中煤杨涧煤矿90105综放面防灭火设计

中煤杨涧煤矿90105综放面防灭火设计山 西 中 煤 杨 涧 煤 矿中 国 矿 业 大 学二零一三年三月目录1 90105工作面概况12 90105工作面易自然发火危险区域分析13 总体设计思路24 煤层自燃早期预测预报设计24.1煤自燃特性及标志性气体的测试分析24.2煤层自燃早期预测预报技术措施34.2.1束管监测34.2.2人工预测预报35 防灭火系统的构建45.1防火管路的布置45.2 三相泡沫系统的设计46 开切眼处防灭火技术方案56.1开切眼处气体监测监控56.2 预埋管灌注三相泡沫、注氮57 正常回采期间防灭火技术方案67.1正常回采时期煤层自燃预测预报67.2 回采时期防灭火措施68 缓慢推进期间防灭火技术方案79 停采撤架期防灭火方案89.1 工作面收作前加强封堵和减少丢煤89.2加强收作期间防火探查，做好防火预测预报工作89.3 强化灌三相泡沫和注氮99.4 加强采空区堵漏措施10附件1 三相泡沫操作步骤及注意事项10附件2 90105工作面注氮防灭火安全管理要求11附件3 三相泡沫防灭火新技术简介错误！未定义书签。三相泡沫防灭火需采购设备材料汇总表错误！未定义书签。中煤杨涧煤业有限责任公司90105工作面防灭火设计方案1 90105工作面概况90105工作面为杨涧煤矿9#煤层第3个工作面，工作面走向长度190m，倾斜长度为运输顺槽长，轨道顺槽短的不规则形状。整个工作面呈“刀把形”。虽然回采时间长，但存在二次搬家和倒架问题，所以自然发火风险依然存在。9#煤煤层平均厚度11.2m，平均倾角4左右，2013年经山西省煤炭工业局综合测试中心检测为自燃煤层。工作面采用综采放顶煤工艺回采，回采过程中采空区遗留浮煤相对较多；同时，90105工作面上部为4#采空区，9煤与4煤层间距约40m，90105采空区来压后势必与4煤采空区沟通使得工作面漏风复杂；加之开采初期作业人员与设备存在一定的磨合期，磨合期间工作面回采速度相对较慢。这些都增加了90105工作面煤层自燃的危险性。临近矿井开采9#煤时已不同程度的出现过自然发火的征兆。因此，90105工作面若不开展针对性的防灭火研究，一旦发生自燃势必影响到整个矿井的安全生产。由于90105工作面煤层厚度大，采用常规的黄泥灌浆技术后注入采空区的大量黄泥浆易在采空区内形成“拉沟”现场，一旦黄泥浆形成固定流失通道后大量泥浆极易回流至工作面影响正常施工环境；同时单一的注浆技术，难以有效覆盖采空区较高位置的遗煤，对于厚煤层工作面回采期间的煤层自燃防治工作难以起到有效的作用。此外，工作面回采期间采空区属于半开放空间，单一注氮技术注入采空区的氮气易随风流很快扩散出去，不能长时间发挥氮气防灭火的窒息性。因此，针对90105工作面防灭火工作的实际情况，提出以三相泡沫为主的综合治理技术。本方案分不同开采时期针对性的给出90105工作面的综合防灭火技术方案。2 90105工作面易自然发火危险区域分析（1）工作面采空区杨涧煤矿90105工作面煤层平均厚度达到11.2m，采用综采放顶煤工艺回采，采空区遗煤较多（2）开切眼、停采线90105综放工作面的开切眼断面大，受矿压影响部分煤体压裂破碎，存在漏风供氧；同时，工作面初期推进速度一般相对较慢，增加了开切眼松散煤体氧化时间。