一种急倾斜煤层开采采空区煤炭自燃防控方法

技术领域

本发明属于煤炭自燃防控技术领域，特别是涉及一种急倾斜煤层开采采空区煤炭自燃防控方法。

背景技术

煤自燃是自然界存在的一种客观现象，已经存在了数百万年。急倾斜煤层在我国已探明的储量中占4％，在国有重点煤矿中其产量比重占5％。全国有70个煤田开采急倾斜煤层，主要开采急倾斜煤层的矿井有100多个。近30年来我国开采急倾斜煤层应用过的采煤方法达20多种，由于急倾斜煤层的埋藏特征和急倾斜煤层开采方法的特征，决定了急倾斜煤层在开采过程中比缓倾斜煤层和倾斜煤层更加容易自然发火，急倾斜煤层自然发火的防治更困难，并且当采空区已经发火，也往往难以隔离处理。尤其在开采下区段时，上区段采空区的火源会冒落到下区段，此时由于下区段正在回采，也不便于及时灌浆，因此，研究急倾斜煤层采煤工作面及采空区自然发火防治尤为重要。

发明内容

为了克服上述问题，本发明提供了一种急倾斜煤层开采采空区煤炭自燃防控方法。

本发明所采用的技术方案是：

一种急倾斜煤层开采采空区煤炭自燃防控方法，该防控方法主要由四部分组成：早期预测、自燃的预防、自燃的预报、火灾应急处理；

所述早期预测包括确定煤层自燃危险程度、确定自燃火源时空分布，所述确定煤层自燃危险程度包括煤层自燃倾向性鉴定、煤样人工氧化实验，所述确定自燃火源时空分布包括自燃充要条件存在区、自燃发火期统计分析；

所述自燃的预防包括降低煤的自燃倾向性、减少可燃物、降低火区氧浓度、使自燃条件存在时间小于自燃发火期，所述降低煤的自燃倾向性为灌注阻化剂，所述减少可燃物的目的是提高回采率，所述降低火区氧浓度包括均压技术、注入氮气、堵漏技术，所述使自燃条件存在时间小于自燃发火期的目的是加快工作面推进速度；

所述自燃的预报包括确定预报方法、建立检测和分析系统、建立检测制度，所述确定预报方法为测温法、指标气体分析法，所述建立检测和分析系统为制定火灾处理方案；

所述火灾应急处理包括建立火区控制系统、降低火区温度、控制火区范围、降低氧浓度，所述降低火区温度采用注水技术，所述控制火区范围为封闭技术，所述降低氧浓度采用注氮技术、减少漏风。

其中，所述的加快工作面推进速度的依据为：

划分采空区为散热带、氧化升温带、窒息带，上述散热带、氧化升温带、窒息带的划分条件：

散热带：

式中：

h—采空区遗煤厚度，m；

h

窒息带：C＜C

式中：C—采空区氧气浓度，m

C

氧化升温带：

散热带、氧化升温带、窒息带的划分指标有采空区漏风风速(V)、采空区氧浓度(C)分布、采空区遗煤温升速度(dt＞l℃/d为氧化带)，所述采空区漏风风速(V)：V＞0.9m/min为散热带；0.9m/min≥V≥0.02m/min为自燃带；V＜0.02m/min为自窒息带；所述采空区氧浓度(C)分布：氧浓度C＜8％为窒息带，C＞8％为氧化带；

根据工作面尺寸和现场情况，建立合理的模型，定义合理的边界条件，输入现场参数，模拟结果较好的反映采空区内部气体浓度和温度分布，为采空区的散热带、氧化升温带、窒息带划分提供依据并确定自燃带范围；

