近距离煤层上层采空区自燃火灾综合治理技术应用研究

摘要

近年来近距离煤层上部采空区自然发火的现象日益严重，因此对近距离煤层上部采空区自然发火综合治理措施的研究就十分必要。近距离煤层开采中开采下部煤层时受地应力及周期性来压的影响，造成下部煤层顶板出现裂隙，受裂隙的影响造成上下采空区联通，气流涌入上部采空区。同时由于埋藏较浅，上部采空区受地应力影响后往往在地表形成较大裂隙，风流通过地表裂隙向上部采空区漏风严重。开采下煤层对上部采空区中的水进行抽放时，由于打破了采空区内水气压力平衡，造成水气置换，采空区漏风增加;同时煤经水浸泡后，煤的孔隙率变大，煤与氧接触面积增大，导致上部采空区浮煤更容易自然发火。神东矿区上部煤层埋藏浅、煤层较厚，且相邻工作面间隔离煤柱间密闭处容易压裂，使采空区连成一片，形成大采空区，一旦发生自然发火就很难确定火源位置。
　　 因此，地表漏风、上下采空区联通、水浸泡后煤的空隙率变大、水气置换等因素都为上部采空区内煤的自燃提供了良好的条件，使煤自然发火的几率大大提高。同时上部采空区煤自然发火所具有的火源的隐蔽、火区范围大、受蓄热和漏风的影响易二次氧化等特点都为上部采空区火灾的治理带来了很大的困难。因此研究近距离煤层上部采空区火灾治理综合措施对上部采空区自然发火的治理具有极其重要的意义。
　　 本文针对近距离煤层上部采空区自然发火的原因及特点结合神东集团补连塔煤矿2-2煤上部采空区发火情况，首先对近距离煤层上部采空区自然发火的煤样进行煤自燃特性综合测试实验，通过不同粒径、空气流速、加热速率、O2浓度对煤自燃在低温氧化阶段的宏观特性的关联性研究，四种影响因素对煤自燃过程产生的标志性气体影响较为明显，建立起在使用CO的前提下，结合C2H4和H2作为综合判断指标，对煤自然发火的不同阶段及其发展态势进行预测预报，并作为近距离煤层上部采空区自然发火治理效果分析的标志性气体。
　　 其次，分析了液氮的工艺及灭火特点，结合补连塔矿上部12306采空区的漏风情况通过FLUENT软件对上部采空区注氮前后的氧浓度分布进行模拟，并通过与地面钻孔的实测数据进行对比，验证了结果的准确性。模拟结果表明注氮后采空区内的氮气扩散半径为90m;对火区的惰化单孔注氮并不能取得良好的惰化火区的作用，而采用联合注氮是治理上部采空区火区最佳的选择。并且通过模拟结果对注氮参数进行了优化。
　　 最后根据近距离煤层上部采空区自然发火的特点以及煤自燃机理的研究结合补连塔矿上部采空区的实际情况，注氮参数的CFD模拟结果建立了火源探测，地面钻孔注液氮、灌浆，井下向下部采空区注氮、堵漏漏风点、局部密闭工作面，地表填埋裂隙的综合立体式灭火措施。现场实际应用表明，该措施能够实现对上部采空区自然发火的治理，并取得良好的效果。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 问题的提出

1．2 采空区防灭火技术国内外研究现状

1．3 本文的主要研究内容及目的

1．4 技术路线

第二章 补连塔矿三盘区上层采空区自然发火原因及特点

2．1 补连塔矿井及工作面基本概况

2．2 三盘区近距离煤层开采情况概述

2．2．1 三盘区基本情况

2．2．2 三盘区1ˉ2煤开采情况

2．2．3 三盘区2ˉ2煤开采情况

2．3 补连塔矿三盘区2ˉ2煤上层采空区发火原因及特点

2．3．1 三盘区2ˉ2煤上部采空区发火原因

2．3．2 三盘区2ˉ2煤上部采空区发火的特点

2．4 本章小结

第三章 煤自燃宏观现象关联性研究

3．1 指标气体与释放温度的关联研究

3．2 影响因素对气体产物释放规律的影响

3．2．1 空气流量的影响

3．2．2 粒径的影响

3．2．3 升温速率的影响

3．2．4 氧气浓度的影响

3．3 质量及热量变化与特征温度的关联研究

3．4 本章小结

第四章 液氮防灭火理论及技术研究

4．1 液氮防灭火特点

4．1．1 氮气的性质

4．1．2 灭火特点

4．2 注氮灭火工艺

4．3 注氮防灭火参数

4．3．1 火区灭火耗氮量计算

4．3．2 注氨管直径确定和注氮压力计算

4．4 12306采空区地面钻孔注氮参数优化模拟

4．4．1 模型的建立

4．4．2 模拟结果

4．4．3 模拟结果及分析

4．5 小结

第五章 补连塔矿近距离煤层上部采空区自然发火综合治理

5．1 补连塔矿2ˉ2煤上部采空区火源位置探测

5．1．1 测氡法在补连塔矿2ˉ2煤上部采空区的应用

5．2 防灭火措施及效果分析

5．2．1 钻孔布置

5．2．2 采空区注液氮

5．2．3 采空区注浆

5．2．4 堵漏措施

5．2．5 观测孔的预留

5．3 灭火效果分析

5．4 本章小结

第六章 结论与展望

6．1 主要结论

6．2 不足与展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的论文