停采撤架前一段距离工作面一般不放煤，撤架期间在支架顶部与尾部形成大量破碎煤体，加之一般搬家时间相对较长，这些都增加了自燃危险性。因此，开切眼、停采线易发生自燃火灾。3 总体设计思路通过对90105工作面自燃危险发火区域的分析结合工作面煤层的实际情况和单一防灭火技术在该工作面应用过程中的不足，提出“以三相泡沫为主、注氮堵漏结合”的综合防治方案，对不同危险区域进行有针对性的防治。即利用三相泡沫的高堆积性和良好的扩散性对采空区的遗煤和高位隐蔽自燃区域进行均匀覆盖，同时配合施工挡风墙等封堵技术对上下隅角进行堵漏风，达到防止工作面煤炭自燃，安全回采的目的。总体技术路线如图1：图1 总体设计路线示意图4 煤层自燃早期预测预报设计煤层自燃预测预报系统设计包括煤层自然发火基础特性的测试分析和气体监测系统的设计两部分。4.1煤自燃特性及标志性气体的测试分析煤层自然发火基础特性的测试是研究和掌握自燃规律、设计煤层自燃预测预报的前提。90105工作面采用现场取样，送中国矿业大学通风防灭火研究所测试分析的方法对90105工作面煤层自燃特性和自燃指标气体进行分析。4.2煤层自燃早期预测预报技术措施根据90105工作面煤层自燃特性基础参数测试结果，通过束管系统自动采样监测和人工取样分析相结合的方法对90105采空区气体成分、浓度进行分析，对比指标气体来达到对煤层自燃的早期预测预报。根据监测结果及时采取相应的防灭火措施消除隐患。4.2.1束管监测束管监测系统是用抽气泵通过束管（多孔塑料管）抽取各取样点的气样，并通过色谱分析仪器自动进行气体成分、浓度分析，对自燃火灾作出预测预报的监测系统。监测系统由束管、气体分析仪器、监测微机和相关的附属设备组成，能对井下任意地点的O2、N2、CO、CH4、CO2、C2H4、C2H6、C2H2等气体含量实现24小时连续循环监测，通过烷烯比、链烷比的计算，及时预测预报发火点的温度变化，为煤矿自然火灾和矿井瓦斯事故的防治提供科学依据。束管敷设的要求是：束管敷设巷道内的高度一般不低于1.8m，集束管用吊台勾吊挂，束管用夹板吊挂，束管入口处的敷设要平、直、稳，且与动力电缆之间的距离一般不应小于0.5m，同时避免与其它管线交叉。束管入口处必须安设滤尘器，整条束管至少要安设三个吸湿器。4.2.2人工预测预报为了弥补束管循环监测可靠性差的缺点，在建立以连续监测为特征的束管监测预测预报系统的同时，还建立人工监测预测预报制度。根据现有装备和技术，详细规定每个班的监测时间、监测人、监测地点和监测内容。在工作面回采过程中瓦检员每天三班对工作面中部、下隅角、回风巷、下隅角采空区和高冒区的气体进行采样，送到地面色谱分析，并将分析报表报送给通风部、安全副总、总工、矿长等进行审批，发现异常情况及时向通风调度和矿调度汇报，做到及时发现及时处理,防患于未然。在工作面回采期间沿挡风墙靠采空区一侧预留一段束管，束管长度为约20m，如图2所示。每天利用束管对采空区气体进行采样并送至地面对气体中CO、O2、CH4、C2H6、C2H4、C2H2成分和浓度进行色谱分析。同时瓦检员定期对上下隅角CO、O2、CH4进行检测，如有异常及时通知调度。气体色谱分析仪安装调试完毕后，通过预留束管每天三班对采空区气体进行采样，并对气体中的CO、O2、CH4、C2H6、C2H4、C2H2成分和浓度进行分析，通过每天对分析数据的对比，来更好的了解采空区遗煤的氧化状况。