综采放顶煤工作面自然发火预测预报技术体系研究.pdf

2 0 1 5年第 4 0卷第 1 期 Vo 1 4 0 No 1 能 源 技 术 与 管 理 Ene r g y Te c hno l o gy a n d Ma n a g e me nt d o i l O 3 9 6 9 0 i s s n 1 6 7 2 9 9 4 3 2 0 1 5 0 1 0 0 1 专0 与 绩 连 臻 一 综采放顶煤工作面自然发火预测预报技术体系研究 孙洪波 t 刘彤旭 王凯 a 赵红红 1 山西中煤西沙河煤业有限公司 山西 朔州 0 3 6 0 0 2 2 中煤电气有限公司 北京 1 0 1 3 0 0 3 中国矿业大学 安全工程学 院 江苏 徐州 2 2 1 l 1 6 摘要 结合 西沙河矿的 实际情况 通过采取煤炭 自燃早期预测预报技术 建立柬管监测 系 统 辅助监测 系统和 实时监 测 系统 针对西沙河矿 1 9 0 1综采 工作面构建 了综采放 顶煤工作 面 自然发火预测预报技术体 系 经过现场应用 取得 了良好的效果 该体 系为综采放顶煤工作面煤炭 自然发 火预测预报提供 了有效技术手段 关键词 综采放 顶煤工作面 自然发 火 防灭火 预测预报 中图分类号 T D7 5 2 1 文献标识码 A 文章编号 1 6 7 2 9 9 4 3 2 O 1 5 0 1 0 0 1 0 3 1 概况 西沙河矿 9 煤层属于 自燃煤层 自然发火期 为 3个月左右 煤层厚度为 1 1 4 0 1 6 0 6 n q 平均 厚度 1 4 2 5 m 1 9 0 1 工作面为西沙河矿的首采工 作面 2 0 1 0 0 6 1 3开始推采 工作面倾向长 1 8 0 m 走 向长 6 8 9 m 初采期间 工作面切眼处地质结构 复杂 存在背斜褶皱构造 倾角大 局部 区域达 1 6 o 工作面受地质条件限制 推进速度相对较慢 且 1 9 0 1 工作面上覆煤层中的 煤层 原 2 4 1 0 1 2 4 1 0 2两个采面的采空区 在 2 0 0 6 2 0 0 7年曾经发 生过两次严重的 自然发火现象 于 2 0 0 8年安全封 闭 现在从取样孔检查 无 C O气体涌出 密 闭墙 处无高温点 返水管 的水温无变化 为 了更好地掌握矿井煤炭 自然发火规律 消 除危害 为综放工作面实施防灭火方案提供理论 依据 在 1 9 0 1 工作面构建综采工作面 自然发火预 测预报技术体系 2 自然发火预 测预报技术 2 1 预测技术 预测技术是指在煤还没有出现 自然发火征兆 之前 采用煤 自燃危险区域判定法 综合评判预测 法 数学模型预测法等方法提前判断松散煤体 自 燃的危险程度 自 然发火期及最易自燃区域的一 种技术 以煤自燃危险区域判定理论为依据 西 沙河矿 9 煤层采用红外探测 预测技术 预测煤炭 基金项 目 江苏省 自然科学基金 青年基金 B K 2 0 1 3 0 2 0 3 自 燃的程度和确定其位置 探测点布置在 1 9 0 1 工 作 面巷道横 向和纵 向上 测站间距 6 7 m 每个测 站分别从巷道两帮 顶底板 4个测点进行探测 当 出现 自燃征兆时要根据实际情况增加测点 从而 获得更加准确 的自燃位置 2 2 预报技术 煤层 自然发火预报技术 是指在煤层开采后 根据煤氧化放热过程中的温升 标志气体等参数 变化情况 判别 自燃状态 较早发现 自燃征兆 的技 术 目前 预报方法主要有标志气体分析法 测温 法两类 预报 的手段主要有人工取样监测分析预 报和实时监测预报系统 2 2 1 标志气体分析法 西沙河矿 9 煤层部分气体的浓度随温度变 化分布情况如图 1 所示 研究表明 烯烃 和炔烃以及 C O是煤 自然发 火过程中碳氧化反应的产物 这几种气体组分在 煤吸附气体中是不存在的 亦有吸附气体 中有 C O 的报道 但极为少见 因此 用仪器分析和检测煤 在 自燃过程中释放出的这几种气体组分 不仅能 5 0 o 0 4 o 0 O 3 0 0 0 2 0 0 0 1 o 0 O 0 0 2 O 4 O 6 0 8 0 1 0 0 l 2 0 1 4 0 l 6O l 8 O 2 M 温度 