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1、急倾斜煤层火灾防治技术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容易自然发火发火，急倾斜煤层自然发火的防治更困难防治更困难，并且当采空区已经发火，也往往难以隔离处理难以隔离处理，灾情难以消除灾情难以消除。 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多个多个。伪
2、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常用的方法，也是国家推荐的开采急倾斜煤层的方法之 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、张王海东、杨开道、郑秀安、杨胜强、张瑞华、杜荣桃瑞华、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、不全面不成体系、不全面。没有
3、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
4、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VaGTS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
5、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、自燃的预报以早期预测、自燃的预防、自燃的预报以及火灾应急处理及火灾应急处理（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
6、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#12
7、30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
8、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/(kgm3)吸氧量Vd/(cm3g)自燃等级MadAdVdafS02.795.0542.800.791.380.580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
9、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
10、实验测试图12 煤温200各实验煤样CO浓度随温度变化规律图13 煤温200各实验煤样C2H6浓度随温度变化规律图14 煤温200各实验煤样C2H4浓度随温度变化规律图15 煤温40； 2）当风流中检测到乙烷气体、且有稳定上升趋势时，有稳定上升趋势时，标志煤温t120； 3）当风流中检测到乙烯气体、且有稳定上升趋势时，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，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
11、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粒度的影响粒度的影响 对14#煤样和3#煤样进行实验。通过实验结果得到：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，在同温度下产生煤样的粒度越小，在
12、同温度下产生的的CO浓度越高浓度越高。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）（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空气流量的影响空气流量的影响 通过对14#煤样进
13、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
14、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； 0.25Re2.5属于过渡流流态。资料表明急倾斜煤层柔性掩护支架开采采空区的氧化带中空气流动基本属于过渡流流态。4.3采空区漏风阻力定律 （4-2）4.4采空区漏风风阻 （4-3） （4-4）4柔性掩护支架开采采空区空气动力研究 根据柔性掩护支架开采采空区冒落岩石的特征、现场观测及相似模拟实验资料可知，随着工作面的推进，沿倾向采空区冒落岩石堆放存在不均匀性，呈现出明显的三个区域。所以，在柔性掩护支架开采环境下采空区的冒落岩石压力情况按倾向可
