采空区煤自燃机理及其防治技术研究现状.doc

山西煤炭运销集团莲盛煤业有限公司技术交流活动议题编制部门： 通风科审 核 人： 张 银编 制： 齐贵荣编制日期：二一四年六月莲盛煤业采空区瓦斯及火灾探测防治技术煤自燃机理及其防治技术研究现状一、煤炭燃烧 随着煤矿机械化水平不断提高，开采速度加快，引起采空区面积扩大和遗煤增多，使得采空区煤炭自燃隐患更加突出，大面积采空区煤炭自然发火率高、火灾危害大，对其成因和灭火技术的研究有助于最大限度的降低大面积采空区煤炭自燃火灾的危害程度。通过分析国内外学者对煤自燃机理的不同说法，提出了煤自燃过程的3个阶段，即准备阶段、氧化阶段和自燃阶段。根据对煤炭自燃机理的研究，将防治技术措施按其作用机理可分为：灌浆防灭火、均压防灭火、阻化剂防灭火、惰气防灭火等4类。通过以上理论分析将对莲盛煤矿采空区防灭火具有一定的指导意义。煤炭自燃是我国矿井的主要灾害之一长期以来严重威胁煤矿的安全生产和影响矿井的经济效益。在我国国有重点煤矿中存在有煤炭自燃的矿井占矿井总数的56因煤炭自燃而引起的火灾占矿井火灾总数的9094。近年来，综放开采技术在我国得到广泛采用莲盛煤矿也采用了综放开采，生产效率得到了大幅提高，但这种采煤方法多数存在冒落高度大、采空区遗留残煤多、漏风严重等缺点，使得自然发火频繁，已成为制约其发展的主要因素之一。因此，了解煤炭氧化的基本规律，研究煤炭自燃的机理及对煤炭自燃的防治技术进行分类研究，对于制定有效的防灭火措施，避免和减少防灭火工作的盲目性至关重要。1 煤的自燃发展过程按照现在被大多数学者所公认的煤氧作用学说，煤的自燃发展过程一般分为3个阶段，即准备阶段，氧化阶段和自燃阶段。1.1 准备阶段即煤的低温氧化过程，又称为潜伏期，煤的变质程度和外部环境决定潜伏期的时间长短，如褐煤几乎没有准备阶段，而烟煤则需要一个相当长的准备阶段。1.2 氧化阶段经过准备阶段，煤的氧化速度增加，不稳定的氧化物先后分解成水、C02和CO，产生大量热量使煤温上升，当温度超过临界温度60-80时，煤温急剧增加，氧化加剧，煤开始出现干馏，生成碳氢化合物等火灾气体，煤呈赤热状态，当达到着火温度以上时便燃着。这一阶段为煤的氧化阶段。1.3 稳定燃烧阶段这一阶段是煤从低温氧化发展成自燃的最后一个阶段。主要特征是：空气中氧含量显著减少，CO2的数量倍增，同时由于燃烧不完全和C02受热分解，而产生更多的CO，巷道中出现浓烈的火灾气体和烟雾，有时还出现明火，火源温度达1000左右。综上所述，煤体要发生自燃必须具备以下3个条件：开采的煤炭本身具有低温易氧化性能，有连续、适量漏风供氧的条件，煤炭氧化所生成热量速度大于散热速度。这3个条件同时存在的时间大于煤炭最短自燃发火期。2 煤炭自燃防治技术措施作用的分类“预防为主”是防治煤炭自燃火灾必须遵循的原则。目前，国内外用于防治煤炭自燃的措施很多，常规的有：灌浆防灭火、均压防灭火、阻化剂防灭火、惰气防灭火等。2.1 采空区遗煤的注桨、阻化、惰化均压、堵漏主要是控制向采空区遗煤的供氧。而注浆、阻化、惰化技术则是直接防止采空区遗煤进一步接触氧气，进而阻止遗煤氧化的措施。注浆防灭火就是将水与不燃性固体材料按适当的比例配制成一定的浆液，利用注浆管送到指定地点。不燃性固体材料承担充填裂隙、隔断漏风、覆盖在遗煤表面隔绝空气与煤接触的作用。水不但是利用它的流动性搬运不燃性固体材料，同时也有降低遗煤热量作用2。一般采用黄泥灌浆，为改变浆液的流动性和控制浆液脱水时间可掺加化学添加剂。注浆方式有工作面洒浆、预埋管路注浆、采空区灌浆、邻近采面或巷道钻孔注浆等。