煤矿不同粒 径的煤样进行失重及热流的相关分析及研究，对1 1 7 1 工作面采空区遗煤氧化进行 现场的测温及抽气系统的布置，总结得出了相关防灭火技术措施。结合拾屯煤矿 近些年来自身采取的积极有效的治理方法，使得矿井自然发火次数降低，本章将 着重讨论拾屯煤矿在具体生产实践中，进行防灭火的预防及治理措施。关于防治 采空区遗煤自然发火的措施有很多，应该根据具体的煤矿条件及地质特征及煤的 相关特性进行选择，下面介绍拾屯煤矿急倾斜煤层巷柱式开采的相关措施，其中 包括煤层注水降低煤温及湿润采空区、采空区注水、密闭墙及均压防灭火等措施。 6 1 煤层注水降温及湿润采空区技术 6 1 1 煤层注水基本情况介绍 煤体是具有两种不同空腔空隙系统的介质。一种是导水性好的裂隙系统，它 对水起着一种通道的作用，另一种是不易导水的孔隙系统，煤体孔隙在注水压力 和毛细管作用力的共同作用下吸附水分。 煤体孔隙在注水压力和毛细管作用力的共同作用下吸附水分，当水在煤层内 的裂隙、孔隙内均匀存在时，才能使煤层均匀湿润注水才能取得最好的效果。因 此首先对煤层的裂隙、孔隙应有一个基本了解才能更好研究煤层注水时水在煤体 渗流规律。煤体内有无数的裂隙、孔隙，按其成因、存在状态和分布情况大体可 有如下五种： 一 煤层的层理面：是在成煤过程中所形成的各种煤岩成分的分界面。 内生裂隙：是由煤层在成煤和变质过程中，受上覆岩层压力和温度的作用， 使煤炭中凝胶化物质的分子结构压紧并重新排列，体积收缩产生内张力而形成了 裂隙。 煤体的外生裂隙：煤层形成后，受地质构造运动的剪切作用，按受力方向和 强烈程度不就同，产生了与层理面斜交的外生裂隙。 煤体的次生裂隙：煤体在采落之前，受本层或上邻近层开采的超前支承压力 的作用，或受邻近分层爆破作业的影响所形成的裂隙称为次生裂隙。 煤体的细微孔隙：在煤层的生成及其后的变质过程中，由于挥发物质、瓦斯 和水份的不断泄出，煤体中自然形成了各类细微孔隙。 安徽理工大学硕士论文 拾屯煤矿煤炭自然发火防治措施研究 煤层注水的难易程度也就是煤体湿润的难易程度，其主要含义是指水是否容 易进入煤体的裂隙、孔隙。这主要由以下几种因素影响： 1 外部工艺因素 注水压力；由于煤层赋存条件复杂般在自然条件下难以渗透，故注水时 应施加一定压力，才能将水有效的渗透到煤体中煤层的渗透性一般随注水压力 的增加而增加，但随围压压力水平的升高，渗透系数的增长越来越慢。 注入液体的表面张力：煤层注水时，水对煤体的湿润是渗透过程中的一种重 要的作用。注入的液体表面张力越小，则越容易湿润煤体，注水工程中，煤层的 渗透效果越好 2 煤层自身因素 一般来说，裂隙发育、孔隙率高的煤层透水性强，水易于注入，注水压力较 低。实践证明，裂隙发育而质地疏松的煤层多数采用低压注水就能取得良好的湿 润效果。 3 煤层的物理力学性质及地质因素 煤的硬度、强度、韧性和脆性等物理力学性质对注水均有影响。 注水的实际资料同样证实，地层压力是注水难易程度的重要影响因素。 随着埋藏深度的增加，煤层承受地层压力也随之增加，煤层裂隙和微孔隙受 煤压缩变形的影响，裂隙压紧，孔隙容积降低，透水性系数随之降低，注水压力 相应提高。因此，在一般情况下，埋藏深度愈大，注水压力愈高 煤层内的瓦斯压力是注水的附加阻力，水克服了瓦斯压力的阻力后所剩余的 压力才是注水的有效压力显然，在瓦斯压力较大的煤层，为了取得相同的注水 流量，需要提高注水压力，从而增加了注水的困难。