15、静态的分为三个区域，可分为无压区、受压区和压实区无压区、受压区和压实区三个区域如图26 所示。无压区受压区压实区图26 沿倾向采空区冒落岩石受压状况4柔性掩护支架开采采空区空气动力研究 在沿走向方向上，采空区冒落岩石由松散堆积的无压区逐渐过度到受压区和压实区。因此，随着距工作面距离的增大，漏风风阻逐渐增大，到距工作面一定距离后风阻几乎不变化，如图27所示。在倾斜方向上，重力的作用，采空区顶部冒落的岩石或煤体，将速度下沉到采空区底部。因此，在倾斜方向上，一般采空区底部较采空区顶部的孔隙率小，风阻大。通过分析前人研究资料 21，得出沿倾斜方向风阻变化规律如图28所示。风阻/kg.m-7距工作面距离
16、/m图27 沿走向方向风阻变化趋势风阻/kg.m-7距工作面上风巷距离/m图28 沿倾向方向风阻变化趋势4柔性掩护支架开采采空区空气动力研究 由式（4-3）和式（4-4）可以看出R1和R2仅是x（采空区内距工作面距离）的函数，没有考虑R1和R2沿倾斜方向的变化，显然用上式计算急倾斜柔性掩护上式计算急倾斜柔性掩护支架开采环境下采空区的漏风风阻与实际是不相符的。支架开采环境下采空区的漏风风阻与实际是不相符的。以矿压理论和现场监测数据为依据，通过在计算机上多次试算，对公式（4-3）、（4-4）中axc、bx0.5c两项修正后，得出风阻R1、R2计算公式。 式中：k 在采空区内沿倾斜方向上的风阻变化梯
17、度，按式（4-7）式计算 （4-7）（4-5） （4-6）4柔性掩护支架开采采空区空气动力研究 用改进后的公式计算柔性掩护支架开采环境下采空区的风阻值，并绘制出三维图，如图29所示。从图29，可以看出改进后的公式比较符合实际情况。图29 采空区风阻立体示意图风阻R/kg/m7采空区走向x/m H1 采空区中部顶板的下沉量，m； H2 采空区上、下边界处顶板下沉量的平均值，m； ly工作面的长度，m； y距工作面进风巷距离，m。5柔性掩护支架开采采空区火源位置分布模拟研究5.1采空区“三带”划分模拟研究 5.1.1采空区“三带”划分条件 柔性掩护支架采空区“三带”范围的静态划分图如图30所示：5
18、.1.2采空区“三带”划分指标 (1)采空区漏风风速(V)；(2)采空区氧浓度(C)分布；(3)采空区遗煤温升速度(dtl/d为氧化带)。图30 柔性掩护支架采空区“三带”范围的静态分布散热带hhminCCminhhmin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40m，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
19、。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 11511
20、41161171181191201211223132456789101112113 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
21、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)/m图36 采空区“三带”分布图距风巷距离(y)/m距工作面距离(x)/m散热带0.001m/s氧化带窒息带0.02m/s5柔性掩护支架开采采空区火源位置分布模拟研究5.4采空区温度场模拟结果 模拟的结果如图38所示。从图中可看出，高温点的位置出现在走向距离工作面1040m、倾向距离进风巷1030m的位置。模拟结果与采空区“三带”划分位置基本一致。但是，从图中还可
22、以看出，采空区高温点温度并不高。说明在以李嘴孜孔集井-140A1工作面实际条件做为模拟的边界条件的情况下，该采空区没有出现自燃现象，这与实际相符。图38采空区温度场分布距工作面距离(x)/m距风巷距离(y)/m6李嘴孜矿孔集井-140mA1工作面煤炭自燃防控实践6.1工作面概况 工作面走向长1500m，煤层倾斜长40m，面积60000m2。工作面采区巷道布置如图39所示。煤层总厚3.2m，煤层结构无夹矸，煤层倾角65。 3图39 工作面巷道布置示意图411 2 5 43 9876016 1514 13 12 11 6 5 4 3 2 1测温钻孔采煤样点压能测点2566李嘴孜矿孔集井-140mA
23、1工作面煤炭自燃防控实践6.2温度检测预测煤层自燃 6.2.1热电偶的布置 测温钻孔布置在-140m回风巷的巷道顶部，钻孔及热电偶位置见表10所示，钻孔布置位置示意图如图39所示。6.2.2测定结果 通过测定结果可以看出各地点温度基本没有变化，说明煤层还没有自热（自燃）的现象。表10钻孔及热电偶位置钻孔序号距三岔门距离（m）埋热电偶编号1#385.81#、11#、21#2#3322#、12#、22#3#943#、13#、23#4#98.14#、14#、24#5#1435#、15#、25#6#416#、16#、26#7#47.37#、17#、27#8#52.18#、18#、28#9#629#、1
