易燃厚煤层综采工作面自然发火规律论文.docx
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易燃厚煤层综采工作面自然发火规律论文
全日制硕士专业学位论文
易燃厚煤层综采工作面自然发火规律及
防治技术研究
申请人姓名：
申兢
指导教师：
余明高教授
学生类别：
工程硕士
专业名称：
安全工程
研究方向：
煤矿火灾防治理论与技术
河南理工大学安全科学与工程学院
二○一三年六月
河南理工大学
学位论文原创性声明
本人郑重声明：
所呈交的学位论文，是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。
论文中除了特别加以标注和致谢的地方外，不包含任何其他个人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果。
其他同志对本研究的启发和所做的贡献均已在论文中作了明确的声明并表示了谢意。
本人学位论文与资料若有不实，愿意承担一切相关的法律责任。
学位论文作者签名:
年月日
河南理工大学
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保密的学位论文在解密后适用本授权书。
学位论文作者签名：
指导教师签名：
年月日年月日
中图分类号：
TD712密级：
公开
UDC：
620单位代码：
10460
易燃厚煤层综采工作面自然发火规律及
防治技术研究
StudyonSpontaneousCombustionRegularityandtheControlTechnologyoftheFlammablethickcoalseamworkingface
申请人姓名
申兢
申请学位
工程硕士
学科专业
安全工程
研究方向
煤矿火灾防治理论与技术
导师
余明高
职称
教授
提交日期
2013.4
答辩日期
2013.6
河南理工大学
致谢
时光如梭，两年时间匆匆而过，两年时间里经历了很多事很多人，帮助自己成长成熟。
其中我的导师余明高教授对我指导影响尤其巨大，在此向他表达我最诚挚的谢意，感谢他给予我的无私指导和帮助。
入学以来，无论在学习上还是在生活中，他都给予了我悉心的指导和无尽的关爱，尤其生病期间给予了无私的关心。
在学习研究上他的严谨治学、求真务实的工作态度是我一生学习的楷模。
在他的指导和影响下，我在科研能力和为人处事方面提高了很多。
在此，谨以无比感激的心情，向他致以由衷的感谢和无比的敬意！
在此也特别感谢褚廷湘老师对我的全面指导及帮助，他给予我最直接的知识和技术，收益匪浅。
感谢于水军教授、路长副教授在近两年研究生学习中给予的帮助和指导，感谢贾海林老师，郑立刚老师在学习写作过程中给予的帮助与指导。
谢艳鹏、李芳、纪文涛、郑凯、孔杰、杜海刚、赵红和李双格同学在生活和学习过程中给予了很大的帮助，在此表示深深地感谢。
同时也感谢学校，安全学院给提供了舒适的学习、生活环境！
今年我虚长二十有五，从出生到现在，我所走过的每一步无不浸透着父母的汗水和辛劳。
自己对家对父母没有一点的贡献帮助，反而学习生活处处让父母担忧，更是在去年生病令父母操劳费心，在此对父母表达深深的歉意，以后会用实际行动好好回报父母。
再次感谢父母多年来对我的鼓励和支持，能够让我在研究生期间认真地完成了所有学习任务！
感谢本文所引用参考文献的所有作者们。
感谢各位专家、教授在百忙之中评阅本文，对论文中的不足之处提出批评、建议；最后感谢参加我论文答辩的各位评委。
摘要
当前国内许多矿井的采空区自然发火情况十分严重，尤其是在上覆采空区下伏煤层回采期间，易形成上下采空区的贯通漏风。
同时矿井为解决上隅角及采空区瓦斯超限的问题，普遍采用埋管抽采瓦斯，对采空区漏风分布产生了很大的影响，采空区自燃“三带”的分布更加复杂。
这种情况下的矿井自燃防治和防灭火工作缺乏有效的技术体系指导，因此本论文提出开展上覆采空区下伏煤层在埋管抽采瓦斯及复杂漏风条件下易燃厚煤层综放工作面自然发火规律及防治技术研究。
本文结合义煤集团杨村煤矿上覆采空区下伏煤层埋管抽采瓦斯及复杂漏风的实际情况，研究采空区的自然发火规律，影响煤自燃的危险因素。
通过对工作面采空区“三带”的测温和取样分析，分析工作面采空区自燃氧化规律和“三带”分布状况，埋管抽采瓦斯对煤自燃的影响效应，确定有利于工作面防灭火要求的通风参数和回采工艺参数，从而保证工作面的安全生产。
