CN104963715A - 高瓦斯易自燃综放采空区耦合灾害的动态隔离防治方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高瓦斯易自燃综放采空区耦合灾害的动态隔离防治方法，其首先根据工作面煤层厚度及采放比计算采空区的遗煤厚度和混合带高度，以计算得到的遗煤高度和混合带高度之和来确定隔离结构的高度；其次在工作面顶板周期来压后，在采空区内沿工作面倾向方向上间隔选择多个采空区压注点，并在液压支架位置编号；从工作面进风顺槽侧到回风顺槽侧进行压注，待压注一遍后，重新设计压注点位置，重复进行压注工作，多排隔离结构配合，达到采空区封闭隔离的作用。本发明能够随着液压支架的前移，随采随注，不耽误工作面的正常生产，该方法节省了采空区压注材料，同时改变了采空区漏风流场和瓦斯涌出特性，为工作面的安全生产提供了保证。

Description

高瓦斯易自燃综放采空区耦合灾害的动态隔离防治方法

技术领域

本发明属于矿井瓦斯爆炸与火灾防治技术领域，具体涉及一种采用动态隔离结构治理高瓦斯易自燃综放采空区耦合灾害的方法。

背景技术

煤炭自燃与瓦斯耦合防治是未来深部矿井开采面临的主要难题之一。在我国国有重点煤矿中，存在煤炭自燃的矿井占到总数的1/3以上，煤炭自燃而引起的火灾占矿井火灾总数的90％以上。近年来，随着矿井开采技术的改革和采煤设备的升级，一部分煤矿为了提高生产效率，增加了工作面的宽度，此外，大采高综放设备的投入也使得开采强度急剧增加。遗煤自燃与瓦斯爆炸灾害具有动态耦合特性，开采强度的增加造成了遗煤自燃，从而导致瓦斯爆炸的可能性显著增加，耦合灾害危险区域愈发明显，为矿井的安全生产提出了更为严格的挑战，严重制约了矿井高产高效目标的实现。

目前，对耦合灾害(遗煤自燃与瓦斯隐患共存)矿井的预防和治理普遍都只是采取一些单一的技术手段，即单一的进行瓦斯抽放或者是防止遗煤自燃。但是，目前由于受到矿井实际条件和技术手段的限制，对于高瓦斯矿井，特别是低透气性煤层，很难做到将煤层瓦斯抽放完全，并保证其瓦斯浓度不在爆炸范围内；同时，各种探测仪器和技术也较难以准确、快速的确定采空区隐患火源位置和范围，治理效果在较短时间内难以奏效。从采空区漏风风流控制方面进行耦合灾害的防治是一种简单、有效的防治措施，改变漏风可以源头上改变采空区自燃“三带”分布范围，同时改变瓦斯分布规律，达到耦合防治的效果，但现阶段国内外学者提出的隔离方案重在灾害防治，还没有明确提出一种简单、有效、可行、经济的采空区隔离预防方法，同时，目前采空区隔离封堵材料，其高膨胀、高粘附性、高发泡性还不够理想，成本也相对较高，限制了该类隔离防治方法的现场应用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可靠、安全、便捷的高瓦斯易自燃综放采空区耦合灾害的防治系统及方法，该系统利用非连续压注工艺，实现对综放采空区的动态隔离，在保证隔离效果的同时，减少压注工艺材料消耗，达到耦合灾害防治目的。

其技术解决方案包括：

一种高瓦斯易自燃综放采空区耦合灾害的动态隔离防治方法，依次包括以下步骤：

a、隔离结构的高度设计，首先根据工作面的开采煤层厚度与采放比计算采空区的遗煤厚度和混合带高度，以计算得到的遗煤高度和混合带高度之和来确定隔离结构的高度，所述隔离结构的高度为压注终孔高度距离采空区底板的距离；

b、压注隔离参数设计，根据工作面的支架数量及工作面宽度，结合工作面推进速度和周期来压步距，并结合数值模拟结果，在采空区内沿工作面倾向方向上间隔选择多个采空区压注点，分别设计隔离结构的排数、支架间压注点位置、隔离结构宽度、左右间距、前后间距，并在液压支架上标记、编号；

c、准备动态隔离系统和外围搅拌基站，动态隔离系统包括轻型高分子充填材料、便携式注浆泵、钻杆和高压胶管，将所述外围搅拌基站布置在工作面的进风顺槽侧，将所述轻型高分子充填材料加入所述外围搅拌基站中并搅拌均匀；将所述便携式注浆泵和所述钻杆通过所述高压胶管连接；

d、压注隔离，当工作面顶板周期来压后，从工作面进风顺槽侧开始，将便携式注浆泵放置在相邻的液压支架之间，混合均匀的轻型高分子充填材料依次经便携式注浆泵、高压胶管和钻杆进入采空区，随着压注工作的进行，移动动态隔离系统，并在选择的每个压注点位置按设计参数进行压注；

e、从工作面进风顺槽侧到回风顺槽侧压注一遍后，重复进行压注工作，在整个周期来压期间，压注几排隔离结构，其中相邻的隔离结构顶部叠加在一起，压注至工作面周期来压前结束。