采煤工作面自然发火防治要求在最短自然发火期内，工作面推进速度保证能将采空区内遗煤甩到散热带、氧化升温带、窒息带的窒熄带以内，即保证采空区遗煤接触氧气开始到被甩入窒熄带的时间小于最短自然发火期，简要的数学描述公式如下：

t

式中：L—自燃带到工作面的最大距离，m；

t—煤层最短自然发火期，d；

t

其中，所述均压技术、所述堵漏技术的依据为：

h＝RQ

式中：

h——通风通道两端的压差，N/m；

R——通道风阻,N·s

Q——风量，m

n——指数，为1～2。

由上式可知：h和R(N·s

其中的R为层流风阻R

研究提出R

式中：

k—在采空区内沿倾斜方向上的风阻变化梯度，

k＝H

H

H

l

y—距工作面进风巷距离，m；

a、b—经验系数，取决于顶板冒落岩石性质，其取值如表1-1所示；

表1-1不同岩性冒落岩石的a、b值

x—采空区内距工作面距离，m；

l—采空区内滤流分支的长度，m；

s—采空区内滤流分支的横截面积，m

本发明的优点如下：

1、综合应用多种手段与先进技术，研究急倾斜煤层开采自然发火的防控技术，项目采用了理论研究、实验及现场应用检验等多种技术手段，研究分析采空区煤炭自然发火的外因、指标气体的优选特点、采空区漏风层流风阻(R

2、深入研究急倾斜煤层开采采空区的冒落岩石“三区”和遗煤自燃“三带”；沿倾向将采空区的冒落岩石可分为无压区、受压区和压实区三个区域；导出急倾斜煤层开采采空区漏风层流风阻(R

3、构建了急倾斜煤层开采自燃防控体系，建立了以预防为主，早期预报作先导，注氮、注浆为核心，其它防灭火技术相结合的急倾斜煤层开采自燃防控体系；

4、为预防急倾斜煤层自然发火、提高急倾斜煤层开采的安全性有十分重要的作用。

附图说明

图1是本发明所述一种急倾斜煤层开采采空区煤炭自燃防控方法的实施例中采空区自然发火位置示意图；

图2是本发明所述一种急倾斜煤层开采采空区煤炭自燃防控方法的实施例中1315

图3是本发明所述一种急倾斜煤层开采采空区煤炭自燃防控方法的实施例中12901

图4是本发明所述一种急倾斜煤层开采采空区煤炭自燃防控方法的实施例中1403

图5是本发明所述一种急倾斜煤层开采采空区煤炭自燃防控方法的实施例中岩石和煤块筛分作用示意图；

图6是本发明所述一种急倾斜煤层开采采空区煤炭自燃防控方法的实施例中急倾斜煤层伪斜工作面漏风规律示意图。

具体实施方式

下面对本发明作进一步的说明，但本发明并不局限于这些内容。

实施例

一种急倾斜煤层开采采空区煤炭自燃防控方法，包括以下步骤：

步骤一：了解矿井的概况

1.1矿井简介

中梁山南矿井，1959年建成投产，设计年产原煤90万吨；因地质构造复杂、自然灾害严重等原因，难以达到设计能力，目前实际生产能力为30万吨/年；可采储量746.6万吨，实际较可靠可采储量约470万吨，可采期11年左右。

中梁山南矿井位于重庆以西18km，行政区划隶属重庆市九龙坡区；矿井中心位置地理坐标为：东经106°23′50″，北纬29°23′50″；井田北边界为Ⅴ勘探线以南120m，南边界为Ⅹ、Ⅶ勘探线以南200m，深部以－20m标高线为技术边界，南北长约4340m，东西宽约392m，井田面积约1.7km

矿井以平硐+竖井+斜井综合开拓，中央并列抽出式通风，平硐位于东翼自流井组地层，平硐口高程274.20m；竖井布设于背斜轴部，主井井口高程为614.70m，井底高程为388.40m；副井井口高程为614.30m，井底高程为130.00m；在+280米水平凿有暗竖井，井底高程为70.00m；回风主井井口装有2*250KWFBDCZ-8-NO.27风机2台，最高转速为600r/min，额定风量3600～10200m

根据南矿历史发火记录，到目前为止共自然发火37次，集中在K

(1)从发火煤层看，以K

(2)从分布区域看，以南西最为突出，其次为北西区，相对而言南东区煤层自然发火较少；主要原因是西翼和东翼K

(3)从发火地点看，自燃多发生在采空区。

(4)从发火频率看，1980年以来矿井发火次数大幅下降。

1.1.1煤炭资源和开采地质条件

南矿原设计生产能力90万t/a，因地质条件复杂，瓦斯、煤尘、顶板、水、火等灾害非常严重，因此在2010年核定生产能力为33万t/a，2012年实际生产原煤31.45万t/a；截止2012年末，矿井尚有地质储量为7740万t，可采储量4837万t。