5 防灭火系统的构建5.1防火管路的布置杨涧煤矿90105工作面煤层采用下行通风，若采用正常的防灭火方式，注氮管路和注浆管路应全部布置在进风巷。但由于该工作面倾向较长（约200m）、坡度较小，仅靠上隅角的预埋管路，防灭火介质很难有效的扩散到下隅角附近，不能对回风巷附近的自燃隐患进行处理。鉴于此，90105工作面采用上下巷同时预埋防火管路灌注三相泡沫的方法开展防火工作。防火管路布置如图3所示，进、回风巷各铺设一趟4寸管路，上巷为注泡沫和注氮管路，下巷为注泡沫管路， 5.2 三相泡沫系统的设计三相泡沫系统主要由地面制注浆系统和矿用三相泡沫发生器组成，制备和灌注流程如图2所示。制氮机地面制浆池灌浆管路三通发泡器预埋管发泡剂采空区图2 三相泡沫制备和灌注的工艺流程在地面制浆站，通过三相泡沫发泡剂定量添加泵将发泡剂注入到注浆管路的入口处，将发泡器安装在距离工作面200m的位置处，同时在该位置将氮气管路和发泡器连接，浆体通过发泡器后即可形成致密的三相泡沫。6 开切眼处防灭火技术方案6.1开切眼处气体监测监控根据现有情况，每班对开切眼处CO、CH4、O2、C2H4等气体进行全面监测，对地质构造带处重点监测，高冒区进行插管监测，插管采用6分管，入口扁状且端头为花管，插管高度如图3所示；图3 插管示意图在安装设备之前对开切眼气体、温度进行全面排查，在气体、温度不超标的情况下开始安装；气体监测在回风巷开切眼处预埋一趟束管，束管绑在煤壁上（不低于底板上1.8米)，回采过程中通过对开切眼处束管进行气体采样分析，判断开切眼自然发火情况。6.2 预埋管灌注三相泡沫、注氮正常回采前，工作面切眼处防火预埋管路如图4所示。进、回风巷各铺设一趟4寸注浆管路和2寸注氮管路，注氮管路与发泡器连接，发泡器距离开切眼约200m左右。切眼除在上下端头各铺设一趟4寸注浆管外，位于上隅角沿工作面倾向方向另外延伸一趟长约90m的延伸管，用于防止切眼中部遗煤自燃。当工作面推出切眼约10m后，在上下端头支架后尾梁处各建一道挡风墙，高度接顶，对切眼进行隔离封闭。工作面回采20m后，通过上端头预埋管、切眼中部预埋管和下端头预埋管依次灌注三相泡沫，直至泡沫从工作面溢出，停止灌注；当工作面推至距切眼线40m位置时，再进行一次灌注。不注泡沫期间通过上隅角预埋管进行注氮防火。图4 挡风墙垂向剖面示意图7 正常回采期间防灭火技术方案7.1正常回采时期煤层自燃预测预报束管管线从工作面回风巷敷设至工作面应用地点，日常回采过程中，在90105工作面可布置2个采样监测点，其中一个采样点位于采空区内：即通过工作面上隅角向采空区深部布置了一趟束管，由于未设保护套管，因此束管维护距离较短，一般最远仅达采空区深部2030m范围内。另一个束管采样点布置在工作面回风巷的超前支护段内，该采样点挂设在煤壁上，随着工作面的回采而不断的后撤，随时监测回风巷内气体的变化。在采用束管循环监测的同时，还应加强人工取样送地面色谱分析的监测手段。每班由瓦检员在下隅角固定的地点抽取气样，地面色谱站进行分析，每天将分析的结果统计后报矿领导。与此同时，还要采用便携仪、玻璃管定期对架间、上隅角、回风巷等位置的气体成分进行监测。