作为本发明的一个优选方案，步骤c中，所述轻型高分子充填材料是由干料、发泡剂、促凝剂和水组成，其中，所述干料为膨润土、硅酸盐水泥和石灰纤维组成；发泡剂为0.6～1.2％的聚丙乙烯酰胺和动物胶类表面活性剂组成；促凝剂为高效减水剂和促凝剂混合而成。

作为本发明的另一个优选方案，步骤c中，所述钻杆其头部为锥形，所述钻杆头部上设置有呈环形排列的钻孔。

进一步的，步骤e中，所述隔离结构是由所述钻杆压注出的轻型高分子充填材料自上而下下落膨胀过程中与采空区冒落矸石黏结形成的。

本发明所带来的有益技术效果:

本发明提出了一种高瓦斯易自燃综放采空区耦合灾害的动态隔离防治方法，基于综放采空区空间煤自燃及瓦斯、漏风流场分布特性，采用移动式注浆泵配合优选的轻型高分子充填材料，在工作面周期来压期间设计压注点，随采煤作业进行在支架间隙压注轻型高分子充填材料，所设计的轻型高分子充填材料能够在自上而下的流动过程中，迅速膨胀粘附冒落矸石形成间距一定距离的非连续隔离墙体，前后几排隔离墙体相互作用，改变后方采空区风流场流动规律，同时改变了采空区氧气浓度场和瓦斯涌出特性，实现了采空区遗煤自燃与瓦斯耦合灾害的防治，为工作面的安全生产提供了保证。

本发明系统简单，施工简便易行，通过液压支架之间的间隙人工压注，增加了采空区隔离的灵活性和有效性，同时节省了采空区压注材料，成本较低。

附图说明

下面结合附图对本发明做进一步清楚、完整的说明：

图1为本发明压注系统工作状态示意图；

图2为本发明隔离结构状态图；

图3为本发明实施例1压注系统状态示意图；

图4为本发明钻杆结构示意图；

图5为本发明隔离结构在工作面布置的剖面图。

图中，1、松散煤岩体，2、便携式注浆泵，3、工作面进风顺槽侧，4、工作面回风顺槽侧，5、液压支架，6、采空区，7、钻杆，71、头部，72、钻孔，8、混合带，9、浮煤带，L₀为工作面周期来压步距。

具体实施方式

本发明提出了一种高瓦斯易自燃综放采空区耦合灾害的动态隔离防治方法，为了使本发明的优点、技术方案更加清楚、明确，下面结合具体实施例对本发明做进一步清楚、完整的说明。

如图1、图2所示，本发明动态隔离系统和外围搅拌基站，动态隔离系统包括轻型高分子充填系统和压注系统，压注系统中有便携式注浆泵2和与其连接的高压胶管，实际注浆时，将钻杆伸入松散煤岩体1内进行注浆，一般情况下可由钻杆直插入压注指定位置，如果液压支架后方顶板冒落不实，钻杆不能人工插入指定位置，可利用手持式风钻将钻杆施工至终点位置；该便携式注浆泵2体积小，便于移动，整个动态隔离系统能够随压注工作的需要移动至压注点位置。

轻型高分子充填材料是由干料、发泡剂、促凝剂和水组成，其中，干料为膨润土、硅酸盐水泥和石灰纤维组成；发泡剂为0.6～1.2％的聚丙乙烯酰胺和动物胶类表面活性剂组成；促凝剂为高效减水剂和促凝剂组成，轻型高分子充填材料首先在高压风流的作用下，混合均匀进入便携式注浆泵2，经便携式注浆泵2的高压胶管、钻杆上的钻孔后进行压注。

作为本发明的一个优选方案，如图4所示，钻杆其头部为锥形，方便将钻杆捅入液压支架后方松散煤岩体1中，钻杆头部上的钻孔呈环形设置，近似花管形，轻型高分子充填材料能够在头部锥形处汇集，并经花管钻孔进入采空区，达到定点压注的目的；钻孔布置在尖锥位置处，一方面防止钻杆在插入过程中煤体碎屑堵住花管钻孔，另一方面压注时，材料在尖锥位置处压力发生集中，增加了压注压力，增加了压注效果，本发明钻杆长度优选为2m，钻孔布置5排，每个钻孔直径为15mm。

下面以某煤矿为例做详细说明。

实施例1：

某矿井为高瓦斯易自燃矿井，开采深度大，达到-950m，地温梯度高，达到42℃，工作面宽度100m，共有液压支架69个，断层超过9m的大断层超过6条，工作面处于瓦斯异常区域内。工作面正常开采期间，回风隅角处CH4浓度超过2％，同时由于工作面处于内大断层数量较多，遇断层时顶板较为破碎，造成工作面整体开采速度较慢，工作面隅角CO浓度超过30ppm，采空区自然发火与瓦斯灾害危险性都较高，具备发生耦合灾害的条件。