在低瓦斯矿井，瓦斯含量和 瓦斯压力都很小，瓦斯压力影响可以不考虑，而在高瓦斯矿井，瓦斯压力往往高 达数十个大气压，这就成为注水的主要影响因素之一 6 1 2 拾屯煤矿煤层注水介绍 根据前面章节的理论分析及对拾屯煤矿煤的具体考察，发现拾屯煤矿1 1 7 1 工 作面煤表面积大，孔隙结构扩张，煤的吸水性好。加之煤层埋藏深度在地下1 0 0 米之内，地质压力并不显著，且拾屯煤矿11 7 1 工作面属于低瓦斯工作面，瓦斯压 力很小，对注水基本不产生影响。综上分析，本次实验采取上1 1 7 1 工作面煤层进 行注水措施，对煤层进行降温冷却，对回采后的碎煤进行降尘作用，提前预防， 避免回采过后采空区温度过高而引起自燃现象的发生。 安徽理工大学硕士论文 6 拾屯煤矿煤炭自然发火防治措施研究 因为拾屯煤矿1 1 7 1 煤层所处的具体环境的差异，即属于急倾斜煤层，1 1 7 1 工 作面倾向长度为2 3 米，采用巷柱式采煤方法，注水前煤层的特点为7 个顺槽，8 个煤垛，注水时，选择回风巷道进行，永可以在很小的压力下进入煤体，一方面 在压力的作用下向四周扩散，另一方面在自重的情况下也向煤体深处渗透。因此， 实验采取的具体技术途径如下： 1 按照水进入煤体的形式，即注水钻孔的位置、长度和方向，本次实验采 取短孔注水，位于沿走向的煤壁进行，距工作面小井外1 0 米为打坝，然后再向外 2 0 米为打坝，在坝内巷道中间，眼距i 米，眼深1 2 米； 2 拾屯煤矿1 1 7 1 工作面急倾斜煤层，无需强压注水，采取了低压注水，有 时可以进行灌注进行； 3 按照供水方式，实验采取静压注水，井下用水地点的静水压力，通过矿 井防尘管网直接将水引入钻孔向煤体注水； 4 注水要求为，每个顺槽有轻微滴水，溜子道有轻微滴水，实验效果为3 个小时后，7 顺槽滴水，2 4 小时后每个顺槽都有轻微滴水。对于急倾斜煤层，一 般无需封孔，不需考虑泄水情况，具体布置图如下： 图2 7 煤层注水布置图 f i g 2 7i n f u s i o na r r a n g e m e n tf o rc o a ls e a m 结果分析：通过合理的事前布置，进行注水距离，注水量分析，并使用合理 的注水设备，对l1 7 1 工作面进行了煤层注水研究。实验最终效果达到事先计划要 求，经过对注水前后的煤进行煤质检测报告发现，注水前煤样的全水分为3 i m t ， 注水后的全水分为8 5 m r ，煤层中的煤基本达到湿润，煤被水包裹，在回采过程中， 随着对小井的通风，煤的温度始终没有太大的提升，同时采空区浮煤厚度也得到 安徽理工大学硕士论文6 拾屯煤矿煤炭自然发火防治措施研究 相应降低，这保证开采的安全。 6 2 采空区密闭技术 6 2 1 基本情况介绍 密闭是通风系统的重要组成部分，它与巷道煤柱共同组成通风边界，控制风 流流动。在煤炭氧化自热、自然发火过程中，与通风系统和火区均压系统的关系， 密闭又是防止向采空区或火区漏风的具体措施。在自燃火灾已经不可能用直接灭 火方法扑灭时，或由于可燃性气体或其他情况出现，使火灾邻近地点陷于危险状 态时，就必须尽快采取利用防火密闭或其他形式密闭将火区与其他区域隔离的措 施，加以控制。防灭火密闭的主要作用是阻止空气流入火区和爆炸危险地带，以 火区缺氧来熄灭火灾与自热，并制止随时可能发生的爆炸事故。在实施均压防灭 火矿井，密闭又是构成均压系统的重要组成部分所以，密闭在通风和防灭火工作 中占有重要地位。 密闭是控制风c 氧气量) 与火矛盾的主要有力措施。