7.2 回采时期防灭火措施工作面正常回采期间，主要采用采空区预埋灌注三相泡沫和注氮相结合的方式进行防火。进、回风巷预埋管间距为30m。工作面推过切眼20m后在上下隅角再施工一道挡风墙，并在挡风墙后10m各预埋一趟4寸管路；当预埋管进入采空区20米后，在上下隅角施工下一道挡风墙，同时上隅角开始利用氮气通过预埋管向采空区灌注三相泡沫，下隅角利用氮气或压风通过预埋管向采空区灌注三相泡沫；待挡风墙进入采空区10m后再在上下隅角预埋第二趟管路；当第二趟管路进入采空区20米左右时，在上下隅角施工下一道挡风墙，并停止第一趟管路灌注泡沫，开始第二趟管路灌注，以此类推交替进行。预埋管路的端口采用铁丝网罩好，并用坚固的护栏(或石墙)保护，防止煤岩、泥水等进入管孔内，堵住管路出口。灌注三相泡沫时，需连续灌注至工作面溢出泡沫为止，一般810个小时。三相泡沫停注期间，开始通过上隅角预埋管注氮。8 缓慢推进期间防灭火技术方案在90105工作面回采过程中，将会因为各种原因，造成工作面的推进速度放缓，甚至停采，这就为煤的氧化聚热创造了条件，这些时期将会大大增加防灭火工作的难度。为此，相比正常回采期间应采取更加积极的防灭火技术方案。工作面推进缓慢时，除通过预埋注浆管路，每天向采空区灌注三相泡沫，直至三相泡沫溢出时为止和正常24h注氮外，还要在工作面上进风巷应采用更加积极的堵漏措施。将构建挡风墙的距离缩短为间隔10m15m，并在上下端头各留设一道挡风墙，在挡风墙外部设置挡风帘，挡风墙和挡风帘的施工方式如图5所示。即：首先沿底板铺设风帘布，而后在风帘布的一端上垒设黄泥袋子墙，之后将风帘紧贴袋子墙吊起（2图），把风帘布的另一端利用铁丝挂设在巷道顶板的锚网上（3图），这种方式施工的袋子墙具有更好的堵漏效果。同时还要加强监督管理，每班规定专人对挡风墙的质量和挡风帘的悬挂位置进行视察，如出现挡风墙上部不接顶等漏风现象立即组织人员堵漏。（1）（2）（3）图5袋子墙和挡风帘施工方式示意图（沿工作面走向垂直剖面）每次施工挡风墙时在挡风墙靠采空区一侧预留一段束管，束管长度为约20m。每天利用束管对采空区气体进行采样并送至地面对气体中CO、O2、CH4、C2H6、C2H4、C2H2成分和浓度进行色谱分析。同时瓦检员定期对上下隅角CO、O2、CH4进行检测，如有异常及时通知调度。气体色谱分析仪安装调试完毕后，通过预留束管每天三次对采空区气体进行采样，并对气体中的CO、O2、CH4、C2H6、C2H4、C2H2成分和浓度进行分析，通过每天对分析数据的对比，来更好的了解采空区遗煤的氧化状况。9 停采撤架期防灭火方案9.1 工作面收作前加强封堵和减少丢煤（1）工作面收作前出正常埋管外，在工作面距停采线60米范围内，要加强工作面上、下隅角的充填堵漏。以每间隔10米施工一道隔离垛墙,对上、下隅角进行封堵，垛墙厚度为2米以上。封堵范围：下隅角由机巷下帮至第一架架尾，上隅角由风巷上帮至最后一架架尾。（2）工作面推进至停采线50米的最后范围，要尽量加强放煤力度，减少采空区丢煤，特别是在工作面上铺网和钢丝绳前更要加大放煤力度，最大限度地提高回收率。9.2加强收作期间防火探查，做好防火预测预报工作（1）工作面采空区下隅角离停采线后部30m处埋设测束管，瓦检员每班通过束管对采空区气体情况进行监测，同时每天至少要取两组气样进行化验分析。