專利名稱：采空區(qū)自然發(fā)火防治方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及煤礦安全技術(shù)領(lǐng)域，具體是一種采空區(qū)自然發(fā)火防治方法。
背景技術(shù)：
礦井火災(zāi)是煤礦的重大自然災(zāi)害之一。礦井火災(zāi)不僅能使礦井遭受巨大的物質(zhì)損失，同時(shí)它也是導(dǎo)致井下職工傷亡的重要根源。煤礦井下自然發(fā)火產(chǎn)生的有毒有害氣體和引發(fā)的火災(zāi)氣體、瓦斯爆炸等事故，嚴(yán)重威脅礦工生命安全，惡化自然環(huán)境，已經(jīng)成為制約煤礦安全生產(chǎn)的關(guān)鍵因素之一。隨著科技進(jìn)步和管理水平的提高，我國(guó)煤礦的百萬噸發(fā)火率雖然逐年下降，但我國(guó)煤礦自燃火災(zāi)仍較為嚴(yán)重。新疆現(xiàn)有煤田露頭自燃火災(zāi)42處，燃燒面積達(dá)104km2，每年燒毀煤量I億多噸。我國(guó)北方七省煤田火區(qū)共有56處，累計(jì)燃燒面積達(dá)720km2，己燒毀煤量約42億噸以上。大面積的煤田露頭自燃火災(zāi)造成資源的巨大浪費(fèi)，而且嚴(yán)重污染周圍環(huán)境，影響地面工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人民正常生活及身體健康。我國(guó)大中型煤礦中自然發(fā)火危險(xiǎn)的煤礦占大中型煤礦總數(shù)的72. 86%, I、II級(jí)自然發(fā)火危險(xiǎn)的礦井占到 礦井總數(shù)的48. 01%，而無自然發(fā)火危險(xiǎn)的煤礦僅占10. 82%。煤礦井下自燃主要發(fā)生在采空區(qū)、壓裂的煤柱等地點(diǎn)，其中以采空區(qū)最為嚴(yán)重。根據(jù)統(tǒng)計(jì)資料，采空區(qū)自然發(fā)火次數(shù)占火災(zāi)總數(shù)的60%，巷道煤柱自然發(fā)火占29%，其它地點(diǎn)自然發(fā)火占11%，所以防治采空區(qū)自然發(fā)火對(duì)防治煤礦自燃事故具有非常重要的意義。引起自然發(fā)火的主要原因除煤本身的自然發(fā)火傾向外，還經(jīng)常與以下因素有關(guān)
(I)供風(fēng)量大引起采空區(qū)漏風(fēng)量大，進(jìn)而采空區(qū)內(nèi)部供氧充分，是導(dǎo)致采空區(qū)自然發(fā)火.(2)在開采初期，工作面的推進(jìn)速度慢是引發(fā)自然發(fā)火的另一個(gè)主要原因，慢的推進(jìn)速度使采空區(qū)全部處于氧化升溫帶中，持續(xù)升溫，最終導(dǎo)致自然發(fā)火。(3)在開采初期，采空區(qū)水平尺寸小，受四周煤壁的支撐，冒落矸石受壓較小、呈松散堆積狀態(tài)、孔隙率大、滲透系數(shù)大、漏風(fēng)通道順暢，采空區(qū)漏風(fēng)量大，供氧充足，使采空區(qū)遺煤不斷氧化升溫。(4)開采初期，在初次來壓前基本不進(jìn)行放頂煤，頂煤回收率低、遺煤量大，加之開采初期沒有相應(yīng)的注氮、注漿等防滅火設(shè)施，大量的遺煤處于松散堆積也是導(dǎo)致自然發(fā)火的重要原因.