论文确定了符合D13171工作面的具体的防灭火参数，建立在埋管抽采瓦斯及复杂漏风条件下的综合防火技术体系，优化设计了“横-竖”结合的“L”型筛管，大幅度提高了抽放效果。
通过防火效果检验，证明采取的综合防灭火技术符合杨村矿的实际且富有成效，可以在全矿及相似矿区矿井展开推广并为防治类似煤层自燃提供依据参考。
关键词：
采空区；自燃“三带”；漏风；埋管抽采
Abstract
Thecurrentdomesticmanyminesgoafspontaneouscombustionsituationisveryserious,especiallyduringcoalseamunderlyingthegoafmining,easytoformthetransfixionairleakageinupperandlowerthegoaf.Simultaneously,tosolvetheproblemofgastransfiniteinthecornerandgoaf,coalminecommonlyusedburiedpipedrainagegas,generatinggreatimpactsonairleakagedistributionandspontaneouscombustion“threezone”.Inthiscase,theworkofspontaneouscontrolingandfirepreventionofthemineisthelackofeffectivesystemandguidance.Sothispaperpresentsdevelopmentofthespontaneouscombustionruleandcontroltechnologyresearch,whichissuitableforinflammablethickcoalseamworkingfaceundertheconditionsofburiedpipegasextractionandcomplicatedairleakage.
ThispapercloselycombineswiththepracticalsituationofworkingfaceinYangcunCoalMineofYimaCoalIndustryGroop,researchingonthelawofgoafspontaneouscombustionofinflammablethickcoalseamundertheconditionofburiedpipeextractiongasandcomplexairleakage,theriskfactorsofinfluencingcoalspontaneouscombustion.Basedonthe"threezones"testandsamplinganalysisofworkingfacegoaf,analysisingthespontaneouscombustionoxidationrulesofworkingfacegoafand"threezones"distribution,andtheeffectofcoalspontaneouscombustionundertheconditionofburiedpipeextractiongas,thenmakesuretheventilationparametersandstopingprocessparametersofsatisfyingfire-fightingrequirements,soastoensurethesafetyinproductionwork.
ThispaperdeterminesthespecificparametersoffirepreventionaccordingwiththeD13171,buildingupthecomprehensivefiretechnologysystemundertheconditionofburiedpipeextractiongasandcomplexairleakage,optimaldesignning"cross-vertical"combination"L"shapedscreenless,greatlyimprovedthedrainageeffect.Throughthefireeffecttest,itprovedthatthecomprehensiveanti-extinguishingtechnologyconformedtotherealityoftheYangcunmineandfruitful,promotingtheapplicationinthewholemineandsimilarminearea,providingabasisforreferenceforthepreventionandcontrolofsimilarcoalspontaneouscombustion.