（2）每班测气员利用便携式CO报警仪和红外线测温计对工作面冒空区、回风流、上隅角等地点加强检查。（3）工作面每5组支架设置一个测点，每班要对架后、架间及架头测点检查一次，并做到定期取样化验分析；对现场实测有异常的，加强取样化验。9.3 强化灌三相泡沫和注氮（1）停采前除正常交替埋管外，在距离工作面50m、20m的距离，在上下端头沿老塘链板机外侧向工作面中部延接60m,其中前30m管路使用法兰盘,后30m管路使用快速接头不放粘口。并及时利用所埋灌浆管路对停采线后部采空区和上隅角进行灌浆或灌注三相泡沫，消除采空区浮煤的蓄热环境。（2）在工作面内布置一趟高压软管，与灌浆主管连接，并每隔一段距离安设一个三通阀门，利用此软管对工作面架间气体和温度异常区进行插管注泡沫。插管所使用的钻杆长1.5m、直径2540mm之间，两根钻杆之间采用丝扣连接的方式，第一根钻杆以花管形式布置，要求前头为钻头状或者尖锥型，前部1 m均匀布置直径20 mm的钻孔。利用岩石电钻从工作面异常区支架间隙向采空区打钻，钻孔按前、中、后施工防火，后部孔在掩护梁位置打到老空区，中间孔打到柱顶梁上部及支架后浮煤，前部打到支架后浮煤。架件插管示意图如图6所示。图6 花管构造示意图高压软管图7 架间插管示意图（3）利用下隅角预埋注管对采空区进行24小时不间断注氮。9.4 加强采空区堵漏措施在停采线前40m，每间隔10m施工一座挡风墙，挡风墙的施工方式同回采缓慢时期相类似。附件1 三相泡沫操作步骤及注意事项一、操作步骤：（1）首先把地面添加泵出口高压软管插入注浆入口处，打开添加泵，同时开始灌注黄泥浆（2）然后井下发泡器处工作人员，将旁通处绿色阀门关闭，直通两处闸阀打开，待混有发泡剂的浆体流过发泡器时打开压风管（氮气管）阀门（如图1所示）。气体压力在0.2-0.7Mpa之间。发现泡沫从后部采空区溢出时停止灌注。（3）灌注结束后电话通知关闭地面添加泵，同时打开旁通处绿色阀门，关闭直通两处阀门，灌注清水清洗管路，时间在60分钟左右。气体入口闸阀绿色阀门图1 三相泡沫发生装置示意图二、注意事项：（1）保持地面制浆、井下注氮（或压风）、三相泡沫发生器放置地点与工作面的通讯。一旦发生意外（如管路堵塞等），及时通知。（2）地面制浆站应确保过滤网有效，避免粒径大于8mm的石粒进入到浆体中；将制浆的水土比保持在4：1左右，同时冲刷制浆时应摸索经验，逐步控制浆体的流量，将黄泥浆体的流量控制在20m3/h左右。（3）定期检查注浆管路和注氮（压风）管路，保持两者的通畅；（4）发泡剂定量添加泵在使用前要通过抽取发泡剂的高压胶管向泵腔里灌满水,然后再开泵,运转过程中要有专人负责对发泡剂桶里的发泡剂量进行观察，发泡剂量较少时，应及时更换发泡剂桶(即使短时间的添加泵空转，也会造成泵的损坏)；（5）打开三相泡沫观察孔，当有混有发泡剂的浆液从观察孔流出时打开发泡器上的气体阀门。视三相泡沫的发泡效果，调整气体阀门打开的幅度、发泡剂添加量的大小（在保证发泡效果的前提下，发泡剂量越小越好）；（6）每次灌注三相泡之前都要从观察孔观察发泡效果，确保泥浆全部形成细密的泡沫；（7）每次灌注时要求按照计划灌注的时间进行连续不间断的灌注；（8）灌注管路上的压力表突然大幅增加时，必须及时关掉气源、打开泡沫发生器旁通管路阀门