阻化技术主要有钻孔压注阻化和汽雾阻化。钻孔压注阻化是向高温点打钻，用压注泵通过钻孔向高温点压注15浓度的阻化液，它的作用是对高温点降温并形成一种保护膜将遗煤包裹阻止其进一步氧化。汽雾阻化是将1 5的阻化剂水溶液通过加压泵加压，利用管路和汽雾发生器转化成可悬浮在空气中的微小颗粒雾滴，借助扩散漏风的作用将阻化汽雾带入采空区遗煤区域，对遗煤进行阻化，从而起到防灭火的作用。惰化技术主要是向工作面后方及相邻采空区遗煤注入氮气，降低该区域的氧气含量，起到延缓遗煤氧化的作用。也可采用惰泡防灭火技术，对采空区注惰泡能起到降温，减少漏风，降低采空区氧浓度等作用。但惰泡在碎煤中压注，发泡性能很差，起泡倍数低，若仅起阻化剂作用，则成本太高，且有效率太低。对已形成高温的浮煤，仅依靠惰泡隔氧灭火，需注泡量很大，成本很高，且一旦停止注泡很易复燃。2.2 区域性均压防火均压防火是通过调压手段来均衡漏风通道两端的风压，杜绝或减少遗煤带的漏风量，使其失去连续供氧的条件。根据工作面的通风系统，通过局部调压，使相邻采空区两侧的压差趋近于零，最大限度地减少向两侧采空区漏风供氧，从而有效地控制采空区的遗煤氧化3。3 减漏风供氧技术措施所谓减漏风供氧技术措施，其实质是采取有效措施，减少往采空区内的漏风供氧，抑制煤炭的氧化反应及速度。众所周知，采空区漏风供氧是促使采空区遗煤氧化，导致煤炭自燃发火的重要原因。因此，低压供风系统和均压通风技术是通过降低回采面上下两端风压差H，减少采面供风量Q及风流速度的手段而达到降低采空区内漏风流的速度和漏风量的目的4。而隔漏风墙则是通过增加采空区漏风源侧即“U”形漏风通道的入口处的通风阻力，减少通往采空区的漏风量。同时隔漏风墙的垒砌又具有缩短回采面斜长的作用，使之缩小采空区内的漏风范围。此外，隔漏风墙还可以提高采面有效风量，从而减少采面供风量及往采空区漏风量，达到防治采空区遗煤自燃的效果5。4 巷旁堵漏控制或减少向相邻采空区漏风的另一个主要手段是堵漏。堵漏技术分为压注凝胶堵漏，聚胺酷喷涂堵漏及水泥砂浆喷涂堵漏。4.1 压注凝胶堵漏压注凝胶堵漏是利用2台泥浆泵、2个储液箱，将水玻璃和促凝剂按一定比例混合后，通过钻孔注入巷帮的高温点进行堵漏。凝胶不仅是良好的堵漏材料，它还具有降温吸热的特性。能够使煤温很快降低，具有隔绝煤氧接触的性能及阻化性能，减少煤氧化反应速度，降低煤氧化放热龟，可以防止灭火后发生复燃。水凝胶材料来源广泛，灭火成本低廉，配方可因现场情况而变化。4.2 聚胺酷喷涂堵漏聚胺酷喷涂材料为异氰酸酷(黑料)和聚酷多元醇(白料)，采用专用喷涂泵，将2种材料按质量l：1的比例混合后喷涂到巷道表面，混合后的材料能在55钟内反应固化，发泡位数为35倍，材料本身有很好的的粘结性和一定强度。4.3 水泥砂浆喷涂堵漏水泥砂浆喷涂堵漏足对巷道易发火地点进行喷涂水泥砂浆，喷层厚度一般为100mm左右，其防漏风的效果取决于喷涂的质量只有喷得严密，才能收到良好的效果。5 结论综放面在采空区抽放情况下实施综合防灭火措施，自燃火灾事故是可以避免和减少的。掌握采空区自然发火规律，破坏煤炭自燃中的连续性、适量供氧聚热升温的条件和持续时间。设法隔绝煤、氧间的联系，降低煤炭氧化速度，降温散热阻止热量积累，可取得良好的防灭火效果。二、瓦斯防治近年来，随着综采放顶煤技术的大力推广和应用，煤炭产量大幅度提高，取得了良好的经济效率。但这种方法冒落高度大、采空区遗煤增多，对上下煤（岩）层产生影响，遗煤也会解吸出瓦斯，涌入采空区，当采空区积存大量瓦斯后，往往被漏风带入生产巷或工作面造成瓦斯积聚，涌出量约占工作面瓦斯的50%60%，甚至更高。