图 1 9 煤层煤样部分气体浓度随温度的变化规律 2 孙洪波 等综采放顶煤工作面 自然发火预测预报技术体系研究 2 0 1 5年 2月 F e b 201 5 够早期预报矿井火灾 而且能够预报煤炭 自然氧 化进程 由图 1 可知 温度达到 3 0 时 9 煤层煤样 在氧化过程 中开始出现 C O C O 在低温阶段两者 浓度 较小 且随着煤温度 的升高而上 升 其中 7 0 1 1 0 q C阶段 浓度上升较快 1 0 0 1 3 0 C C阶段 浓度上升变缓 1 2 0 之后气体浓度几乎呈指数 趋势上升 说 明此时煤 已经开始迅速氧化 物理吸 附已经越来越弱而化学吸附和化学反应 占据了主 要位置 c H 在 9 O 时开始出现 初始浓度较 低 随着温度的升高生成量逐渐增加 到 1 3 0 时 C H 开始出现 且生成量随温度的升高呈指数 增加趋势 分析其他气体浓度随温度的变化 得 出 3 0 时 C H 开始出现 说 明煤样 中原来存在少量 C H 其生成量随着煤的氧化加剧而增加 氧化过 程中出现了 C H C H 和 C H 说 明煤 与氧发生 了较 强 的化学 反应 在 3 0 1 9 0 内没有 出现 C H 说 明该气体出现 的温度高于 1 9 0 C 一旦检 测到 C H 则表明煤已经发生剧烈的化学反应 因 此 9 煤层煤样应以 C O作为指标性气体 并辅以 c H C H c H 和 c H 来掌握煤炭 自燃情况 C O 的出现说 明煤已经发生氧化反应 C H 和 C H 现表 明煤 温已经达到 9 0 C H 出现表 明煤 温 已经达到 1 3 0 C H 的出现说 明煤温 已经超过 1 9 0 C O的变化趋势可以判断煤 自燃的阶段 如果 C O浓度上升速率较慢 说明煤温还在 1 0 0 1 3 0 之间 否则在 1 3 0 以上 2 2 2 测温 法 巷道松散煤体及周围介质温度 的升高直接反 映着煤的氧化程度 现有的预报煤 自然发火测温 方法分为两种 一种是用检测到的温度进行预报 另一种是根据温度的变化特性 煤所处 的环境和 条件对 自然发火 的可能性进行预报 目前 探测煤 的 自然发火 的测温仪主要有红外线测温仪和温度 传感器 两种 红外线测温仪 红外线预测预报技 术能够有效测量煤堆 露头 巷壁煤柱的 自燃 已 在多 成功应用于井下 自燃火灾 但是该技术只 能探测出物体表面与 仪器垂直物体的温度 而且 要求中间无遮挡物 因此 不适应于巷道松散煤体 内部或相邻采空 区内部 的温度检测 温度传 感器 目前常用 的温度传感器有热电阻 热 电偶 A D 5 9 0温度传感器 光纤洲温器等 在西沙河 9 煤层 f 一 作 面进 回风顺槽 的上下 隅角和采空区两巷埋设温度探头 加强对采空区 煤体氧化升温的监控 同时也可埋设采空区采样 束管 亦可根据不同深度采空区的气样成分预测 自然发火 的状态 3 监测监控 系统建立 3 1 束管监测系统 为了达到准确 及时地对煤层 自燃火灾进行 早期预报 有 的放矢地采取预防煤层 自燃火灾的 措施 进而避免 自燃事故的发生 1 9 0 1 T作面采 用矿井火灾束管监测系统作为煤层火灾监测与早 期预报 的重要装备l 7 目前地面束管监测系统存在管路维护难 技 术人员配备欠缺 采样测定滞后 系统管理不健 全 全套设备所需费用高等诸多问题 西沙河矿使 用 山东淄博祥龙测控科技开发有限公司研制开发 的 K S S 一 2 0 0矿井火灾气体束管采样系统 该 系统 具有体积小 重量轻 束管管路短 便于井下安装 管理和维护等优点 而且能够在井下对重点危险 区域进行现场连续采样 通过现场和实验室分析 有效监测火灾气体成份的变化 3 1 1 系统组成 K S S 一 2 0 0矿井火灾气体束管采样系统能够有 效预测预报中小型矿井 自然发火 同时对于大型 矿井高产高效工作面的 自然发火预测预报及火灾 治理过程中火灾信息的连续检测也能起到明显作 用 该系统主要由以下 3 部分组成 抽气束管 抽 气泵 采样柜 如图 2所示 水纾离 s j lJ 水环式 卒泵 体采 制 饪 1 位汁 2 压力控 制阀 3 气 口 4 压力表 5 