Keywords:
thegoaf;spontaneouscombustionthreezones;airleakage;gasextraction
目录
摘要I
目录V
1绪论1
1.1研究背景及目的1
1.2国内外研究现状2
1.2.1煤自燃理论2
1.2.2现有矿井防灭火技术及其特点2
1.2.3瓦斯抽采诱导浮煤自燃影响效应研究现状3
1.3问题的提出及其意义4
1.4本文研究内容4
1.5技术路线4
2采空区埋管抽采瓦斯对煤自燃影响理论分析7
2.1埋管抽采瓦斯诱导遗煤自燃关联因素分析7
2.1.1自燃危险因素分析7
2.1.2危险因素的关联性8
2.2漏风模式9
2.3埋管抽采瓦斯对自然发火影响分析9
2.4本章小结10
3矿井概况及煤层自燃特征参数11
3.1杨村矿矿井概况11
3.2D13171工作面概况12
3.3煤层自燃特征参数测试研究13
3.3.1煤的吸氧实验13
3.3.2煤绝热氧化特征温度14
3.3.3煤自然发火期17
3.3.4煤自燃衍生气体生成特征17
3.4本章小结19
4采空区煤自燃危险区域“自燃三带”分布规律研究21
4.1煤自燃危险区域划分理论及意义21
4.1.1煤自燃危险区域划分理论概述21
4.1.2煤自燃危险区域划分原则22
4.2煤自燃危险区域观测方案22
4.2.1观测手段及仪器仪表22
4.2.2采空区埋管测点布置23
4.2.3测点的保护23
4.3煤自燃危险区域数值观测24
4.4自燃危险区域分布及特征27
4.4.1采空区氧气浓度变化特征27
4.4.2采空区温度变化特征29
4.4.3采空区一氧化碳变化特征31
4.4.4自燃危险区域空间分布及最低推进速度33
4.5本章小结33
5工作面采空区漏风实测研究35
5.1工作面采空区漏风测定原理35
5.2工作面漏风量测量及分析计算36
5.3漏风考察38
5.4工作面漏风动力来源分析39
5.5本章小结40
6工作面综合防火技术体系41
6.1工作面注水技术及工艺41
6.1.1煤层注水系统41
6.1.2水力压裂注水系统设备选型42
6.1.3煤层注水钻孔布置42
6.1.4钻孔倾角43
6.1.5注水压力43
6.1.6单孔注水量44
6.1.7注水时间45
6.2工作面注氮防灭火技术45
6.2.1氮气纯度及惰化指标46
6.2.2注氮量确定46
6.2.3注氮方式及释放口位置确定47
6.2.4采空区防灭火注氮流量48
6.2.5防火注氮时机选择50
6.3工作面注浆技术50
6.3.1灌浆方法51
6.3.2浆液配比52
6.4阻化防灭火技术52
6.4.1阻化剂防灭火原理52
6.4.2喷洒阻化剂52
6.4.3气雾阻化54
6.4.4煤层预注阻化剂防灭火55
6.5工作面漏风控制56
6.5.1调节风门均压56
6.5.2充填堵漏57
6.6埋管抽采技术57
6.6.1横竖结合“L”型筛网管设计58
6.6.2埋管抽采口位置59
6.7效果检验59
6.7.1采空区氧气浓度变化61
6.7.2采空区温度变化61
6.7.3采空区一氧化碳浓度变化62
6.7.4采空区三带范围变化62
6.7.5上隅角及回风巷瓦斯浓度变化62
6.8本章小结63
7结论及展望65
7.1主要结论65
7.2创新点65
7.3存在的问题及下一步工作展望66
参考文献67
作者简介71
学位论文数据集73
1绪论
1.1研究背景及目的
煤炭资源是我国最重要的消费性能源和国民经济发展的重要支柱，具有不可替代的地位。
但随着工业的发展，煤炭行业已成为我国工业生产中伤亡事故严重的行业，每年煤矿事故死亡人数占全国矿山行业死亡人数的80%以上。
其中，矿井火灾是直接威胁矿井安全生产的重要灾害之一，其中有易自燃发火危险的矿井约占到全国重点煤矿的56%[1]，统配和重点煤矿中具有自然发火危险的矿井约占47%，矿井自然发火又占发火次数的94%，其中采空区自燃占内因火灾的60%。