24、9#、29#6李嘴孜矿孔集井-140mA1工作面煤炭自燃防控实践6.3指标气体预测煤层自燃 根据煤样实验室实验结论，通过在工作面回风流中采集气样分析。说明该煤层温度没有超过40，煤层没有发生自热（自燃）现象。此结果与温度检测预测结果相符。6.4均压防治技术 均压防灭火的实质是，利用风窗、风机、调压气室和连通管等调压设施，改变漏风区域的压力分布，降低漏风压差，减少漏风。从而达到抑制遗煤自燃、惰化火区，或熄灭火源的目的。6.4.1调压设施均压防灭火的原理6李嘴孜矿孔集井-140mA1工作面煤炭自燃防控实践6.4.2压能测定 1、测定方法 本次测定采用了气压计逐点测定法。 2、测定路线 测定路线图分
25、别如图55和图39所示图55掘进期间压能测定路线图风井-140路线为：10-9-8-7-4-5-250路线为：1-12-13-14-15副井主井-250排水巷-250西运道-140总回西六风井10121313149111283675421156李嘴孜矿孔集井-140mA1工作面煤炭自燃防控实践 3、测定结果 结果分别如图56和图57所示，由图56可以看出-250m的压能要高于-140m的压能。由图57可以看出机巷的压能和风巷的压能相差较大。图56 掘进期间压能测定结果图57 正常回采期间压能测定结果6李嘴孜矿孔集井-140mA1工作面煤炭自燃防控实践6.4.3均压措施 1、控制风量 工作面回采
26、期间，工作面风量保持在150m3/min左右，A1总回风保持在250m3/min300m3/min。 2、工作面采用均压通风 掩护支架工作面在回风巷设置调节风窗，在运输巷设带风门的局扇通风，以抑制工作面上方老塘及后方采空区漏风。 工作面采用均压通风，即工作面贯通前在105m石门A3以北设置两道调节风门，在A3槽与绞车窝联络巷设置一道调节风墙，工作面贯通后时进行通风系统调整，确保工作面风量保持在150m3/min，减小工作面上、下端口负压差。6李嘴孜矿孔集井-140mA1工作面煤炭自燃防控实践6.5防堵漏风通道6.5.1灌浆防火机理6.5.2灌浆措施 1)、工作面回采期间，加强随采随灌 2)、采
27、后老塘注浆 3)、工作面机巷注浆6.6注氮预防自燃6.6.1氮气防灭火原理6.6.2注氮措施7结论与展望结论结论1、在实际条件下，影响柔性掩护支架开采采空区遗煤自燃的外在因素，主要包括：遗煤透气性、漏风强度、煤（岩）体导热性、采空区遗煤厚度、工作遗煤透气性、漏风强度、煤（岩）体导热性、采空区遗煤厚度、工作面推进速度、工作面长度、煤层倾角和地质因素面推进速度、工作面长度、煤层倾角和地质因素。2、柔性掩护支架开采火源位置常发生在：工作面架尾、溜煤斜巷和工作面交工作面架尾、溜煤斜巷和工作面交叉处；巷道顶部高冒区；靠近煤层顶板侧的巷道。叉处；巷道顶部高冒区；靠近煤层顶板侧的巷道。3、柔性掩护支架开采自
28、然发火的特点：发火位置不易确定发火位置不易确定；采空区自燃高温采空区自燃高温区域范围大且隐蔽；采空区自燃火灾灭火难度大，灾情难以消除；区域范围大且隐蔽；采空区自燃火灾灭火难度大，灾情难以消除；回采期间存在采空区二道自燃火灾威胁。4、建立了以预防为主，早期预报作先导，注浆、注氮为核心，其它防灭火技术相结合，预防柔性掩护支架开采自燃防控体系。7结论与展望5、通过实验室实验研究得出：李嘴孜矿孔集井-140mA1工作面煤层自燃倾向性等级是级属于自燃煤层级属于自燃煤层；优选一氧化碳、乙烷、乙烯和丙烷一氧化碳、乙烷、乙烯和丙烷作为自燃早期预报的指标气体，并提出提出CO预报煤层自燃的判断方法预报煤层自燃的判
29、断方法。6、在总结前人的研究成果基础上，结合急倾斜煤层柔性掩护支架开采采空区冒落岩石特性。提出了沿倾向（从上到下）采空区的冒落岩石可分为无压区、提出了沿倾向（从上到下）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的概念。受压区和压实区三个区域的概念。推导出柔性掩护支架开采采空区漏风层流推导出柔性掩护支架开采采空区漏风层流风阻（风阻（R1）、紊流风阻（）、紊流风阻（R2）的计算公式）的计算公式。7、分析了采空区“三带”的划分条件；模拟出采空区漏风场的分布，计算出漏风风速等于0.02m/s和0.001m/s的等直线，并以此作为划分采空区“三带”的指标，划分出采空区“三带”的静态分布图；模拟
30、出采空区温度场分布，确定采空区高温点的分布位置，在走向距离工作面确定采空区高温点的分布位置，在走向距离工作面1040m、倾向距离进风巷、倾向距离进风巷1030m的位置。的位置。7结论与展望8、结合理论研究和实验研究的成果，基于可应用与可推广的理念，把研究结论与实验结论，应用到预防李嘴孜矿孔集井140mA1工作面自燃防控实践中，通过一系列的预测、预报和预防措施有效的防止了该工作面在掘进和回采期间煤层自燃。从而保证了该工作面的安全回采。展望1、通过研究柔性掩护支架采煤法的特点，结合煤层自燃特性，研究柔性掩护研究柔性掩护支架开采采空区遗煤自燃的自燃发火期。支架开采采空区遗煤自燃的自燃发火期。2、通过相似模拟实验及现场观测，深入研究采空区冒落岩石和煤体孔隙分布深入研究采空区冒落岩石和煤体孔隙分布特性。特性。3、数值模拟方面还需要进一步完善。数值模拟方面还需要进一步完善。