目前多采用灌漿和噴灑阻化劑進(jìn)行防滅火，其缺點(diǎn)是可操作性不強(qiáng)，防滅火效果有限。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的提供一種防滅火效果好的采空區(qū)自然發(fā)火防治方法。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是
一種采空區(qū)自然發(fā)火防治方法，包括
(1)注氮，注氮點(diǎn)離工作面30-60米，液氮量為2000m3/h；
(2)減少采空區(qū)漏風(fēng)量，減少工作面壓差，將工作面壓差控制在120Pa以內(nèi)，并在采空區(qū)進(jìn)、回風(fēng)側(cè)由于頂板形成懸臂梁而不能冒落嚴(yán)實(shí)的區(qū)域進(jìn)行堵漏，及時(shí)密閉采空區(qū)的橫川；
(3)加快工作面推進(jìn)速度，工作面進(jìn)度為4m/d;(4)提高回采率，將遺煤厚度控制在I. 3米以下。自然發(fā)火防治的前提是找到最高溫度點(diǎn)，采空區(qū)最高溫度點(diǎn)多數(shù)都位于進(jìn)風(fēng)側(cè)，而非回風(fēng)側(cè)。理論分析表明，采空區(qū)溫度由多種因素制約。但首要的是此處產(chǎn)生的熱量，它與氧濃度和溫度均呈正相關(guān)性，因此發(fā)火點(diǎn)必然經(jīng)歷了高濃度氧氣的漏風(fēng)過程；采空區(qū)中漏風(fēng)由于氧化而不斷消耗氧氣，其濃度沿風(fēng)流流動(dòng)路線，逐步降低，在回風(fēng)側(cè)的采空區(qū)中漏風(fēng)氧濃度遠(yuǎn)低于進(jìn)風(fēng)側(cè)，因此高溫點(diǎn)是位于進(jìn)風(fēng)側(cè)。由于回風(fēng)隅角是采空區(qū)的漏風(fēng)匯，而自燃產(chǎn)生的有害氣體和煙霧都從此處流出采空區(qū)，往往會(huì)誤認(rèn)為高溫點(diǎn)靠近回風(fēng)隅角。氮?dú)馐强諝庵械闹饕煞?，它具有無毒、無臭、易于與空氣相混合等優(yōu)良特性。氮?dú)鉁缁饡r(shí)，可以向空間任何位置進(jìn)行擴(kuò)散，從而將氧氣排擠出去，使火區(qū)中因氧含量大大降低而將火源熄滅，或者使采空區(qū)中因氧含量不足而使遺煤不能氧化自燃；注入氮?dú)膺€能使存在瓦斯和一些其它可燃?xì)怏w的區(qū)域失去爆炸的危險(xiǎn)性；液態(tài)氮還可以吸收大量的熱量， 降低火區(qū)溫度；氮?dú)鉁缁鸩粫?huì)造成機(jī)械設(shè)備和井巷設(shè)施的污染或損壞，滅火后可較快恢復(fù)生產(chǎn)。對(duì)于封閉的采空區(qū)，為了更好的發(fā)揮注氮防滅火技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，在注氮時(shí)應(yīng)均壓注氮并配合使用其它堵漏風(fēng)措施，減少氮?dú)怆S漏風(fēng)的流失量，從而起到防滅火的作用。對(duì)于生產(chǎn)工作面后部敞開式的采空區(qū)，由于工作面的通風(fēng)需要，風(fēng)流壓差不可避免，而且由工作面的風(fēng)阻及風(fēng)量所決定，采空區(qū)漏風(fēng)是不可避免的。正是由于工作面后部的采空區(qū)存在漏風(fēng)，才使得采空區(qū)有自然發(fā)火危險(xiǎn)。注入采空區(qū)的氮?dú)?，使得采空區(qū)內(nèi)的氧氣濃度降低，但氮?dú)鈺?huì)不斷流出工作面。因此，綜放工作面注氮防滅火需要不斷地向采空區(qū)注氮，才能使采空區(qū)內(nèi)一定范圍內(nèi)的氧氣濃度降低，一旦注氮停止，氧氣濃度將會(huì)升高。換句話說，注氮防滅火不可能將氮?dú)夥忾]在采空區(qū)中，而是在采空區(qū)漏風(fēng)無法制止的條件下，使漏入采空區(qū)的空氣中氧氣濃度降低。對(duì)于正?；夭傻牟擅汗ぷ髅?，采空區(qū)內(nèi)客觀存在著“三帶”(即冷卻帶、氧化帶、窒息帶)，“三帶”的寬度不僅與工作面上下端的風(fēng)壓差和漏風(fēng)量成正比，而且與工作面的長(zhǎng)度及采空區(qū)冒落程度有關(guān)系。采空區(qū)漏風(fēng)與工作面通風(fēng)形成并聯(lián)通風(fēng)系統(tǒng)，工作面風(fēng)量的大小直接影響著采空區(qū)內(nèi)“三帶”的寬度。由于只有處于氧化帶內(nèi)的煤體才有可能出現(xiàn)自然發(fā)火，