进入90年代后，全国范围内不断采用放顶煤开采技术，矿井生产逐步向高产高效集约化发展。
不过这一技术由于生产强度大，一次性丢煤量大，导致采空区浮煤厚度增加，使得采空区成为最容易发生煤自燃的区域[2]。
近年百万吨发火率虽有所下降，但仍高居不下，与世界几个主要产煤国家相比，差距还很大。
煤自燃灾害形势颇为严峻，而特厚易自燃煤层自然发火更易发生，是威胁矿井安全生产的重大灾害[3]。
一旦煤自燃发生，将会严重影响煤矿的安全生产，将会带来巨大的经济损失。
据统计，因为煤自燃所带来的全部损失每年都高达100亿元[4]。
我国火灾基础理论研究起步晚，防灭火关键设备和技术还有待完善和配套，面临着一批急需解决的技术问题。
所以，矿井火灾防治工作仍是矿井安全生产所要面临的一项艰巨任务。
义马矿区主要开采侏罗纪中统义马组2-1、2-3号煤层，煤种属长焰煤，极易自然发火，每年因煤炭自然发火带来了巨大的经济损失，同时严重威胁着煤矿职工的生命安全；广泛采用放顶煤技术开采后，由于工作面推进相对较慢，煤炭自然发火的几率明显提高，威胁着矿井的安全生产。
义煤集团杨村煤矿，煤层自燃倾向性等级为I级，属极易自燃煤层，发火期1个月，最短7d。
随着开采深度的增加和综放工艺的推广及本煤层瓦斯抽采强度的加大，煤矿面临矿压增大，顶煤增厚，空顶现象增多，采空区漏风复杂，给煤层自燃创造了条件，自然发火几率明显增大，自然发火问题已成为影响矿井安全生产的严重障碍。
杨村煤矿D13171工作面开采煤层属2-3号煤层,煤岩成份以丝煤、暗煤为主，煤层结构复杂，含多层夹矸，煤层厚度2.5-9.0m，煤层倾角8°～12°，是易燃厚煤层，由于煤层厚，采放高度高，采空区体积大，且回采率相对较低，大量浮煤遗留在采空区，为采空区自燃提供了丰富的呈松散状态的煤，增加了采空区浮煤自燃的危险性。
而由于D13171工作面上覆中13211工作面采空区，易形成上下采空区贯通漏风，且采空区利用埋管抽采采空区瓦斯，使得采空区上隅角支架后部区域漏风加剧，不利于矿井防灭火。
基于杨村煤矿上覆采空区漏风和埋管抽采的应用对自燃带来的问题及技术现状，立足防灭火角度，为掌握瓦斯负压抽采对自然发火的影响，需要对多漏风通道的采空区自燃问题展开系统研究。
因此围绕杨村煤矿开采工艺，瓦斯抽放技术措施，煤本质自燃属性及煤层自燃相关影响因素，展开对上覆采空区下伏煤层在埋管抽采作用下的自然发火问题进行研究，协调通风参数对自然发火的影响，对降低杨村矿自燃灾害意义重大。
1.2国内外研究现状
1.2.1煤自燃理论
关于煤自燃，人们提出了一系列的论点或学说来解释，其中主要的有：
细菌作用学说、黄铁矿作用学说、自然基作用学说、酚基作用学说和煤氧复合作用学说等。
在此基础上，国内外学者又提出了许多更具体的学说，如李增华[5]、LopezD[6]、WangH[7]、Unal[8]和Martin[9]各自提出了相应的理论以支持自由基、氢原子和基团作用学说。
国内外研究者从不同角度和方法对煤自燃机理进行了研究，ShinnJH[10]等人提出了高挥发分煤的结构模型。
Schulten[11,12]等人在煤中低分子化合物与大分子之间的作用这方面做了很多的研究。
Spiro曾用填空物理模型构造了given、wiser、solomon煤分子模型的三维表现[13]。
Garciap[14]利用热分析技术对煤的自燃进行了研究。
国外很多学者如日本[15]、土耳其[16]、美国矿业局[17]及波兰学者MarianBranny[18]对煤的自燃做了大量的模拟研究，研究包括了数值模拟及现场模拟。
国内的彭本信[19]、刘剑、王继仁、孙宝铮[20]和徐精彩等[21]等人也通过数值模拟和现场模拟相结合的方法来对煤自燃进行了研究。
奇庆杰、黄伯轩[22]、徐精彩、邓军[23,24]、徐精彩等[25]、张辛亥、习光、徐精彩[26]等学者对在工作面开采及漏风条件下采空区的煤自燃进行了大量的研究。
随着软件科技的发展，李宗翔[27,28]、王济凯、鲍学彬、丁仰卫[29]、杨胜强[30]、李洪刚[31]、陈长华[32]和王俊峰、邬剑明、靳钟铭[33]等学者们利用计算流体力学模拟软件模拟了采空区在不同的漏风及边界等条件下的自燃过程及危险区域。
1.2.2现有矿井防灭火技术及其特点
煤矿常用的防灭火技术主要有：