连接法兰 6 连接 管道 7 J叟管 8 K 泵f I 9 水泵进气 口 1 0 皮管 1 1 负F i 表 J 2流跫计 1 3 八路控 11 J 父 1 4 气体采样 1 l 5 J j 水 图 2 束 管监测设备组成 3 1 2 设备安没位置及采样点布置 9 煤层柬管监测设备安设在综果 L 作 的辅 2 0 1 5年第 4 0卷第 1 期 Vo 1 4 O No 1 能 源 技 术 与 管 理 E n e r g y T e c h n o l o a n d Ma n a me n t 3 助 回撤通道处 如图 3所示 1 9 0 1 工作面长度为 8 0 0 m 根据西沙河矿实际情况 采空 区气体成份 测定范围大约距 工作面 1 5 0 m 约 5 0 m设一个测 点 各测点保持采空区内部进 回风侧各 3采样 点 上下顺槽 同时观测 头有 4个 其中综采工作面有 1 个 工作面回风顺 槽 1 个 北翼集 中回风巷 1 个 总回风井 1 个 C H 探头有 1 O个 主要安设在各工作面及 回风 口 处 监测监控 系统 2 4 h对井下 的各测点进行监 控 并且有专业人员 2 4 h 在监测监控室值班 每 班填写 4次记录 只要井下有超限地点 地面监测 系统就报警 值班人员将立即汇报矿调度室进行 处 理 4结论 眼 移 采样泵 每束管录样点 图 3 束管监测采样点布置示意图 3 1 3 监测数据 1 9 0 1 工作面各项气体指标如下 工作面 回风上隅角 CO 1 8 1 0 6 CH4 0 4 02 l 8 3 CO2 0 3 温度 1 7 3 1 9 0 1 工作面采空区束管气体色谱分析 CO 7 4 1 0 CH4 0 1 2 4 8 02 7 31 N2 9 0 8 7 0 3 CO2 1 6 8 7 7 C2 H6 0 0 3 1 6 C2 H4 0 00 0 0 C2 H2 0 0 0 0 0 3 2 辅助监测系统 鉴于束管监测系统的不足之处 辅 以人工检 测的方法 人工检定管测定 采集气样色谱仪 分析 为确保防火技术的可靠性 除设主监测系统 外 还需建立一套辅助监测系统 该辅助监测系统 主要包括化验室和气相色谱仪 对各种气体进行 准确的化验分析 这是辅助防火的有效措施 3 3实时监测监控 系统 西 沙河矿引进 了 由江苏江煤科 技发展有 限 公 司开 发 的 K J 一 3 7 9型监测 监控 系统 该 系统 自使 用以来运行 良好 2 0 1 2年 8月对矿井使用的 系统进 行 了升级 目前使用 的是 K J 一 3 7 9 A型监 测 系统 K J 一 3 7 9 A能够 接人 各 种类 型 的模 拟量 传感器 如瓦斯 一 氧化碳 风速 温度 湿度 负 压 烟雾 水位 电流 电压等 还能接入各种类型 的开关状态传感器 如风 门 风筒 主扇 局扇 皮 带跑偏 打滑等设备的开停传感器 目前整个矿井 有 l 2个检测分站 总共有 5 6个监测探头 C O探 1 2 0 1 1 年 1 1 月 西沙河矿 1 9 0 1工作面顺 利完成撤架收面 并对工作面顺槽进行了密闭 同时依据自然发火预测预报体系提供的数据进行 了闭后灌浆工作 闭后采空区无 C O及高分子气 体 2 西沙河矿通过采取煤炭 自燃预测预报技 术和建立监测监控系统 针对 1 9 0 1 综采工作面构 建 自然发火预测预报体系 取得了 良好 的效果 这 一 创新性应用进一步完善了 自然发火预测预报技 术 现场应用证 明了 自然发火预测预报体系具有 很好的现场适应性 能够满足煤矿防灭火工作的 需要 参 考 文 献 1 鲜学福 我国煤矿矿井防灭火技术研究综述 J 中国 工程科学 2 0 0 1 3 1 2 2 8 3 1 2 沈强 浅谈矿井防灭火检测设备的应用及改进 J j 陕 西煤炭 2 0 0 8 1 2 2 3 6 4 0 3 张飞 范文胜 徐丽 等 超长综放面煤炭自然发火的 预测与控制 J 煤矿安全 2 0 1 0 1 1 3 7 4 0 4 肖呖 王振平 煤 自燃指标气体与特征温度的对应关 系研究 J 煤炭科学技术 2 0 0 8 3 6 6 4 7 5 0 5 房江华 小 红沟矿急