1.1.2矿井瓦斯情况

南矿属于煤与瓦斯突出矿井，瓦斯灾害非常严重，且长期威胁着矿井的安全生产，煤层瓦斯含量17.1-23.5m

1996年，煤炭科学研究总院西安分院对南矿各煤层进行了瓦斯基本参数测定；根据该参数测定结果，结合矿井各煤层地质储量计算南矿煤层气地质储量及可抽采量，现生产水平煤层气储量为26.04亿m

1.1.3水文地质

矿井地表无大的水体和常年性溪流，地下水主要由大气降水补给，地表、地下水以背斜轴部为分水岭，在东、西翼沿岩层走向迳流，向当地侵蚀基准面溶蚀槽谷排泄；

矿井水害主要以裂隙透水和顶底板淋水出现，对矿井生产有较大的影响；2012年矿井最大涌水量为690.5m

1.1.4影响安全生产的主要地质条件

中梁山背斜是矿区主体构造，属紧凑型直立褶曲，两翼基本对称，背斜轴线走向在平面呈向西突出的弧，由N9°E—N9°W，背斜轴线走向以8°，向北以3°倾伏角倾伏；背斜南端和北端西翼不对称，北端西缓(40°)东陡(72°)南端东陡(72°)西缓(40°)中段较为对称，两翼倾角一般72°左右，轴部地层倾角较为平缓，倾角一般15°～40°；属二迭系龙谭组煤系，该煤系地质构造复杂，背斜两翼分布着大小不等的断层和次生小褶曲，小型断层分布非常密集，根据统计小断层密度达1050条/km

1.1.5煤尘爆炸与煤层自然发火

南矿煤尘爆炸指数在19.5％-23％之间，煤尘具有爆炸性；煤层自然发火严重，除K

1.1.6矿井开拓布置情况

南矿开拓方式为平硐+立井+斜井联合开拓方式，平硐+280m水平以上已开采结束，现生产水平为+130m水平，矿井目前正在向+130m水平边界开拓、向-20m水平延深；主平硐水平标高为+280m，风井水平标高+615m，区段斜长70m，石门间距300m；

采煤工作面布置方法为走向长壁和走向短壁，主要采煤方法为伪俯斜柔性掩护支架采煤法和伪俯斜短壁式采煤法，采用自然陷落法管理顶板。

1.2工作面概况

1.2.11315

1315

表1煤层顶底板基本情况

1315

本工作面由南西五石门向南往六石门开采，该工作面开切系统以南为保护煤柱，距上部水平留有5m水平隔离煤柱；1315

1.2.2、12901

12901

表2煤层顶底板基本情况

目前进风巷、运输巷与开切眼揭露断层共有5条，对回采有一定影响，另外工作面在回采过程中还会遇到一些隐伏伴生小构造；本区域除上部采空区老窑来水外无其它水体，总体看水文地质情况较为简单，工作面开采过程中无大的水害威胁；本区域对应上部K

本工作面由南东一石门开切眼向南开采，工作面开切系统以北至采止线之间的距离为走向隔离煤柱，距上部水平留有5米水平隔离煤柱；12901

1.2.3、1403

工作面位于+280m水平北西四石门至南北井田边界，210m水平北西三石门至南北井田边界，+280m水平为进风巷，+210m水平为运输巷；工作面走向长240米，平均斜长67米，煤层平均走向N10°E，平均倾角68°，平均煤层厚度1.4m，地质储量3.4万吨，可开采储量3.2万吨；+280m水平以上除K

表3煤层顶底板基本情况

根据1403

1.3矿井原有的防灭火系统及措施

南矿目前主要采用地面固定式灌浆系统进行预防性灌浆，见表4，同时辅以阻化剂防火技术；采净煤炭少留煤柱，减少发火源；优化采掘部署、合理布置工作面，合理确定开采顺序；优化通风系统，均压通风；加快工作面推进度，使采空区自燃带及时向窒息带转移。

