综采工作面预防煤层自燃发火技术研究与应用

综采工作面预防煤层自燃发火技术研究与应用摘要：山西永泰煤矿为解决采空区煤炭自燃问题，从采煤工作面设计入手，合理确定采面可采走向长度、回采巷道布置方式，回采期间加强放顶煤管理，回撤后及时采用以灌浆为主、喷洒阻化剂的防煤炭自燃方式，减少了采空区丢煤，提高了煤炭回采率，同时在防止采空区煤炭自燃方面取得了良好效果。关键词：灌浆；阻化剂；煤炭自燃；束管监测系统煤炭自燃是煤矿火灾的主因之一，采空区煤炭自燃发火引起的火灾、一氧化碳等有毒有害气体溢出等事故在易自燃煤层中时有发生［１－３］，严重威胁煤矿安全高效生产。山西永泰煤矿15号煤层为II级自燃煤层，煤层的自燃发火期约为115天，矿井从优化设计入手，减少采空区丢煤，同时选用以灌浆为主，堵漏、喷洒阻化剂等为辅，加强管理与防火监测，并采用先进技术加快开采推进度的综合预防煤层自燃发火措施，取得了较好的效果。1采煤工作面设计和回采工艺1.1回采巷道布置永泰煤矿15号煤层煤厚3.2～9.5m，平均6.3米，平均倾角16°，为缓倾斜厚煤层，回采工作面采用走向长臂后退式采煤方式，为提高回采率，上下顺槽回采巷道采用下帮沿煤层底板，上帮破煤层底板的方式布置，巷道布置剖面图如1所示，这种巷道布置方式有利于采面沿煤层底板回采和采面下头前、后刮板输送机和顺槽转载机的搭接，从而最大限度的提高煤炭回采率，减少底煤丢失。图1采煤工作面回采巷道布置剖面图1.2工作面可采走向长度的确定矿井以往回采经验表明，采空区形成的次氧化带和氧化带的长度一般为60～90m，为使在煤炭发火期内将采面回采剩余的少量浮煤甩入采空区窒熄带，根据自燃发火期确定工作面推进度，综放工作面走向可采长度确定为140米。回采结束后45天内回撤设备并封闭采空区。1.3采煤工作面切眼防灭火切眼为采煤工作面最易发火地点，必须重点预防。切眼施工完成后全断面喷雾方式喷洒阻化剂，同时在切眼上隅角设置一氧化碳传感器，随时监测切眼内自燃发火征兆。1.4放顶煤回收工艺（1）综放工作面采高控制在3m左右，保证后部溜附近有足够的作业空间，便于清理浮煤。（2）坚持多循环间隔顺序放煤，原则上“一刀一放”。每循环放煤间距、放煤时间、放煤量应严格控制，确保顶煤均衡下放，顶板同步垮落。原则上顶煤4米到5米之间时循环放煤次数不少于4轮，5米以上时不少于5轮。待后部溜持续出现顶板矸时停止放煤。（3）拉移后部溜前用专用工具清理后部溜前后两侧浮煤，最大限度提高煤炭回收率，减少顶煤损失。2黄泥灌浆工艺灌浆方法采用采面设备回撤后灌浆，即回撤结束后，通过埋管灌浆法[4-5]向采空区内灌注黄泥浆。即按照防灭火设计在采空区内预先埋设灌浆管(一般预埋10～20m钢管)，预埋管采用φ50mm钢管，一端通采空区，一端接胶管，胶管长一般为20～30m，保证工作面采空区内能灌到足够的泥浆。2.1注浆工艺流程（1）埋管灌浆：有灌浆站操作人员运行灌浆站-先注入清水-通风队安排人员沿线检查灌浆管路是否漏水，若漏水则停止注水-安排管路维护人员进行线路维护，若不漏水，则对工作面密闭进行黄泥灌浆，检查井上下电话联络。（2）灌浆前，灌浆站人员先将黄土准备好，检查灌浆管路完好-确保黄泥浆体进入工作面密闭内，检查灌浆站整个系统完好，各设施能正常使用。2.2灌浆后防止溃浆、透水事故在灌浆区如果灌浆不能及时排出，而在采空区内大量积存，在采掘工作面接近此区域时，会使大量的泥浆大量涌出，造成溃浆事故。所以在灌浆时应注意采区安全措施防止事故发生。（1）经常观察水情。采空区灌入水量和排出水量要做详细记录。（2）设置虑浆密闭。在灌浆区下部，构筑虑浆密闭墙，以便将泥沙阻流在采空区内而使水排出。（3）在煤层浅部永钻孔灌浆时，要及时堵塞钻孔和地表裂缝，防止地表水或空气进入采空区。（4）在灌浆区下部开始掘进回采巷道前，必须对灌浆区进行探查，通过探查，如果存在积水，务必采取疏放积水措施，积水疏排完成后，才能继续采掘工作。2.3灌浆量计算依据灌浆量计算根据MT/T702-1997《煤矿注浆防灭火技术规范》矿井小时灌浆量按下式计算：QW=kG(δ+1)M/rct式中:QW———矿井注浆量，m3/h；k———灌浆系数，取5%;；G———矿井日产煤量，1921t；δ———土水比的倒数，取5；M———浆液制成率，取0.9rc———煤的密度，1.46t/mt———矿井注浆时间，8h；矿井小时灌浆量QW=kG(δ+1)M/rct=0.05×1924×(5+1)×0.9/1.46×8=44.48m3/h15号煤层每个工作面黄泥灌浆量:Q=QW×t=44.48×8=355.84m3/次3阻化剂辅助灭火3.1机理目前国内外使用的阻化剂大致有：吸水盐类阻化剂（如氯化钙、氯化镁、岩盐），石灰水、水玻璃，亚磷酸脂、阻化剂与水混合成一定浓度的溶液后能起到抑制和防火作用，其防灭火机理为：可以加大煤炭在低温时的化学惰性，使煤炭和氧气的结合力降低；形成一层液膜包围在煤块和煤的表面或者裂隙面；而且可以充填煤柱内部空隙；使煤体蓄水，水分蒸发吸热降温。