易燃煤层工作面采空区自然发火规律及防治技术.pdf
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1、2023 年 8 月Aug.,2023doi:10.3969/j.issn.1672-9943.2023.04.033易燃煤层工作面采空区自然发火规律及防治技术(1.内蒙古鄂尔多斯市准格尔旗能源局,内蒙古 鄂尔多斯 017100;2.华北科技学院矿山安全学院,河北 廊坊 065000)摘要 为研究采空区煤自燃危险区域分布规律,以荣达矿易燃煤层工作面为对象,开展煤自燃指标气体试验,得出 CO、C2H4与 C2H6可作为自然发火标志气体。通过现场实测,划分了采空区自燃“三带”,确定了采空区“三带”中散热带宽度约为 25 m,氧化带宽度约为 65 m,工作面安全推进速度为 1.4 m/d。并基于此设
2、计了注氮防灭火技术方案。关键词 采空区自燃;“三带”宽度;工作面安全推进速度;注氮防灭火中图分类号TD752文献标识码B文章编号1672蛳 9943(2023)04蛳 0107蛳 040引言煤炭自燃是矿井生产的主要灾害,既干扰工作面正常开采,威胁工作面人员设备安全,又易引起其他灾害发生,形成恶性连锁反应。采空区因其环境特殊,为煤自燃创造了良好的条件,成为了矿井煤自燃火灾最主要的发生地咱1暂。采空区煤自燃形成火灾例占火灾总数的 60%咱2暂。因此,对于采空区煤自燃的防治技术应不断地创新与发展,力求达到良好防控。目前,对于采空区煤自燃防治,一般通过分析采空区压力与风速、氧浓度以及固体温度等指标划分
3、煤自燃“三带”,判定采空区煤自燃危险区域,进而制定具体防灭火方案咱3暂。本文以荣达矿 6#煤工作面采空区地质条件为例进行分析,现场实测矿压数据、氧浓度,划分采空区“三带”,明确工作面安全推进速度。在此基础上,设计注氮防灭火技术方案。1工程概况荣达矿某综采工作面所属 6#煤层标高+1 2131 220 m,平均埋藏深度 119 m;煤层厚度 1.8 m,倾角 1毅3毅,构造简单。煤层直接顶岩性为粉砂质泥岩、细粒砂岩、泥质砂岩,基本顶岩性为砂岩,直接底岩性为砂质泥岩。6#煤属 I 类易自燃煤层,最短自然发火期为 47 d。2指标气体测试在煤体的孔隙内赋存游离状的 CH4与 CO2等气体,同时煤形成
4、的分子结构能够吸附其他气体。常温条件下大部分被吸附的气体难以被单独析出,难辨别气体种类。采用煤升温试验,模拟煤炭自然发火条件,分析不同温度所析出的气体变化特性。根据气体成分及其浓度与煤温度关联,选择合适气体预报煤自燃现象产生。实验过程:选取 6#煤层工作面内合适尺寸煤样,运输至试验室内破碎,粒径在 3.0 mm 范围内,其后将煤样放置于仿真装置里。设定空气每分钟升温 0.5,流量 120 mL/min,将其压缩进管路送到装置内。抽取不同温度下的该气体,通过色谱仪测定 CO、CH4等可能生成气体的含量。实验结果如图 1 所示。(a)CH4(b)C2H6温度/16 00014 00012 0001
5、0 0008 0006 0004 0002 0000-2 00042506080 100 120 150 165 190 200 205温度/20406080 100 120 140 160 180 200 220 240807060504030200-10能 源 技 术 与 管 理Energy Technology and Management2023 年第 48 卷第 4 期Vol.48 No.41072023 年 8 月Aug.,2023王俊峰,等易燃煤层工作面采空区自然发火规律及防治技术(c)C2H4(d)C2H4/C2H6(e)CO/CH4(f)链烷比(g)烯烷比图 1不同物质浓度随
6、温度变化曲线由图 1 可得出以下结论:(1)随着温度升高,依次能被测定的气体顺序为 CO、烷烃、烯烃、炔烃。常温下,CO 便可被测出,烷烃稍晚,烯烃普遍在 100 以上析出,炔烃最晚。其中,乙烯在 120 左右才能被测出,可评判煤自燃是否处于加速氧化阶段,炔烃析出温度远高于其他气体,是煤燃烧阶段的产物。(2)煤样产生各种气体浓度随着煤体温度增加而增加。CH4、C2H4、C2H63 种气体随温度升高变化较一致,但 CH4浓度出现波动;C2H4/C2H6前期浓度随温度升高变化幅度小,对温度感应灵敏性不足;CH4、CO/CH4整体随温度变化呈指数上升,参数变化幅度大;链烷比与烯烷比在 7080 产生
7、,随煤温变化反映灵敏,但其浓度过小,难以被捕捉。因此,从实验结果可以看出,可作为指标气体的有 CO、C2H4与 C2H6。3采空区自燃“三带”划分3.1自燃“三带”与矿压关系分析3.1.1采场支承压力采区工作面上、下巷道采掘后,周围围岩应力重新分布,巷道周围形成塑性破坏区。在采空区四周形成支承压力带,在回采工作面前后的支承压力状态可分为应力增高区 a、应力降低区 b 及应力稳定区 c,如图 2 所示。工作面及巷道采掘裂隙演化,为采空区自然发火提供条件。图 2回采工作面前后支承压力3.1.2采空区“三带”与矿压分区关系基于工作面开采矿压实测,可以初步确定采空区“三带”与工作面沿推进方向的“横三区
8、”之间的关系。基于矿压实测,分析采空区“三带”与矿压规律关系可知,散热带宽度 L1=520 m,氧化带宽度 L2=2070 m,窒息带宽度为大于 70 m 后范围。采空区“三带”与工作面矿压规律的关系如表 1所示。温度/801001201401601802002200.003 50.003 00.002 50.002 00.001 50.001 00.000 50.000 0温度/6080 100 120 140 160 180 200 220 2400.0050.0040.0030.0020.0010.000温度/0501001502002501.00.80.60.40.20.0温度/050
9、1001502002500.80.60.40.20.0温度/0501001502002504035302520151050-5c忆abc1082023 年 8 月Aug.,20233.2基于氧浓度的采空区“三带”划分工作面回采后,采空区遗煤在漏风条件下形成足够氧气浓度,从而引起不同程度的煤自燃。根据O2浓度的大小,可将采空区划分为“三带”:散热带(O218%)、氧化带(18%O27%)、窒息带(O27%)。在此基础上,进一步细化判断“三带”区段内自然发火发展程度。在 6#煤层工作面进风与回风巷内分别布设束管,通过束管把采集的气体导入气相色谱仪中,分析 O2浓度随工作面开采变化规律,如图 3 所
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