特厚煤层综放工作面封闭采空区瓦斯治理技术研究

特厚煤层综放工作面封闭采空区瓦斯治理技术研究

0采空区瓦斯治理技术方案在采矿和沉淀过程中，形成大量的采空区。关闭采空区后，无论瓷砖还是高瓦思，井中都会聚集大量的砖瓦。抽采是治理采空区瓦斯的有效途径,但是在煤炭自燃和瓦斯危害同时存在的矿井,进行采空区瓦斯抽采时容易引起煤炭自然发火。研究资料表明:对具有自然发火危险性的煤层,密闭墙漏风条件下,采空区温度会有所升高,据测试,温度每升高1℃,煤炭吸附瓦斯能力降低8%,密闭区积聚大量瓦斯甚至发生煤层自燃。另外,当矿井发生矿震或冲击地压现象时,采空区的大量瓦斯会迅速溢出,易导致瓦斯事故发生。这是目前治理采空区瓦斯的难点,在煤炭行业具有普遍性,也是防治瓦斯与煤炭自然发火问题研究的焦点。因此,采取采空区瓦斯治理技术,对采空区的瓦斯进行综合治理,可以消除采空区安全事故隐患。淄矿集团提出氮气置换法治理采空区瓦斯的方案,其原理是当采空区进行瓦斯抽采时,有外部气体进入采空区来补充采空区被抽出的瓦斯。如果补充的气体用注入的氮气来代替,将能阻止新鲜风流向采空区涌入,保持采空区内的惰化状态,防止煤炭自然发火。该方案不仅要解决采空区瓦斯抽采和注氮问题,更重要的是实现采空区状况的适时观测、有害气体的来源与影响因素分析、采空区漏风的检测与封堵措施、气体置换过程中的测控以及各种相关技术的综合运用等问题,基于此,笔者对淄矿集团封闭采空区瓦斯和火灾双重灾害治理技术应用情况进行实践,以期为类似条件矿井提供理论及实践依据。1工作面开采区域瓦斯与煤层引发的灾害淄矿集团所属8对生产矿井,所开采煤层全部具有自然发火倾向性,最短自然发火期30d左右,其中有1处高瓦斯矿井,3处瓦斯涌出异常矿井,且1处矿井采深达1000m,开采区域具有冲击地压倾向性。以葛亭煤矿为例,对2311工作面采空区存在瓦斯和煤层自燃双重灾害治理技术进行研究。葛亭煤矿年核定生产能力1.20Mt,矿井主采煤层为3号煤层,煤层倾角变化较大,最大达55°,煤层自然发火期30d,煤尘具有爆炸危险性,为瓦斯矿井,局部区域瓦斯涌出异常。该矿井2305工作面回采结束一年后采空区溢出瓦斯导致邻近掘进工作面发生施工人员伤害事故。2煤岩瓦斯含量通过对2311工作面封闭的采空区观测,开采结束以后,冒落岩石逐渐被压实,煤岩层重新承受压力,但其应力小于原始应力,邻近煤岩层仍保留一定的膨胀变形,瓦斯经过长时间的自然排放后,涌出量降低,瓦斯源趋于枯竭。但由于采空区已经封闭,瓦斯不能从采空区排出,采空区内积累了不断从煤岩中解吸出瓦斯,使采空区的瓦斯浓度较高,实测采空区最高瓦斯体积分数达到19.6%。此外,采空区内还积累了由煤炭的低温氧化而产生的CO等有毒有害气体。2.1采空区气体浓度观测采空区瓦斯浓度和高浓度区域分布,对合理布置瓦斯抽采点、确定瓦斯抽采参数十分重要,直接影响瓦斯抽采量、抽采浓度等参数。通过向采空区施工3个高位钻孔,2013年对葛亭煤矿2311工作面采空区气体浓度进行测定,如图1所示。由图1看出,采空区内各种气体成分不稳定,随着时间的变化波动较大,而且呈现无规律波动。采空区内瓦斯浓度及氧气浓度的不断变化,造成采空区瓦斯浓度时常处于爆炸极限,且不断为采空区供氧,为煤炭的氧化与升温创造条件,对采空区及矿井的安全管理十分不利。2.2采空区气体波动原因分析采空区气体成分波动是由于采空区漏风引起的,而漏风流的流动必然以采空区的内外压差为动力。一般认为,能够引起采空区内外压差变化的因素主要有矿井通风系统的稳定性、气体温度变化、大气压力的变化。1)采空区气体波动原因分析。通过葛亭煤矿某段时期井下2311工作面采空区对地面大气压力密闭前气压及密闭内外压差进行观测,发现2311工作面采空区气体波动的原因主要是地面大气压力变化所致。当地面大气压力低于103.2kPa时,由密闭内向外出气,当地面大气压力高于103.2kPa时由密闭外向密闭内进气。可以确定以地面大气压力103.2kPa为分界点,其高或低均引起采空区发生喘息现象。2)采空区漏风通道的检测。检测方法是应用SF6气体检漏仪查找采空区漏风点及漏风通道。在2311轨道巷密闭墙处,利用风流的高压能释放SF6气体,监测结果表明,总体漏风趋势由轨道巷向运输巷方向流动。3该采空区为应对恐怖主义倾向风险的双重技术3.1密闭墙体施工有效封闭是隔绝氧气的基本措施,同时采取阻止氧气漏入和封闭区惰化措施。