工作面風(fēng)量越大，氧化帶寬度越寬，氧化帶內(nèi)煤體氧化條件越好、時(shí)間越充分、產(chǎn)生熱量越多，就越有可能出現(xiàn)自然發(fā)火。因此，對(duì)于開采容易自燃的工作面，要在保證工作面瓦斯、溫度等符合《煤礦安全規(guī)程》的前提下，盡可能采取低風(fēng)量安全通風(fēng)，以減小氧化帶寬度，防止采空區(qū)發(fā)火。在其它條件相同時(shí)，工作面推進(jìn)速度直接影響采空區(qū)高溫點(diǎn)的位置和溫度值，隨著工作推進(jìn)速度的加快，采空區(qū)最高溫度降低，這是因?yàn)橥七M(jìn)速度加快，使得遺煤在氧化升溫帶的時(shí)間縮短，采空區(qū)遺煤還沒有充分氧化就進(jìn)入了窒息區(qū)，氧氣濃度下降，氧化強(qiáng)度逐漸減弱直至停止。在移動(dòng)坐標(biāo)下，采空區(qū)的冒落矸石向后移動(dòng)的速度等于工作面的推進(jìn)速度。工作面的推進(jìn)速度越大，則采空區(qū)的冒落矸石向后移動(dòng)的速度也越大，越易將氧化放熱帶走，使采空區(qū)的溫度不易上升。采空區(qū)遺煤為自燃提供燃料，采空區(qū)遺煤量越大給自然發(fā)火帶來的潛在危險(xiǎn)越大，所以研究采空區(qū)的遺煤厚度對(duì)采空區(qū)內(nèi)部多物理場(chǎng)時(shí)空分布規(guī)律是非常重要和必要的。本發(fā)明提出了以“注氮為主，堵漏限風(fēng)、加快推進(jìn)速度和提高回采率為輔”的綜放工作面采空區(qū)綜合防滅火措施，并給出了措施實(shí)施參數(shù)，該方法可提高采空區(qū)的防滅火效果，保證首采工作面的順利開采。研究成果在同煤集團(tuán)乃至全國(guó)具有自然發(fā)火危險(xiǎn)礦井中都具有廣闊的推廣應(yīng)用前景，在實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排，保證礦工生命和國(guó)家財(cái)產(chǎn)安全方面具有積極效果。


圖I為注氮點(diǎn)位置與采空區(qū)最高溫度的關(guān)系。圖2為采空區(qū)注氮管路布置示意圖。圖3為粉煤灰墻封堵漏風(fēng)的平面示意圖。圖4為粉煤灰墻封堵漏風(fēng)的剖面示意圖。 圖5為工作面推進(jìn)速度與采空區(qū)最高溫度之間關(guān)系。圖中，I-液氮總管，2-流量表，3-閥門，4-第一注氮支管，5-第二注氮支管，6_煤壁，7-粉煤灰墻，8-采空區(qū)。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明所述的一種采空區(qū)自然發(fā)火防治方法，包括
(1)注氮，注氮點(diǎn)離工作面30-60米，液氮量為2000m3/h；
(2)減少采空區(qū)漏風(fēng)量，減少工作面壓差，將工作面壓差控制在120Pa以內(nèi)，并在采空區(qū)進(jìn)、回風(fēng)側(cè)由于頂板形成懸臂梁而不能冒落嚴(yán)實(shí)的區(qū)域進(jìn)行堵漏，及時(shí)密閉采空區(qū)的橫川；
(3)加快工作面推進(jìn)速度，工作面進(jìn)度為4m/d;
(4)提高回采率，將遺煤厚度控制在I.3米以下。以同煤集團(tuán)同忻礦8101工作面為例，對(duì)本發(fā)明要求的保護(hù)的技術(shù)方案做具體說明。I.采空區(qū)注氮防滅火
I.I注氮防滅火的作用
在對(duì)一個(gè)綜放工作面做注氮防滅火方案設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)依次確定注氮條件、注氮口位置、注氮量等參數(shù)。從理論上來說，向火區(qū)或者氧化自燃區(qū)域注入氮?dú)舛杌?，可抑制浮煤氧化放熱。但從?jīng)濟(jì)上考慮，只有滿足一定條件時(shí)，才能開始注氮。隨著工作面的不斷向前推進(jìn)，采空區(qū)也不斷向后做相對(duì)移動(dòng)，使得升溫氧化帶進(jìn)入窒息區(qū)，隨著氧濃度的下降溫度不再升高。根據(jù)能量守恒原理得采空區(qū)浮煤氧化產(chǎn)生的熱量弘等于采空區(qū)巖石向后移動(dòng)帶出的熱量0和采空區(qū)漏風(fēng)帶出的熱量Q2以及向周圍煤巖傳熱量込之和。即
