承压水上自燃厚煤层开采技术研究

摘 要:针对东井9＃煤底部有本溪灰岩和奥陶系灰岩两层灰岩的特殊赋存状态以及煤层自燃发火期短的特点,采取提前全面改造本溪灰岩为隔水层的防治水研究和巷道喷涂粘土水泥浆、工作面预埋注浆管路的防灭火研究以达到安全回采。

关键词:承压水自燃防治水防灭火

中图分类号:TD823文献标识码:A文章编号:1674-098X(2011)07(a)-0054-02

1 概况

葛泉矿东井是新开拓的下组煤试采区,位于葛泉井田东部西油村、大油村一带,距葛泉矿井约2.5km,走向长约2.2km,倾斜宽约1.9km,面积3.8km2,可采储量832万吨,生产能力30万吨／年,服务年限18.49年。矿井采用立井单水平上山开拓,分东西两翼,西翼采区工作面采用倾向布置,东翼工作面采用走向布置,工作面面长75m左右,两工作面之间留4m小煤柱,工作面巷道均沿底托顶煤掘进。

本区北以F12、F6,南以F13断层与葛泉井田主采区为界,北部、东北部均以9#煤露头线为界,相对葛泉井田构成独立抬升的构造块段。本区9#煤赋存较浅,煤层厚度大(6m左右),9#煤层至奥灰顶面的隔水层厚达38～55m,一般在40m以上。目前,本区奥陶系灰岩水水位标高在+40m左右,试采区-150水平以上,绝大部分范围突水系数都小于0.06MPa/m,属相对安全区。煤层含硫高,普遍发育一至两层黄铁矿结核,煤层自燃发火期为67天,属于二类自燃煤层。

2 防治水技术研究

2.1 水文地质情况

经论证,在对煤层底板隔水层及本溪灰岩含水层进行注浆加固改造并采取带压开采配套防治水措施以后,-150水平以上具备带压开采9#煤的水文地质条件。但是在巷道开拓掘进过程中发现,9#煤层底板下伏本溪灰岩含水层厚度大,岩溶裂隙发育,局部构造发育巷段甚至掘进过程中就发生底板水涌出。经测量发现,本溪灰岩含水层的水位标高与奥陶系灰岩强含水层基本一致;且本灰打钻出水期间,奥灰观测孔水位有明显下降;水质化验结果显示,本灰水与奥灰水的水化学特征十分相似,均为HCO3-Ca-Mg型水。因此判断本灰与奥灰之间存在密切的水力联系,已经连通为一个含水体。对9#煤开采构成严重威胁。面对严峻的防治水形势,经河北金牛能源股份有限公司决定,委托煤炭科学研究总院西安研究院与葛泉矿会同公司科技部联合公关,对下组煤开采防治水技术进行研究。

针对葛泉矿下组煤试采区薄隔水层、大导高、本灰与奥灰双层高承压岩溶裂隙含水层复合为一个含水体的复杂水文地质条件,煤炭科学研究总院西安研究院在分析矿井地质和水文地质条件的基础上,提出了“精细探查,先探后掘;注浆改造,先治后采;全程监控,全面设防”的带压开采防治水技术路线。

2.2 防治水技术措施

a.在巷道掘进前,实施了地面高分辨率三维地震勘探与瞬变电磁勘探;在巷道掘进阶段钻探与物探相结合,先组织实施长距离底板注浆加固改造本溪灰岩含水层,超前钻结束后进行直流电法超前探测,对低阻异常区在巷道底板打钻验证,对钻探验证的前方富水区段进行超前预注浆,巷道掘进时保持20m的钻探、物探超前距;对已经掘成的巷道底板破碎区段,组织实施直流电法侧向探测和电测深,对低阻异常区在巷道底板打钻验证,对钻探验证的巷道底部和两帮富水区段进行底板注浆加固,从而避免了滞后突水事故的发生。

b.在工作面巷道形成以后,安排了坑透探测,对工作面内部构造发育情况进行勘探。工作面回采前,利用地面注浆站及井上下结合的自动化注浆系统对工作面底板进行钻探注浆。工作面底板全面注浆改造工程分三个阶段进行施工,经过两轮钻探注浆后,此后,组织实施井下瞬变电磁、音频电透视等物探工作,对注浆改造效果进行探查。第三阶段钻探发现,钻孔涌水量有了大幅度减小,本灰含水层富水性很弱,原有的导升裂隙已经基本得到了封堵。从减小工作面采后涌水量的角度出发,分析物探与钻探成果对局部注浆效果差的区段进行了补充注浆。经过专家论证后,认为具备安全回采条件,首采工作面(1192工作面)于2006年9月正式投产。

c.在工作面回采过程中,按照设计要求,组织实施了煤层底板突水监测与围岩应力、应变探测;在工作面回采至停采线附近时,组织实施了注水试验观测。在整个工作面回采过程中,还对工作面采后涌水量进行了观测。