科学合理的设计密闭结构、 选择抗压性能高又便于快速施工的密闭材料、正确地确定建筑密闭位置、严格的 施工质量要求是保证密闭质量，提高抗压能力，增加气密性、耐火性。 密闭是煤矿井下的人工构筑物，在通风系统中与巷道煤校共同组成通风边界。 它可用以调节风流，改变风流方向，隔绝水、火、瓦斯和其他有害气体，阻挡充 填材料侵入工作场所和用以防止爆炸或坚硬顶板大面积瞬时一次冒落冲击波的破 坏。 拾屯煤矿1 1 7 1t 作面现已开采完毕，在进行采空区注水完毕后，进行了防火 密闭技术，此密闭属于防火，永久性密闭，其主要功能为： 1 矿井密闭对矿山压力、水的冲洗、井下酸性水、潮湿空气等物质的侵蚀、 破坏作用，应具有稳定性； 2 矿井密闭砌筑和使用的经济性( 永久性密闭应持久耐用、砌筑需要的劳动 是最小、初期砌筑所需的费用最少、使用期内的维护费小) ； 3 矿井密闭能在最少时间内砌筑起来。这项要求是很重要的，在发生事故 条件时，应当把它摆在首位。 6 2 2 密闭墙布置要求及相关参数计算 关于密闭墙的具体要求，其中包括砌筑规格，墙内观测管的布置，材料的选 安徽理工大学硕士论文6 拾屯煤矿煤炭自然发火防治措施研究 择等如下： 密闭都是采用双墙结构，既内墙和外墙，两墙之间充填捣实的黄土夹层。因 此，不管密闭结构如何，建造时都必须沿巷道四周刨有边槽，然后再进行砌筑。 边梢的深度根据巷道周围煤岩情况而定，如果砌筑密闭地点顶底板和侧帮都是坚 硬的岩石，边槽深度应不小于3 0 c m ，松软岩石不少于5 0 c m 如果侧帮是煤体，硬 煤不小于5 0 c m ，软煤不小于1 o m ；如果边槽的岩体或煤体有明显的裂隙，还应注 入水泥或砂浆，使其边槽与密闭墙体能够紧密接触砌筑密闭时，靠近采空区一 侧的墙体( 内墙) 应紧贴边槽边缘砌筑外墙的外购，为了便于抹面施工，边槽的 宽度应比密闭厚度宽出1 5 c m 。顶部边槽与巷道顶板应成4 0 。5 0 。的角度，以便 于建筑密闭时封顶注浆和增加气密性。 为了观测和采集采空区或火区气样，每座封闭式永久密闭( 不带锁风门) 应在 密闭中央不同位置设置三个不同用途的管子，即观测孔管、注浆孔管和放水孔管 管予直径为1 i r 3 5 1 0 0 m m ，观测孔管和注浆孔管，距巷道底板高度不小于1 3 0 0 m m ， 两管之阃距离为4 0 0 衄，为了测定采空区或火区湿度和采集空气样品，观测孔管在 密闭内侧露出长度应不小于2 0 0 0 m m ，露在密闭外侧长度应为1 5 0 2 0 0 m m ，管口有 螺纹并带有管帽或用木塞封堵。注浆孔管是当发现采空区温度升高等发火征兆时， 向采空区或火区注入泥浆用的，在密闭内侧露出长度不小于2 0 0 0 n ，露在密闭外 侧长度为2 0 0 咖，管口有螺纹和管帽或用木塞封堵。放水孔管距巷道底板1 5 0 2 0 0 m m ，为了防止空气通过放水孔管进入采空区或火区，把放水孔管做成u 字型的， 并在管中注满水，防止漏风。 安徽理工大学硕士论文6 拾屯煤矿煤炭自然发火防治措施研究 i 1 i 善 i 、。 麟 激 、 黼 黼 遵 习f 2 焱 4 1 剖面i i 剖面一 4 0 0 盒罴 1 其一 图2 8 防灭火密闭墙结构图 f i g 2 8s t m c t u a lo ff i r ed a mf o ra n t i - f i r e 1 一外墙2 一内墙3 一黄土充填区4 一观察管、注浆管5 一捧水管 密闭材料应选择不燃性、耐高温的砖石、料