Qi + Q2 + Qi = Qn(7-1)
設(shè)某礦工作面長(zhǎng)度為I米，工作面推進(jìn)速度tv采空區(qū)總漏風(fēng)量為M’空氣比熱為Ctl,進(jìn)風(fēng)溫度為tx,回風(fēng)溫度為 2，采空區(qū)垮落高度為A，巖石密度為P，比熱為c臨界自燃溫度為 。，原始巖溫為G，采空區(qū)溫度不均衡系數(shù)I則氧化帶的高溫巖石甩進(jìn)窒息帶，這個(gè)過程帶走的熱量為
Q1 = k-vn-Pi-l-p-c-(te-Q(7-2)
由于采空區(qū)漏風(fēng)帶走的熱量為
Q2 = M-Cn-(L2-I1)(7-3)
采空區(qū)向周圍煤巖傳熱量相比其它幾個(gè)熱量較小，可以忽略即Q3 ^ O。采空區(qū)漏風(fēng)的氧氣和煤氧化產(chǎn)生的熱量為
Q3 = . IiI — Cm) ■ q(7_4 )
其中——漏風(fēng)的氮?dú)鉂舛?，一般?9%;
Q——氧氣和煤氧化的單位放熱量，全生成CO為221180，全生成CO2為393510，J/mol; 將式(7~2 )> (7~3)和(7~4)代入式(7-1)得
權(quán)利要求
1.一種采空區(qū)自然發(fā)火防治方法，其特征在于包括 注氮，注氮點(diǎn)離工作面30-60米，液氮量為2000m3/h ； 減少采空區(qū)漏風(fēng)量，減少工作面壓差，將工作面壓差控制在120Pa以內(nèi)，并在采空區(qū)進(jìn)、回風(fēng)側(cè)由于頂板形成懸臂梁而不能冒落嚴(yán)實(shí)的區(qū)域進(jìn)行堵漏，及時(shí)密閉采空區(qū)的橫川； 加快工作面推進(jìn)速度，工作面進(jìn)度為4m/d; 提高回采率，將遺煤厚度控制在I. 3米以下。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于所述的液氮是將注氮主管(I)布置在進(jìn)風(fēng)順槽中，在進(jìn)風(fēng)巷道一側(cè)，將第一注氮支管(4 )和第二注氮支管(5 )沿進(jìn)風(fēng)順槽預(yù)先埋入采空區(qū)并采用雙管路進(jìn)行鋪設(shè)，兩個(gè)注氮支管前端各連接長(zhǎng)約I. Om的花管，花管用巖石掩埋。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于堵漏時(shí)，在進(jìn)、回風(fēng)側(cè)沿工作面推進(jìn)方向上錯(cuò)位布設(shè)粉煤灰墻(6)，具體是先在進(jìn)風(fēng)側(cè)距離工作面煤壁(8) 3-5米的采空區(qū)(6)布設(shè)粉煤灰墻(7)，其后每隔一天布設(shè)一道粉煤灰墻(7)，距離為8-12m，回風(fēng)側(cè)和進(jìn)風(fēng)側(cè)每?jī)商旖惶娓鞑荚O(shè)一堵粉煤灰墻(7 )。
全文摘要
本發(fā)明公開涉及煤礦安全技術(shù)，公開了一種防滅火效果好的采空區(qū)自然發(fā)火防治方法，包括注氮，注氮點(diǎn)離工作面30-60米，液氮量為2000m3/h；減少采空區(qū)漏風(fēng)量，減少工作面壓差，將工作面壓差控制在120Pa以內(nèi)，并在采空區(qū)進(jìn)、回風(fēng)側(cè)由于頂板形成懸臂梁而不能冒落嚴(yán)實(shí)的區(qū)域進(jìn)行堵漏，及時(shí)密閉采空區(qū)的橫川；加快工作面推進(jìn)速度，工作面進(jìn)度為4m/d；提高回采率，將遺煤厚度控制在1.3米以下。本發(fā)明提出了以“注氮為主，堵漏限風(fēng)、加快推進(jìn)速度和提高回采率為輔”的綜放工作面采空區(qū)綜合防滅火措施，并給出了措施實(shí)施參數(shù)，該方法可提高采空區(qū)的防滅火效果，保證首采工作面的順利開采。
文檔編號(hào)E21F5/00GK102828767SQ20121025066
公開日2012年12月19日 申請(qǐng)日期2012年7月19日 優(yōu)先權(quán)日2012年7月19日
發(fā)明者王立兵, 王愛國(guó), 趙君, 郭萬忠 申請(qǐng)人:大同煤礦集團(tuán)有限責(zé)任公司