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1、急倾斜煤层火灾防治技术主要内容：1绪论2柔性掩护支架开采自然发火特点3煤层自燃特性参数实验测试4柔性掩护支架开采采空区空气动力研究5柔性掩护支架开采采空区火源位置分布模拟研究6李嘴孜矿孔集井-140mA1工作面煤炭自燃防控实践7结论与展望1绪论 1.1 问题的提出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，灾情难以消除。急倾斜煤层在我国已探明的储量中占4%，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。伪斜柔性掩护支架采煤法是目前开采急倾斜煤层比较常用的方法，也是国家推荐的开采急
2、倾斜煤层的方法之一。1绪论 1.2 国内外研究现状目前，国内外一些专家、学者在伪斜柔性掩护支架开采自然发火防控技术方面做了一定的研究。我国的王海东、杨开道、郑秀安、杨胜强、张瑞华、杜荣桃等，对伪斜柔性掩护支架开采自然发火的原因及特点进行了研究；王显军、邓军、朱长河、李国玉、李书军、樊正龙等，对伪斜柔性掩护支架开采自然发火的防治进行了研究。但这些研究几乎都是针对某一特定的煤矿，研究不成体系、不全面。没有全面、系统、深入分析性掩护支架开采自然发火的原因和特点及防治。 2柔性掩护支架开采自然发火特点 2.1柔性掩护支架采煤法- 工作面柔性掩护支架图2 柔性掩护支架采煤工作面巷到布置示意图回风石门采空
3、区运输石门运料眼溜煤眼开切眼 2.2采空区遗煤自然发火影响因素2柔性掩护支架开采自然发火特点 图3采空区遗煤自燃影响因素图采空区遗煤自燃影响因素内部因素外在因素煤层倾角煤的氧化特性采空区浮煤厚度地质因素遗煤透气性漏风强度工作面推进速度煤岩体导热性工作面长度 2.3柔性掩护支架开采火源点位置分布规律1、采空区1）工作面架尾2）溜煤斜巷与工作面交叉处 2柔性掩护支架开采自然发火特点 火图5 采空区自然发火位置示意图溜煤斜巷回风巷掩护支架运输石门回风石门工作面采空区开切眼运输巷火2柔性掩护支架开采自然发火特点2、巷道顶部高冒区图6 巷道顶部高冒区示意图巷道高冒区表1 按发火地点划分自燃火灾统计结 果
4、发火地点发火次数占比例/%采空区1651高冒区929封闭墙 内老塘310盲巷区3102柔性掩护支架开采自然发火特点3、靠近煤层顶板侧的巷道 -冒落带 -裂隙带 -整体移动带 V-底板移动带图7 急倾斜煤层围岩变形特征V aGTS图8 急倾斜煤层顶帮受力分析2柔性掩护支架开采自然发火特点 2.4柔性掩护支架开采自然发火特点1、发火位置不易确定2、采空区自燃高温区域范围大且隐蔽3、采空区自燃火灾灭火难度大，灾情难以消除4、回采期间存在采空区二道自燃火灾威胁 2.5柔性掩护支架开采自燃火灾综合防治体系根据柔性掩护支架开采煤层自燃火灾的特点及其规律，建立预防、预报为主，以注浆、注氮灭火技术为措施，其它
5、防灭火技术为辅的综合防治体系。该防治体系主要由四部分组成：早期预测、自燃的预防、自燃的预报以及火灾应急处理（如图9所示）。预 测煤层自燃倾向性鉴定确定煤层自燃危险程度确定自燃火源时空分布煤样人工氧化实验自燃充要条件存在区域自燃发火期统计分析预 报预 防应 急 处 理灌注阻化剂注入氮气均压技术加快工作面推进速度堵漏技术降低煤的自燃倾向性减少可燃物提高回采率降低火区氧浓度使自燃条件存在时 间小于自然发火期确定预报方法测温法指标气体分析发建立检测和分析系统建立检测制度降低火区温度注水技术控制火区范围封闭技术降低氧浓度注氮技术减少漏风建立火区控制系统制定火灾处理方案柔 性 掩 护 支 架 开 采 自