上述高瓦斯易自燃综放采空区耦合灾害的防治方法，具体包括以下步骤：

步骤1、隔离结构高度设计

工作面宽度100m，开采煤层厚度2.5～7.3m，平均6.3m，工作面采高3.0m，采放比为1:1.1，经计算，工作面中部浮煤高度为1.1m，混合带高度为0.6m，因此设计压注孔距离底板高度为1.7m；

步骤2、压注隔离参数设计及现场实施

结合工作面现场实际，利用FULENT数值模拟软件，确定隔离结构的参数，包括隔离结构的排数、支架间压注点位置、隔离结构宽度、前后间距、左右间距。模拟结果显示，共可设计3排隔离结构，隔离结构前后间距5m，左右间距20m，隔离结构宽度为5个支架空间距离，即3.5m。如图3所示，由进风顺槽侧开始压注，第一排压注孔在13#支架开始压注，每个隔离结构间隔5个支架空间，依次在23#支架、33#支架、43#支架、53#、63#支架进行压注，第二排压注起始支架为18#支架、依次为28#支架、38#支架、48#支架、58#、68#支架进行压注，第三排压注起始支架为23#支架，依次为33#支架、43#支架、53#、63#支架，隔离结构在采空区的形式如图5所示，其中，工作面周期来压距离为24m，支架尾至煤壁距离为10m；

步骤3、效果检验

压注完成一段时间后，现场人工监测工作面隅角CO、CH₄浓度，通过监测发现，工作面隅角CO浓度由原来的60～70ppm，改变为未超过20ppm，CH₄浓度由2～3％，改变为不超过1％，表明该方法防治效果良好。

作为本实施案例的补充，隔离结构可以持续压注工作面多个周期来压距离，直至监测到工作面没有耦合灾害危险为止。

应当理解的是，上述针对较佳实施例的描述较为详细，并不能因此而认为是对本发明专利保护范围的限制，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明权利要求所保护的范围情况下，还可以做出替换、简单组合等多种变形，本发明的请求保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (4)

1.一种高瓦斯易自燃综放采空区耦合灾害的动态隔离防治方法，其特征在于：依次包括以下步骤：

a、隔离结构的高度设计，首先根据工作面的开采煤层厚度与采放比计算采空区的遗煤厚度和混合带高度，以计算得到的遗煤高度和混合带高度之和来确定隔离结构的高度，所述隔离结构的高度为压注终孔高度距离采空区底板的距离；

b、压注隔离参数设计，根据工作面的支架数量及工作面宽度，结合工作面推进速度和周期来压步距，并结合数值模拟结果，在采空区内沿工作面倾向方向上间隔选择多个采空区压注点，分别设计隔离结构的排数、支架间压注点位置、隔离结构宽度、左右间距、前后间距，并在液压支架上标记、编号；

c、准备动态隔离系统和外围搅拌基站，动态隔离系统包括轻型高分子充填材料、便携式注浆泵、钻杆和高压胶管，将所述外围搅拌基站布置在工作面的进风顺槽侧，将所述轻型高分子充填材料加入所述外围搅拌基站中并搅拌均匀；将所述便携式注浆泵和所述钻杆通过所述高压胶管连接；

d、压注隔离，当工作面顶板周期来压后，从工作面进风顺槽侧开始，将便携式注浆泵放置在相邻的液压支架之间，混合均匀的轻型高分子充填材料依次经便携式注浆泵、高压胶管和钻杆进入采空区，随着压注工作的进行，移动动态隔离系统，并在设计的每个压注点位置按设计参数进行压注；

e、从工作面进风顺槽侧到回风顺槽侧压注一遍后，重复进行压注工作，在整个周期来压期间，压注几排隔离结构，其中相邻的隔离结构末端和顶部在工作面走向方向上平齐，压注至工作面周期来压前结束。

2.根据权利要求1所述的高瓦斯易自燃综放采空区耦合灾害的动态隔离防治方法，其特征在于：步骤c中，所述轻型高分子充填材料是由干料、发泡剂、促凝剂和水组成，其中，所述干料为膨润土、硅酸盐水泥和石灰纤维组成；发泡剂为0.6～1.2％的聚丙乙烯酰胺和动物胶类表面活性剂组成；促凝剂为高效减水剂和促凝剂混合而成。

3.根据权利要求1所述的高瓦斯易自燃综放采空区耦合灾害的动态隔离防治方法，其特征在于：步骤c中，所述钻杆其头部为锥形，所述钻杆头部上设置有呈环形排列的钻孔。

4.根据权利要求1所述的高瓦斯易自燃综放采空区耦合灾害的动态隔离防治方法，其特征在于：步骤e中，所述隔离结构是由所述钻杆压注出的轻型高分子充填材料自上而下下落膨胀过程中与采空区冒落矸石黏结形成的。