因此，处理好采空区瓦斯对保障矿井安全开采起到十分重要的作用。1 采空区瓦斯的来源及运移规律采煤工作面的瓦斯涌出除本煤层煤壁涌出、采落煤炭放散的瓦斯外，由采空区涌出到工作面的瓦斯也是一个重要来源。采空区瓦斯的涌出特征与煤层的赋存条件、开采方式密切相关，从采空区瓦斯来源来看，总体上可分为两类：邻近层涌入的瓦斯和本煤层开采涌出的瓦斯。1.1 邻近层瓦斯涌入的运移规律 煤层开采后将引起上覆岩层的移动与破断，即会在上覆岩层中形成采动裂隙，导致邻近层瓦斯向开采层采空区的大量的涌入。从各邻近层涌入的高浓度瓦斯在压力扩散、浓度扩散和风流扰动的作用下，在采空区内重新分布，直至达到新的压力和浓度的平衡。厚煤层的分层开采和多层可采煤层，在开采本煤层过程中，上煤层或上分层的瓦斯将沿采动裂隙向本煤层的采空区大量涌入。下邻近煤层由于本煤层的开采而导致其覆盖压力的解除，煤岩体产生膨胀变形，煤层透气性大大增加。因而下邻近煤层以及围岩中的大量瓦斯通过膨胀裂隙迅速涌入回采工作面采空区。邻近煤层向采空区放散瓦斯的最大距离主要取决于层间岩层性质和细微裂隙的发育程度，而向采空区供给瓦斯的范围，取决于上下左右区域的煤层赋存性质、层间岩性和顶板管理方法，以及开采空间的形状等。由于煤系地层裂隙的发展不是连续圆滑地进行，因此邻近煤层的瓦斯涌出具有“跳跃”的性质，这也决定了邻近层瓦斯涌出规律的特殊性。从邻近煤层大量涌入采空区的瓦斯在采空区内运移、重新分布，直到维持新的动态平衡。上邻近层瓦斯沿采动裂隙向开采层采空区涌入后，由于瓦斯的浮升力作用，瓦斯滞留在采空区上部区域；下邻近层涌入的瓦斯会受浮升力的作用也上升到采空区上部区域，且瓦斯在整个采空区内都符合这种分布特点，所以在垂直方向上，在近顶板附近的瓦斯浓度高于在近底板附近的瓦斯浓度。另外，由于涌入点的分布和涌入量的大小不同，使得从走向和倾向的平面上看，瓦斯浓度在瓦斯涌入点附近浓度大，梯度大。1.2 本煤层瓦斯运移规律随着4103工作面的推进，采落的遗煤在采空区深部解吸出瓦斯，由于距离工作面较远，风速低、风流紊动作用小、漏风流与煤体的对流传质系数小，涌出瓦斯不易被漏风流带走，使瓦斯易积聚。采空区浮煤析出的瓦斯滞留在采空区内，同样由于瓦斯比重轻，受到浮升力作用，在采空区内具有上升的趋势。瓦斯在浮升力作用下形成浮羽流，使瓦斯浮升到采空区顶部，即使有微团被扰动，但在浮升力的作用下又会回到顶部边界。另外，如开采空间有大量邻近层瓦斯涌入，这些都会造成采空区瓦斯浓度大大升高。由流体力学知，巷道周边存在层流边界层，处于边界层的瓦斯不存在紊流扩散，只有分子扩散，而分子扩散又存在与普通扩散不同的压强扩散，使得采空区顶部的高浓度瓦斯不易扩散到漏风流中去。2 采空区瓦斯的分布特征在近工作面区域，由于漏风风流流速较大，风流对瓦斯的扰动大，高浓度瓦斯随同本煤层在采空区内吸出瓦斯一同被漏风流经上隅角带走的同时，瓦斯浓度也在这个区域内重新分布，由于漏风流的冲刷作用，在近进风巷瓦斯浓度低，近回风巷瓦斯浓度高。在这区域内涌入的瓦斯在随工作面的推进，瓦斯浓度在沿煤层方向上向采空区深部趋于平衡。在远离工作面的区域，漏风流较小甚至影响不到，瓦斯的分布受到的扰动较小，因而上、下邻近煤层采空区涌入的瓦斯，其瓦斯浓度在平行于煤层方向上的瓦斯涌入点附近，瓦斯浓度大，梯度大，且这种分布除了受浓度扩散和压力扩散作用外，不受其它作用的扰动而维持瓦斯在采空区的这种分布。