6、燃 火 灾 综 合 防 治 体 系图9 柔性掩护支架开采自燃火灾综合防治体系2 柔性 掩护 支架 开采 自然 发火 特点3煤层自燃特性参数实验测试三岔门016 15 14 13 12 116 5 4 3 2 1-105m回风-140m进风-250m 生根眼A1煤工作面图10采样点布置示意图采样 煤层煤样 编号距三岔门 距离/m采样 位置备注A1煤0#1500中部切眼- 140A1 煤1#1030顶煤2#1130顶煤3#1230顶煤4#1330迎头5#1368迎头6#1460迎头- 105A1 煤11#860底煤12#960底煤13#1060底煤14#1160迎头15#1200迎头16#1340
7、迎头表2采样点位置及煤样编号p3.1煤样的采集在工作面掘进期间，在A1煤层工作面的进回风巷采取了13个煤样，采样点布置如图10所示，煤样编号及其在断面中的位置如表2所示。3煤层自燃特性参数实验测试 3.2煤的自燃倾向性鉴定目前我国煤矿采用色谱吸氧鉴定法（MT/T7071997）进行煤自燃倾向性鉴定。煤的自燃倾向性等级分类见表3所示。煤样的自燃倾向性鉴定实验结果如表5所示。 表3 煤的自燃倾向性等级分类 自燃倾向 性等级自燃倾向性干煤的吸氧量/cm3/g褐煤、烟煤类高硫煤、无烟煤类容易自燃0.711.00自燃0.410.701.00不易自燃0.400.80编号工业和元素分析/%真相对密度 t/(
8、kgm3)吸氧量 Vd/(cm3g)自燃等级MadAdVdafS 02.795.0542.800.791.380.580级自燃 132.907.9841.081.380.459级自燃表5煤样的自燃倾向性鉴定结果表3煤层自燃特性参数实验测试 3.3指标气体的优选3.3.1实验装置图11 实验装置示意图流 量 传 感 器进 气 管三通稳 压 阀高 压 氮 气 瓶稳 流 阀气阻压力表减压流 量 传 感 器稳 压 阀高 压 空 气 瓶稳 流 阀气阻压力表减压控温炉膛煤 样 罐电源与 加热系统温度检测 控制系统出 气 管支架干燥器冷却器 煤矿专 用气相 色谱仪控制器及 显示键盘计 算 机3煤层自燃特性参
9、数实验测试3.3.2实验条件 3.3.3实验步骤3.3.4指标气体的实验结果3.3.4.1指标气体随温度变化规律1、CO浓度随温度变化规律（图12）2、乙烷（C2H6）浓度随温度变化规律（图13）3、乙烯（C2H4）浓度随温度变化规律（图14）4、丙烷（C3H8）浓度随温度变化规律（图15）由图可知：虽然煤样出现各种气体的最低温度有所不同，在同一温度下产生各种气体的浓度不同，但各种气体产生量与温度之间呈指数规律变化的趋势基本相同，即其产生的速率随煤温的升高而增大。 3煤层自燃特性参数实验测试图12 煤温40； 2）当风流中检测到乙烷气体、且有稳定上升趋势时，标志煤温t120；3）当风流中检测到
10、乙烯气体、且有稳定上升趋势时，标志煤温t130；4）当风流中检测到丙烷气体、且有稳定上升趋势时，标志煤温t140；3.3.6影响指标气体的因素分析3.3.6.1氧浓度的影响通过对0#煤样进行实验得到：一氧化碳、乙烷、乙烯和丙烷浓度随煤样温度 在不同氧浓度下的变化关系曲线图，分别如图19中（a）、（b）、（c）和（d）所示。从图中可以看出，在上述实验条件下随着氧浓度的升高，产生指标气体的 量也升高。3煤层自燃特性参数实验测试（a）（b）（c） 图19 指标气体浓度随煤样温度在不同氧浓度下的变化关系曲线（d）3煤层自燃特性参数实验测试3.3.6.2粒度的影响对14#煤样和3#煤样进行实验。通过实验