表4南矿预防性灌浆系统参数表

固定式灌浆系统制浆池建立在地面风井，储浆量200m

1.4存在的问题及危险因素

根据现场实地考察和矿方提供的资料，1315

(1)K

(2)工作面月推进度为42m，推进速度较慢，增加了采空区浮煤自燃的危险性；

(3)急倾斜工作面，倾角较大，在工作面附近灌浆，容易造成工作面涌水，影响工作面安全、顺利推进；

(4)煤层为突出煤层，具有突出危险性，矿井为煤与瓦斯突出矿井，因此，在加强瓦斯抽放的同时要加强通风与防火管理；

(5)3个回采工作面都属于近距离煤层群开采，上部水平及本水平部分煤层已开采，工作面推进过程中，受采动影响，保护煤柱有破碎的可能，本水平及上部水平采空区与开采工作面采空区沟通，一方面老采空区有毒、有害气体将会涌入开采工作面采空区，甚至涌入工作面；另一方面，形成新的漏风通道，新鲜风流可能通过回采工作面进入老采空区，加剧老采空区浮煤氧化自燃过程，产生有毒、有害气体，甚至引发其他灾害，威胁回采工作面设备和人员安全，影响工作面的顺利回采和安全回撤。

步骤二：急倾斜煤层开采煤炭自燃防控方法

2.1合理生产部署

从工作面设计开始，正确选择开采方法、合理的巷道布置、优化工作面设计、坚持正常的开采顺序等方面保证有利于防火工作；开拓方式、采煤技术与煤层自然发火防治技术的发展是息息相关的，不同的巷道布置、采煤技术对煤层自然发火的影响是不同的，巷道布置不当、工作面设计不合理、采煤方法落后、回收率低、推进速度慢、矿压显现明显、采空区垮落不严实的采煤技术，伴生煤层自然发火的几率就越高，反之，则较低。

南矿在开采自燃发火煤层时，在生产部署主要采取以下措施：

(1)开采区域相邻的区域，不安排掘进或回采工作面，确保工作面压力均衡，减少空区漏风；

(2)1.8米以上掩支工作面布置分流斜坡不少于2条，其它掩支工作面布置分流斜坡不少于1条，否则不允许开采，且以后每隔50-80米还要补掘分流斜坡，采煤队在开采过程中应加强分流斜坡的维护工作；

(3)注浆巷道布置在开采煤层卸压范围以远的岩石巷道中，确保巷道、钻孔不变形，减少与采空区导通的裂隙；

(4)工作面跨区连续开采，减少工作面留设煤柱和开切收尾的次数；

(5)摸清地质构造，选择合适的采煤方法，确保工作面快速推进，提高工作面回采率。

2.2降低或减少采空区漏风

在柔性掩护支架初次下放时，其上部通过回柱放顶形成了一定厚度的煤矸垫层，这不仅可使支架减轻大块冒落矸石冲击载荷作用，而且增加了支架向下移动的推力。随着支架下移，原有的煤矸垫层随之向下移动，同时支架上面的采空区也将被不断冒落的矸石充填，这种随支架向下移动的碎岩块移动特征并不呈现为典型的松散性，而是具有一定联结性和活动性较差的松散体，如图5所示；该松散体由于板状岩石彼此搭压、大块岩石形成自然平衡拱或小粒粘接性泥质岩发生粘接在离支架较近的上方造成悬空现象，但支架上总有一定厚度的碎矸石垫层紧随支架下移；随着工作面的推进，沿倾向采空区冒落岩石存在不均匀性，呈现出三个区域，分别为无压区、受压区和压实区；工作面进一步推进，距离工作面较远的采空区逐渐全部压实；采空区的漏风规律和采空区压实状况密切相关，急倾斜煤层伪斜工作面采空区具有比较特殊的漏风规律，如图6所示；虚线代表漏风路径，虚线之间的密度代表漏风速度，可以看出无压区始终是一条漏风通道通往采空区深部，而在压实区基本不存在漏风。