采用上述防治水技术方法,实现了1192工作面的安全回采,采出原煤24万吨,目前工作面采后涌水量在26m3/h左右。采用同样的防治水技术手段,已经安全回采1190、1194、1191、1193四个工作面。

上述应用效果证明,1192工作面带压开采防治水技术路线的手段是科学合理的,适合本区开采条件,既科学合理又突出重点,在取得显著的经济效益的同时,获得了以下技术参数:

(1)查明本灰水原始导高为5～5m,最大达18m,其导高带普遍发育;

(2)注浆加固与改造的目的层为煤层底板下10m至本溪灰岩底板下2m的含导水构造;

(3)探索了适合本区的注浆结束标准:结束压力:6～8MPa;结束吸浆量,一般35L/min以下。

(4)本区9#煤底板适合浆液水灰比在4:1以上的稀浆灌注。

(5)制定了本区注浆改造效果量化评价指标:

注浆孔密度达到450m2/孔,钻孔平均间距小于15m;

检查孔个数占注浆孔个数的30%以上;

检查孔单孔涌水量小于20m3/h;

80%的区段初见本灰水深度大于15m,初见本灰水量小于3m3/h。

(6)由注水试验和突水监测结果,确定1192工作面底板最大破坏深度为12.5m,主要位于煤层底板本溪灰岩上部粉砂岩中。

上述防治水技术方法和所取得的技术参数,对本区今后9#煤开采具有重要的指导作用,并对公司所属其它矿井在相似条件下开采9#煤具有参考作用。

3 防灭火技术研究

3.1 自然发火情况

(1)1192工作面是葛泉矿东井9#煤第一个工作面,2006年6月25日切眼贯通,9月开始试采,10月12日中班工作面回风隅角发现CO,到2007年5月1日工作面停采搬家时出现高温异常点,表层温度36℃,回风流中在检测到一氧化碳的同时也检测到乙烯,表明采空区浮煤进入快速氧化阶段。

(2)1190工作面是葛泉矿东井第二个工作面,08年3月10日工作面停采扩帮,3月22号夜班支架后部出现了明火,回风流中CO浓度达到200ppm并呈逐渐升高趋势。

3.2 自然发火原因分析

(1)九号煤层属二类自燃煤层,有自燃发火倾向性,化验发火期仅为67天,煤层易氧化,发火期较短。

(2)煤层及其夹矸中普遍含有硫铁矿结核、高硫夹矸;硫化物的存在和快速氧化放出的热量,对煤的氧化自燃起到了加速剂作用。

(3)东井开采方式为综采放顶煤,采空区遗煤多且较破碎,采空区垮落高度和空间体积大,空气能够在采空区浮煤中流动、扩散,增加了煤的氧化面积,使得采空区自然发火危险程度相对增加。

3.3 防灭火的综合治理措施

自2006年6月矿井投产以来,在各级领导的大力帮助下,在科研院校的协助下,共同探索研究9#煤层放顶煤防灭火问题,通过几年实践我们主要采取了以下措施:

(1)建立可靠稳定的通风系统,合理配风,控制向采空区漏风。通过计算把工作面风量控制在350m3/min左右。在工作面进回风隅角挂风障,保持工作面有效通风断面,以减少工作面两端压差减少向采空区漏风。

(2)在工作面开采之初,就在工作面后溜子后部采空区内预埋了注浆管路;随工作面每推进30米就敷设一趟预埋注浆管路。

(3)工作面因遇地质构造或减产造成推进速度减缓、工作面扩帮搬家时,开始对工作面采空区连续反复注三相泡沫,直到上下隅角、工作面出现三相泡沫为止;并且工作面停采后在综采支架间沿工作面倾斜方向向综放支架的架缝之间打钻孔、下钻杆(钻杆上打花眼)深度3～5m,然后利用地面注浆站通过钻孔向采空区注入大量三相泡沫(附图),使三相泡沫在采空区内扩散、渗透,向高处堆积,降低高温浮煤的温度。