惰气、堵漏、均压、三相泡沫、阻化剂、用水灭火、灌浆、胶体防灭火技术等[34,35]，按其主要作用和功能归纳为以下几类:
1）控制漏风技术。
主要目的是:
减少或杜绝松散煤体氧气的供给。
技术手段有:
水泥喷浆;泡沫喷涂;纳米改性弹性体材料涂抹;均压[36]。
其中仅依靠均压对己经或曾经发生过自燃的火区来达到完全杜绝漏风，防止自燃的目的是不现实的[37]。
2）火区惰化技术。
主要目的是:
降低火区氧浓度，窒息火区。
技术手段有:
注入N2等惰性气体;惰气泡沫;三相泡沫[38]。
其中惰气和泡沫对大热容煤体的降温效果不好，灭火周期长，火区易复燃，并且对现场堵漏风工作要求较高[39,40]。
惰泡和三相泡沫稳定时间短，如在碎煤中压注，发泡性能差，起泡倍数低，且对已形成高温的浮煤，需注泡量很大，易复燃[41,42]。
3）煤体阻化技术。
主要目的是:
降低煤体的氧化活性，抑制煤氧结合。
技术手段有:
雾化阻化剂;惰化阻化剂;喷注CaCl2等一些吸水性很强的盐类。
其中CaCl2的水溶液附着在煤体表面时，形成一层含水液膜，阻止煤氧接触，同时能使煤体长期处于潮湿状态，在低温氧化时温度不易升高，从而抑制了煤的自热和自燃[43]。
惰化阻化剂不易均匀地分散到煤体内，如用其水溶液注入煤体则易流失[44]。
4）吸热降温技术。
主要目的是:
降低高温煤体温度，彻底熄灭高温火区，防止火区复燃。
技术手段有:
注水;灌浆[45];液氮[46];液态CO2。
用水或泥浆灭火时，由于井下自燃火源通常处于比较高的部位，其不能滞留在发火部位，易形成固定的通道流动，且流过发火部位后仅使煤表面温度得到降低，煤体的内部温度仍然很高;水的剧烈蒸发增加了煤的孔隙率，漏风通道更加畅通。
5）胶体防灭火技术。
凝胶、稠化胶体和复合胶体可使水溶液在指定的时间和部位发生胶凝，包裹高温煤体，从而充分发挥水的吸热降温作用。
在现场使用和推广过程中，还研制开发出井下移动式、地面移动式、管网式和多功能灌浆注胶防灭火系统等多种应用工艺，可依据矿井实际进行灵活设计与使用[47]。
1.2.3瓦斯抽采诱导浮煤自燃影响效应研究现状
LimingYuan[48]、胡千庭、梁运培等[49]和陈明河[50]等科研工作者对抽采瓦斯对煤自燃的影响机理进行了大量的研究实验。
通过数值分析和数值模拟研究瓦斯抽采条件下的瓦斯运移分布规律和漏风规律。
张辛亥等[51]、李伟，郝迎格等[52]和朱毅，崔凯[53]等划分了抽采条件下采空区浮煤易发火区域和浮煤自然发火的防治技术。
文虎[54]、卞晓锴，包宗宏，史美仁[55]和徐精彩，李宗翔[56]等进行模拟实验得到了漏风的模拟数值并提出采空区遗煤自然发火危险区域的判定理论。
许家林、屈庆栋[57]、李宗翔[58]、褚廷湘、余明高、杨胜强[59]等则在采空区浮煤自燃和瓦斯抽采耦合关系上进行了研究，研究了煤岩裂隙发育和卸压对瓦斯抽采的影响，建立了采空区瓦斯涌出和浮煤自燃耦合的模型，确立了采空区漏风和浮煤自燃的特点，并提出了防灭火的措施。
1.3问题的提出及其意义
从上述介绍可以看出，上覆采空区易燃厚煤层在埋管抽采瓦斯及复杂漏风的情况下的防灭火工作，目前还缺乏有效的技术体系指导，急需开展这一方面的技术研究。
本论文提出开展埋管抽采瓦斯及复杂漏风条件下上覆采空区易燃厚煤层综放工作面自然发火规律及防治技术研究，并选取义煤集团杨村煤矿D13171综放面作为试验研究对象。
本文结合义煤集团杨村煤矿埋管抽采瓦斯及复杂漏风的实际情况，研究上覆采空区易燃厚煤层埋管抽采瓦斯及复杂漏风条件下采空区自然发火的规律，影响煤自燃的危险因素，通过对工作面采空区“三带”的测温和取样分析，分析工作面采空区自燃氧化规律和“三带”分布状况，埋管抽采瓦斯对煤自燃的影响效应，确定有利于工作面防灭火要求的通风参数和回采工艺参数，从而保证工作面的安全生产，缩小防火范围，减少防火投入，提高防火效益。
1.4本文研究内容
1）实验室测定煤的自燃倾向性，对煤样进行热重分析，低温氧化实验，分析煤的特征温度及随温度上升气体产生情况。
2）理论分析采空区浮煤自然发火的规律、影响因素，结合D13171综放面的实际情况分析浮煤自燃危险因素及其关联性。
3）现场实测，分析气体的变化情况，对采空区自燃“三带”范围进行划分并验证。
4）利用理论，结合综放面实际抽采情况，分析埋管抽采瓦
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