在对采空区漏风通道进行观测的基础上,选择以下技术对漏风区域进行封堵。1)区域喷涂。对漏风区域采取喷涂堵漏措施及注凝胶技术。2)裂隙压注。通过钻孔向密闭墙顶部及周围裂隙压注马丽散等膨胀充填材料,并应用气体检漏仪进行效果考察。3)内外均压。在原有密闭外侧,增建永久密闭,并形成均压气室(图2),同时,设U型管观察内外压差。4)组合密闭。加大采深超过800m的永久密闭墙建筑力度,至少要建筑2道厚度不小于750mm的砖或料石密闭,砖或料石必须使用混凝土砌筑,2道密闭之间至少间隔3m,中间使用黄土或沙石充填,并灌注水泥砂浆,要确保填实、充满。外墙要建筑2道防倒加固墙垛,墙垛高度不低于密闭墙高度的2/3。3.2气体置换关键技术1)氮气置换法抽采技术的原理。当实施采空区瓦斯抽采时,抽采负压破坏了瓦斯的游离状态与吸附状态的动态平衡,使一部分吸附状态的瓦斯按一定的衰减速度不断地解吸,当抽采到一定程度后,将有外部气体进入采空区,来补充采空区被抽走的部分瓦斯。因此瓦斯抽采将造成采空区漏风量增加,其值等于抽采量减去解吸量。注入的氮气能阻止新鲜风流向采空区涌入,保持采空区内的惰化状态,防止煤炭自然发火。2)氮气置换法抽采的基本原则。关键技术在于抽采强度和抽采口位置的确定,以实现抽注平衡控制。瓦斯抽采强度过大或瓦斯抽采口位置不合理,导致采空区内大量的氮气涌入瓦斯抽采管,造成氮气损失、注氮效率下降,增大了瓦斯抽采的负担,降低了瓦斯抽采的效率。同时,随着氮气的注入,在注氮压力和漏风的作用下,一部分氮气将不可避免随漏风泄漏,而高浓度的瓦斯也将随之涌出,这就给瓦斯管理带来一定的难度。因此,对封闭采空区实施气体置换时,要按照“先注后抽、边抽边注、控制抽量、监测监控”的原则进行,先向采空区注入一定量的氮气再抽采瓦斯;抽采的同时连续向采空区注氮;为防止向采空区漏风,保障氮气惰化带平稳向采空区深部推移,要控制抽采量,原则上注入氮气量大于瓦斯抽采量的1.1倍。为保障置换过程的安全,在置换抽采措施实施过程中,应采取周密的监测监控措施,对采空区内的气体成分和温度等进行采样和测定,以进一步判断是否具备抽采条件和判断抽采时的安全可靠程度。3)氮气置换法抽采技术总体方案。首先进行采空区煤的氧化与惰化模拟试验,研究煤的低温氧化规律、CO的来源及变化规律;然后再对采空区有害气体进行观测,分析采空区有害气体成分、变化规律及影响因素的基础上,实施采空区漏风的检测与漏风通道的封堵措施。再进行采空区氮气置换法抽采,综合运用采空区瓦斯抽采技术、注氮惰化技术以及监测监控技术,具体制定并实施气体置换方案,实现同时治理采空区瓦斯灾害与煤炭自燃双重灾害的目的。3.3气情波场监测采空区内温度选用移动式水环式真空瓦斯抽采泵站进行瓦斯抽采,采空区标志性气体采用人工检测和监控系统不间断监测,及时分析采空区内有害气体数据和波动变化情况。同时对采空区内温度进行测定,以进一步判断是否具备抽采条件和判断抽采时的安全可靠程度,分析可能存在的自然发火隐患。实施氮气置换抽采措施时,采空区内O2、CO、CO2体积分数应分别小于5%、0.01%、10%,且温度小于40℃。3.4压缩注氮过程1)工艺要求。注氮装置选用400m3/h以上的膜分离制氮机,注氮机一般安设在轨道巷中的联络巷内,注氮孔布置在密闭墙内,终端位置在终采线向上5m处,利用密闭墙预留的注氮管向采空区压注。注氮方式为封闭式连续性注氮,可根据采空区气体指标的观测结果,随时调整为间断性注氮。2)技术要求。第1次向采空区注氮,或停止注氮后再次注氮时,应先排出注氮管内的空气,避免将空气注入采空区中。注入氮气的纯度不低于97%,注氮量根据采空区中的气体成分来确定,以采空区中的氧体积分数不大于5%作为确定的标准。如果采空区中的CO浓度较高(>100×10-6),或出现高温、异味等自燃征兆,都应加大注氮强度;在注氮过程中,工作环境的氧体积分数不得低于18.5%,否则停止作业并撤出人员,同时降低注氮流量或停止注氮,或增大工作场所的通风量。合理设置监测传感器,加强对采空区中O2、N2和CO的监测;同时,由瓦斯检查员随时对密闭外的O2、CO和CH4浓度进行检测。注意检查邻近工作面及回风风流中的瓦斯涌出情况,若发现采空区大量涌出瓦斯,风流瓦斯浓度超限时,可适当降低注氮强度或加强采空区瓦斯抽采的力度。4采空区整体漏风场1)通过研究发现,已封闭采空区气体成分波动是由于采空区漏风引起的,而漏风流的流动必然以采空区的内外压差为动力,采空区气