1192、1190工作面出现高温点及明火时均采用以上措施进行灭火,使火灾事故得到了有效控制,并迅速扑灭了火灾。2008年结束的1194面由于采用以上防范措施,没有出现高温异常点,实现了顺利回采和封闭。

(4)工作面停采前,提前做好巷道封闭准备工作并改变撤架期间通风方式:此时利用局部通风机向撤架处供风,大大减少了支架后方采空区的漏风量及漏风带的宽度,减少采空区松散浮煤氧化带宽度,对防灭火工作有利。

(5)密闭加固与封堵裂隙:对采空区进回风巷间压差大的密闭墙和受采动影响遭破坏的密闭采用克瑞森注浆材料进行加固,加固堵漏技术的应用减少密闭墙漏风量,防漏风效果非常明显。

由于巷道煤体及密闭墙体两侧煤邦压碎严重,存在大量裂缝和裂隙,采用克瑞森注浆材料对巷道煤体及密闭墙体两侧煤邦裂缝和裂隙进行封堵,有效的封堵漏风通道。

(6)对布置在煤层中巷道预防火灾主要应用以下常规技术:

巷道喷浆:对布置在煤层中主要运输巷、沿空掘进巷道的煤柱帮进行喷浆封闭,既可以封堵煤壁的漏风通道,防止煤壁自燃发火,又可以对巷道与空气进行隔绝,防止进一步风化造成煤壁片帮影响巷道支护强度。并且,我们经过反复试验,自行研制了具有自主知识产权的复合凝土的喷涂材料(复合凝土材料、喷浆方法已申请国家专利),既降低了喷涂巷道的成本降低了劳动强度又起到了封闭巷道的作用,隔风效果非常理想。到目前共喷涂煤巷4900多米。

冲洗巷道:增加冲洗巷道的频率,对煤柱进行降温,改变煤体透气性,防止煤柱自然发火。

(7)防火预测预报措施:除安排专职瓦斯员按时、准确地对工作面各地点有害气体和温度进行监测外,积极推广应用新技术:我矿于2007年9月份安装了一套束管监测系统。该系统的使用实现井下关键地点的煤层自燃发火参数和矿井大气环境参数的连续监测,把井下的煤层自燃发火参数直接传输到地面监控室的计算机中,并根据需要随时或定时将参数信息以表格形式打印出来,便于矿井管理人员随时掌握井下情况,为预测控制井下自燃发火发展情况、确保矿井安全生产奠定了基础。

(8)积极与科研院校合作,研究工作面采空区内煤体升温规律、有害气体涌出变化情况和采空区“三带”的运移规律,为防灭火提供基础条件。我们与中国矿业大学合作,通过分析现场数据、整理,合理确定了采空区“三带”,并制定出了防范措施。2007年10月,针对1190工作面回采过程中有计划长时间停产,工作面停止推进;运用初步掌握的煤氧化及温度升高的规律进行了有针对性的预防,由于采取的防范措施得力,采空区和上下隅角没有高温点出现,发火标志气体浓度没有增加。

对东井各煤层含硫量进行普查;由于煤层黄铁矿结核及煤夹矸中含硫较高,为防止硫化物快速氧化速度快而引起火灾,开展对东井各煤层含硫量进行普查,掌握含硫结核在煤层中横向、纵向地分布规律,并分层绘制出含硫分布图,充分掌握硫化物的分布规律和氧化规律。在此基础上,有针对性地制定了防火预案,对防灭火注浆及防灭火的备用材料提出要求,制定了一整套灭火方案和行之有效的灭火方法。

4 经验与教训

(1)通过对煤层底板本溪灰岩全面改造注浆加固,已安全回采5个工作面,采取的“精细探查,先探后掘;注浆改造,先治后采;全程监控,全面设防”的带压开采防治水技术路线是安全、合理、经济可行的。

(2)加强管理和预测预报工作,提高防灭火人员技术素质与责任心,回采过程中尽可能提高回采率,减少采空区遗煤;控制采空区漏风;预先埋好的注浆管路为消灭采空区高温火点提供了有力条件,做到了有备无患。

(3)喷洒阻化剂对阻止采空区浮煤氧化效果不理想,三相泡沫是较为理想的注浆材料。通过钻孔和采空区预埋管路向采空区注入大量三相泡沫,使三相泡沫在采空区内扩散、渗透,向高处堆积,覆盖采空区浮煤,降低高温浮煤的温度,阻止了浮煤自燃。

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