通过以上采空区压实程度和漏风规律分析，在采空区的受压区具备煤自燃的所有条件；颗粒较小的碎煤经过筛分作用有相当一部分会进入受压区，也有较为适宜自燃的漏风风速和蓄热环境。

采空区存在漏风风流，给浮煤自燃提供了的连续的供氧条件，漏风风量直接影响着煤体的散热，采空区氧浓度的分布也取决于漏风分布。

在完全紊流状态下，根据通风阻力定律：

h＝R·Q

式中：

h——通风通道两端的压差，N/m；

R——通道风阻,N·s

Q——风量，m

由上式可知：h和R(N·s

结合现场实际情况，采取了以下降低或减少采空区漏风的措施：

(1)优化巷道断面降低通风阻力，工作面采用低风量低负压通风技术，在工作面上下端头挂风帘，定期构筑密闭、板墙等措施，加大和加深支架地沟措施，使进风巷与支架进风口的断面基本相同，降低通风阻力；

(2)矿井工作面采用U型、下行通风方式，因主要通风机产生的负压与与瓦斯运移方向和遗煤自燃的热风压(火风压)作用方向相反，相互抵消，减少了压差和采空区漏风，使“窒息带”前移，避免了采空区遗煤因供氧充分而发生自燃；

(3)工作面配风量在满足工作面治理瓦斯的需要，并确保工作面瓦斯浓度、回风瓦斯浓度及风速符合《煤矿安全规程》要求，且保证工作面风流必须处于紊流状态下，合理减少采煤面供风量，降低采煤面的风速，即可降低采空区内的漏风流速与流量，减少往采空的漏风供氧，达到抑制煤炭氧化速度、防止采空区遗煤自燃的目的，一般1.8m的掩护支架工作面，其配风量在180-200m

(4)对工作面采空区顶(底)板破碎围岩、裂隙采用喷浆作业，同时对开切巷后方的密闭进行严密封堵，减少向采空区漏风；

(5)对工作面两巷顶(底)板及内、外侧巷帮破碎围岩、裂隙进行充填加固，必要时加强局部支护，防止巷道严重变形，封堵漏风通道，减少向破碎煤体漏风；

(6)采用SF

(7)通过施工钻孔，向工作面采空区灌注N

2.3加快工作面推进度

对于自然发火期较短的煤层，若工作面停滞不前或推进速度缓慢，采空区浮煤氧化产生的热量相对散失较少，容易发生蓄积升温而加快氧化过程，并造成参与氧化的浮煤量增大，可能随着工作面的推移而向前移动，煤层发生自燃机率升高；经过现场的实践证明，工作面推进速度在≮45m/月的情况下，采空区基本上未发生自燃发火，即加快推进度，使采空区自燃带(氧化带)及时向窒息带转移。

南矿K

2.4工作面及时封堵

工作面采完后，施工队及时回撤支架和设备，对采过的煤层巷道进行严密封堵，对于存在裂隙的密闭及被压裂的隔离煤柱应及时进行喷浆作业，防止空气漏入采空区及裂隙煤柱形成漏风通道；对采过的煤层巷道及时的进行严密封堵，并确保从工作面停采至封堵结束时间≯10天；封堵时严格按质量标准的要求，防火密闭厚度≮1m，采用砖混结构建筑，并在周边敷设裙边，减少采空区漏风；在密闭墙上设置取样管、注浆管、反水管等，随时掌握采空区的情况；对存在裂隙的密闭及被压裂的隔离煤柱应及时进行喷浆作业，防止空气漏入采空区及裂隙煤柱形成漏风通道，并阻止有毒有害气体的溢出；同时，矿井采用中煤科工集团重庆研究生产的天固材料新材料工艺对防火工作面采空区周边冒落的空洞、大的裂隙以及防火密闭进行充填加固处理；使用充填加固材料，还能对密闭墙进行充填、封堵，保证密闭墙的密闭效果，防止密闭墙内有毒、有害气体逸出。