实质是降低煤炭在低温时的氧化速度，延长煤炭的自燃发火期。3.2阻化剂材料和浓度选择（1）阻化材料选择。选择阻化剂的原则是：阻化防火效果要好，而且来源广泛，使用方便，对人员安全无害，对设备无腐蚀，防火成本低。从矿井以往应用结果来看，氯化钙、氯化镁、氯化铝、氯化锌等氯化物有一定的阻化效果，氯化钙阻化效果最好，因此采用氯化钙。（2）药液浓度。阻化剂的药液浓度大小既决定防火效果的好坏，又直接影响着煤矿吨煤成本。实践表明，采用单一的氯化钙作为阻化剂，浓度为20%时，阻化剂阻化率较高，防火效果较好。因此，阻化剂的药液浓度控制在15%～20%之间，最低不要低于10%。实际应用中，还可以将阻化剂加入泥浆，制成“阻化泥浆”，用于防灭火工作。例如，可在黄泥浆中掺入5％的CaCl2，由灌浆系统将其灌注到井下采空区等处。3.3阻化设备高压泵采用BH40/2.5型高压泵，泵流量为40L/min，额定工作压力为1~2.5MPa，电机功率3kW。液压泵由机座、防爆电动机、雾化泵、喷枪等部分组成，液压泵由防爆电机用V带带动液压泵从动轮，以700～800r/min的转速工作。液压泵在曲轴转动一圈时，分别在三个活塞筒内的三套进水和出水阀组件的作用下进行三次吸液和排液。由于电机的连续运转，曲轴带动连杆连续推动滑块部件作往复直线运动，从而使液压泵连续工作。压力表采用直管标杆式，具有抗震动、耐疲劳、不易损坏等优点，能及时读出液压泵当前工作压力。调压阀用来调节液压泵工作压力，通过顺时针旋转调压阀或者逆时针旋转调压阀来实现液压泵工作压力的调整，满足现场工作需要。高压胶管干管为直径25mm，长度为250m。支管为直径13mm。长度为20m。3.4阻化剂喷洒方式为降低成本，同时满足安全生产需要，阻化防火的管路系统为临时性。临时性管路系统的储液池一般采用矿车或专用的储液箱做成，管路临时铺设。应用阻化剂防火的方式主要有：压注阻化剂溶液、汽雾阻化、喷洒阻化剂溶液，根据矿井实际情况，选用汽雾阻化。汽雾阻化防火其实质就是将一定压力下的阻化剂水溶液通过雾化器雾化成为阻化剂汽雾。汽雾发生器喷射出的微小雾粒可将漏风风流作为载体飘移到采空区，从而达到采空区防火的目的。阻化汽雾预防工作面采空区煤炭自燃的工艺系统如图2所示。阻化剂水溶液的容器（矿车）置于回风巷内，用防灭火液压泵沿高压软管将阻化剂溶液输送到雾发生器，泵上安有压力计以便于控制输送压力。装在工作面与运输巷交接处的雾发生器，在高压（2.5MPa）作用下喷出阻化汽雾，溶液的85％被雾化为直径30µm的雾粒，并由风流带向采空区内。为了防止雾发生器喷咀堵塞，在供液管路中装有自动过滤器。图2采空区汽雾状阻化系统示意图（2）喷雾量喷雾量的大小与采空区丢煤量成正比。其计算公式如下：V=K1K2dγLhl/R……（5-6）式中V―日喷雾量，m3/d；K1―喷雾加量系数，K1=1.2；K2―每吨遗煤喷洒气雾量，阻化剂浓度为20%，K2=0.02m3/t；d―工作面采空区丢煤率，5%；γ―煤的实体密度，15号煤层1.46t/m3；L―工作面长度，140m；h―工作面煤厚，15号煤层回采工作面采高4.02m；l―工作面日推进度，3.15m；R―气雾转化率，80%-90%，取85%；V=1.2×0.02×0.05×1.46×140×4.02×3.15/0.85=3.7m3/d；4.1束管监测系统矿井安装了SG-2003型矿井火灾束管多参数色谱监测系统。该系统由矿井地面控制中心的数据处理装置、抽气泵及敷设在矿井中的管缆及管路附件等构成。利用抽气泵和管缆将井下被测点气体信息传递至地面进入气路控制装置，在计算机的控制下进行处理。依据长期连续监测矿井气体成分的变化趋势，可有效预报煤层的自燃发火。实际应用过程中，在采煤工作面回风顺槽设置3根1芯束管，1根在上隅角、一根在采空区、一根备用进行迈步式推进。两个束管监测取样点间距40m,埋入采空区最远取样点距工作面为150m。5结论山西永泰煤矿从优化采煤工作面设计入手，通过沿底掘进、多轮次间隔放顶煤回采工艺最大限度减少采空区丢煤，同时采用注浆为主，喷洒阻化剂为辅的防采空区煤炭自燃工艺，最后封闭采空区，从根本上杜绝了采空区煤炭自燃事故的发生，对于类似条件下的煤矿防采空区煤炭自燃具有借鉴和现实指导意义。参考文献：［１］张娇，王筱冬．采空区自燃发火ＣＯ蔓延规律仿真研究［Ｊ］．煤矿机械，2018，39（５）：55－57．［２］逯培红．多参数无线监测