此外，一方面由于采空区内的漏风流风速远远低于工作面风速，采空区内的瓦斯就不易被风流带走。采空区在越远离工作面，漏风风速越小，被带走的瓦斯量就越少；另一方面由于受浮力作用，使瓦斯向顶板运移。这两原因使得采空区内瓦斯积聚特别是采空区顶部瓦斯浓度值更高。3 采空区瓦斯处理方法及分析为了有效地防止采空区瓦斯涌出对矿井安全生产的危害，同时为了开发利用瓦斯利用资源，减少对大气环境的污染，国内外人员做了大量研究和探索，积累了丰富的经验。目前常用的防治方法有调整风量、均压法、疏导法和抽放法等。3.1 调整风量通常情况下，当回采工作面瓦斯超限时，首先想到采取的措施即是增加风量，一般情况下采取此方法可起到降低工作面瓦斯浓度的效果。起初由于工作面风量增大，压力加大，而采空区相对工作面负压增大，采空区漏风量也随之增大，高浓度瓦斯从采空区大量涌向工作面回风隅角，回风流瓦斯浓度急剧上升；然后，浓度开始下降，经过一段时间，回风流瓦斯浓度降到原值以下，即起到了降低工作面瓦斯的效果，保障了安全开采。但该方法并不适合所用的矿井，更不能照搬硬套，盲目的加大风量，对降低工作面、上隅角或回风巷瓦斯浓度是不利的，要注意使用条件。3.2 均压法均压法就是采用风窗、风机、连通管、调级气室等调压手段，改变通风系统内的压力分布，降低漏风两端的压差，减少向采空区漏风及瓦斯涌出1314。采空区瓦斯源带压力为Hz，工作面压力为Hi，HzHi= H，采取均压综合防治措施，使得工作面Hi变大，Hz变化不大，则H变小，即瓦斯源带压力与工作面区段内的压力差值减少，邻近层采空区瓦斯渗透程度和扩散程度降低，邻近层采空区瓦斯涌出随之降低，起到防治效果。3.3 疏导法 疏导排放法就是通过改变采空区漏风方向或采空区瓦斯涌出的方式，以减少采空区瓦斯积存量，达到防止或减少采空区瓦斯沿工作面上风巷隅角侧涌出的目的。其主要措施有：尾巷排放法、风筒导引法、采空区强制漏风排出法。3.4 预埋管抽放法为防止采空区瓦斯涌入工作面，引起瓦斯浓度超限，在工作面预先布置抽放竖路，最前面一个竖管距工作面一定距离（按实际情况确定），竖直安装，底面用三通与抽放管路连接。竖管一般长11.5m左右，顶端封闭，在顶部均匀钻一些小孔，用纱布包好，放入采空区抽放。预埋管法对抽放采空区上隅角瓦斯具有独特的作用，通过抽放可以使采空区上隅角瓦斯改变流向，减少或停止向工作面涌出，从而明显降低采空区瓦斯涌出量，提高矿井生产的安全性和效益，同时还可提高采空区瓦斯抽放浓度。3.5 引导抽放法利用抽放邻近层采空区的瓦斯引排现采空区瓦斯。在煤层无自然发火危险的工作面，如其上区有采空区存在时，应首先考虑强化抽放上区段采空区的内瓦斯。在上区段采空区内形成一个负压区，破坏新、老采空区内的压力平衡，使现采空区的瓦斯在上区段采空区抽放负压的作用下流入上区段采空区，达到间接抽放采空区瓦斯的目的。这种方法能够解决工作面和回风大巷的瓦斯超限问题。3.6 顶板巷道抽放煤层群开采的综采或综放工作面，在采空区瓦斯涌出量较大时，可采用顶板走向或倾向巷道抽放采空区瓦斯。该方法具有抽放时间长、瓦斯抽放效果较好等特点，但工程量大，需在顶板掘出一条或多条巷道。它适用于厚煤层或有上邻近开采的工作面，且瓦斯涌出量较大19。3.7 利用消火道布置钻孔煤层群开采的综采或综放工作面，利用本阶段布置好的消火道布置钻孔，对上段采空区的瓦斯进行抽放。该方法是利用原有的巷道进行抽放工作，节省了开拓准备量。缺点是抽放工作不能与消防火工作同时进行。3.8 高位钻孔抽放该方法能抽放出高浓度瓦斯，抽放量稳定；缺点是需掘一段上山巷道，钻孔布置在老顶