11、结果得到：一氧化碳、乙烷、乙烯和丙烷浓度随煤样温度在不同粒度下的变化关系曲线图，分别如图20和21（a）、（b）、（c）和（d）所示。 从实验结果看，在该实验条件下，煤样粒度对指标气体浓度影响规律都一样，煤样的粒度越小，在同温度下产生的CO浓度越高。图20 CO浓度随煤样温度在不同 粒度下的变化关系曲线原因有两个方面:从热力学角度分析，煤颗粒的粒径越小，反应自发进行的趋势就越大，自燃的趋势较大，煤样的自燃、着火温度降低。从动力学角度分析，煤颗粒粒径越小，速率常数越大，煤的比表面积随着煤粉颗粒粒径的减小而增加，随煤粉颗粒比表面积的增加活化能减小，煤粉越易着火燃烧。3煤层自燃特性参数实验测试（a）
12、（b）（c）图21 指标 气体 浓度 随煤 样温 度在 不同 粒度 下的 变化 关系 曲线（d）3煤层自燃特性参数实验测试图22 CO浓度随煤样温度在不同 流量下的变化关系曲线3.3.6.3空气流量的影响通过对14#煤样进行实验得到：一氧化碳（CO）浓度随煤样温度在不同流量下的变化关系曲线图，如图22所示。从实验结果可以得到，在该实验条件下空气的流量为80ml/min比120ml/min时产生的指标气体浓度大，主要是由于空气流量过大带走的热量越大，导致煤样的氧化速度降低。 4柔性掩护支架开采采空区空气动力研究 4.1采空区冒落岩石的移动特征4.1.1顶板变形及移动规律FCBADVEV-直接顶冒
13、落带，-顶板中的卸压拱，-支承压力区， V-回风水平处的盆地型下沉，V-底板中的卸压区 图23开采急倾斜煤层时围岩应力重新分布示意图p4.1.2采空区冒落岩石的移动特征 图24 冒落岩石滑落对采空区下部的充填作用4柔性掩护支架开采采空区空气动力研究4.2采空区漏风流态及其判别准则根据俄国学者研究，采空区的流态判别准数可用当量雷诺数Re判别（4-1）当Re2.5属于紊流流态； 0.25Cminhhmin氧化带窒息带5柔性掩护支架开采采空区火源位置分布模拟研究 5.2采空区漏风场模拟5.2.1漏风场物理模型本文以李嘴孜矿孔集井-140mA1工作面为例进行模型建立。该工作面的煤层倾角65，倾斜长40
14、m，走向1500m，采高3.2m。煤层直接顶粉砂岩厚度2.9m 。直接底粉砂岩厚度1.9m。工作面进风巷风量150m3/min，工作面风阻0.5kg/m7左右，工作面推进速度13m/d。工作面巷道示意图，如图31 所示。 图31 工作面巷道示意图采空区溜煤眼运料眼行人眼煤层5柔性掩护支架开采采空区火源位置分布模拟研究为了便于网络解算，将采空区抽象成一个四边形，并将其平均分为m(行)n(列)个四边形的漏风通道，上边界长为144.7m，下边界长100m，右边界(工作面)长为60m，左边界长为40m每个漏风通道用一个分支代表。这样采空区由m(n-1)+(m-1) n+3=223条滤流分支组成的通风网
15、路。同时将分支和节点按一定规则进行编号如图32所示。图32 采空区管网划示意图144.7m40m100m123 112 101 100 79 68 57 46 35 24 115 1141161171181191201211223 13 2456789101112 113 102 91 80 69 58 47 36 25 14456789105柔性掩护支架开采采空区火源位置分布模拟研究5.3采空区“三带”分布通过网络解算理论，结合采空区漏风风阻计算公式，计算出各接点风速。用Matlab软件调用各节点风速数据文件，并用线性插值的方法计算出采空区各点漏风风速，绘制出采空区漏风风速等直线分布图，如图35所示。按漏风风速作为指标进行“三带”划分。并绘制出采空区漏风风速分别等于0.02m/s和0.001m/s的等风速线，分别作为散热带与氧化带和自燃带与窒息带的分界线。如图36所示。从图中可以看出采空区漏风范围在距工作面40m左右的地方，氧化带在距工作面10m到40m之间的范围内。此结果与实际基本相符。 5柔 性掩 护支 架开 采采 空区 火源 位置 分布 模拟 研究图35 采空区漏风场风速等值线图距工作面距离(x)/m距 风 巷 距 离 (y)/