2.5工作面饱和性注浆

南矿风井附近建立有注浆池，通过注浆系统向各消火道注浆钻场供浆，并通过消火钻孔向采空区静压注浆。因工作面收采时，一般遗煤较多，不易压实，在工作面封堵完成后，必须立刻对采空区进行饱和性黄泥注浆，其土水比为1：6，注浆量主要是根据采空区的容积、采煤方法和地质情况等因素而定。

2.6提高工作面回采率

1315

2.7连续监测与定期取样化验分析

矿井已建立了束管监测、人工巡检、定期取样化验分析、防火预报报表制度，指导矿井防灭火工作。

2.7.1束管监测系统

束管监控系统对采空区进行连续监测；矿井引进JSG8井下束管火灾监测系统对易自煤采煤工作面采空区的O

2.7.2定期人工巡检与取样化验分析

矿井“一通三防”管理人员及取样化验工定期对工作面回风巷、采空区、相邻密闭、联通巷道等相关区域进行定期人工巡检及取样化验分析；定期人工巡检的方式是，矿井每班安排相关管理人员对工作面及相关区域使用多参数气体检定仪、烟雾计等仪器进行自然发火标志及气体及相关区域漏气性检查；定期取样化验的方式是，通风技术人员根据全矿回采、掘进工作面数量、位置、采区回风巷位置、已封闭火区、密闭位置等，确定全矿需要采样的数量、地点，制定巡回采样路线、间隔时间，并绘成图表交由采样工人执行；采样工人采集气样的同时记录采样点风速、温度，以便携式仪器分析采样点气体成分以便与分析室结果对照；由矿井采样工将采集的气样送到地面进行色谱分析；气体化验工当天采集的气样当天必须完成分析，并将分析结果制表报送通风技术人员及矿井总工程师。

各煤层在发火前空区气体取样化验或现场检测均出现CO，在实验室作煤样升温过程中，CO的出现均早于C

表5自燃预测的CO指标

通风技术人员对气体化验结果进行分析，标示出各测点变化，绘成变化图表，指导矿井防灭火工作。

2.8预防性灌注防灭火材料

预防性灌注防灭火材料是抑制煤炭自燃的有效手段。根据工作面回采不同阶段和地点，及时调整灌注防灭火材料及灌注量，预防性防灭火材料主要针对工作面氧化带，一般在工作面后方45m左右。

2.8.1喷洒阻化剂

阻化剂的喷洒量及浓度直接决定了阻化剂的防火效果；矿井采用伪俯斜采煤法开采自燃发火工作面，其架头后方(进风巷)长期暴露在空气中，与氧充分接触结，因此矿井开采自燃发火煤层时在工作面进风巷向空区后方喷洒阻化剂；主要用工业NaCl，其浓度经查阅相关资料及经验确定为13％；阻化液自风水喷雾器喷出走向上距架头约为45m，每次在工作面铺架时对空区后方进行喷洒，以煤体充分湿润为前提，一般喷洒量在2m

2.8.2JTJ胶体防灭火工艺

为了加强防灭火效果、延长浆液发挥作用的时间，考虑在黄泥浆中添加一定比例的高分子胶体，添加比例按照现场需要确定和调整；据现场情况，采用灌注黄泥浆结合采空区深部注氮已经能够很好的防治采空区遗煤自燃，因此，日常灌注黄泥浆中未添加高分子胶体，根据采空区遗煤自燃异常情况考虑添加高分子胶体，保证防治效果。

2.8.3注氮防灭火工艺

氮气在大气中约占79％，是一种无色、无味、无毒的气体。在常温下，性质比较稳定，不与其他元素直接化合，不燃烧也不助燃，是一种良好的气体灭火剂和惰化剂；向采空区连续注入氮气，防治浮煤自燃，已被主要产煤国家公认为是一种行之有效的防火技术措施；氮气防灭火技术的实质是将氮气送入拟处理区，使该区域空气惰化，使氧气浓度降低到煤自然发火的临界浓度以下，以抑制煤的氧化自燃，直到火区窒息的防灭火技术。

中梁山南矿已配备一套温州瑞气空分设备有限公司生产的井下移动式制氮装置，额定制氮能力为500Nm

指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。