CN112682086B - 一种小煤柱开采临近采空区注氮防火方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种小煤柱开采临近采空区注氮防火方法，包括以下步骤，Ⅰ.在工作面运输顺槽内铺设注氮管路；Ⅱ.使用手持式风动钻机进行钻孔施工；Ⅲ.将孔位钻通后，在钢管上套接密闭圈；之后向孔内投入钢管；Ⅳ.在钢管另一端安装球阀以及截止阀；Ⅴ.关闭截止阀和球阀，随后向钢管和孔位之间的空隙内注入聚氨酯发泡材料进行密封，最后再在孔口处填补快硬水泥；Ⅵ.向钢管内注入氮气，并检测管吸收采空区内的气体；Ⅶ.通过数据对注氮气体的流量和纯度进行分析以控制氮气的注入量，本发明具有降低临近采空区与煤柱交届处的氧气含量，对煤柱及采空区采取正压惰气保护，从而解决采空区及煤柱体氧化自燃问题的优点。

Description

一种小煤柱开采临近采空区注氮防火方法

技术领域

本发明涉及煤矿安全技术领域，尤其涉及一种小煤柱开采临近采空区注氮防火方法。

背景技术

在煤矿生产过程中为提高煤炭采出率与利用率广泛应用了小煤柱支护技术，在工作面临近采空区留设小煤柱极易在应力作用下发生压酥变形，其内部产生大量裂隙，从而形成气体漏风通道，将回采巷道与采空区之间进行沟通，工作面开采导致本工作面采空区漏风的同时将为上述老采空区输入大量新鲜空气，而老采空区仍会含有瓦斯气体，致使老采空区也将产生遗煤自燃的隐患，进一步加大采空区遗煤自燃防治的难度，加剧遗煤自燃的隐患。

为防治矿井火灾，目前针对小煤柱产生裂隙后导致空气流通的问题，国内外广泛采取的主要措施有：煤柱内压注凝胶、均压技术控制漏风、煤层注水吸热注二氧化碳气体防灭火技术等。

其中采用均压技术控制煤柱漏风，由于井下大气压力受地面大气压力影响，时刻都在变化之中，均压技术很难持久的保持压力稳定，实施过程中有一定的难度，且对工作面顺槽顶煤和煤柱自燃预防作用不大。

采用煤柱压注凝胶技术，由于压注凝胶成本高，很难大面积使用，凝胶强度不够，另凝胶反应产生污染。

采用煤体压注水进行防灭火，中高位的火点效果差，流水增加煤柱孔隙率，增大漏风量。

采用二氧化碳压注技术，需要使用液态二氧化碳罐车运输至工作面顺槽内，采用特殊装置进行压注，且由于液态二氧化碳释放过程中汽化吸热，容易导致压注管路堵塞，影响压住流量。另液态二氧化碳槽车在井下运输存在较大安全风险。

因此，针对以上不足，需要提供一种小煤柱开采临近采空区注氮防火方法。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是解决现有技术防范方式要么成本过高要么效果较低的问题。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种小煤柱开采临近采空区注氮防火方法，包括以下步骤，

Ⅰ.在工作面运输顺槽内铺设注氮管路，并在需要钻孔的位置处放置三通阀门和截止阀；

Ⅱ.使用手持式风动钻机进行钻孔施工，各个孔位之间间距为50m；

Ⅲ.将孔位钻通后，在钢管上套接密闭圈；之后向孔内投入钢管，并使喷头嵌入采空区内；

Ⅳ.在钢管另一端安装球阀以及截止阀，之后向钢管内注入少量氮气以将管头吹出喷头外；

Ⅴ.关闭截止阀和球阀，随后向钢管和孔位之间的空隙内注入聚氨酯发泡材料进行密封，最后再在孔口处填补快硬水泥；

Ⅵ.上述步骤完成后，向钢管内注入氮气，并通过下坠的管头和检测管吸收采空区内的气体；

Ⅶ.分析检测管内的气体含量以及温度，并通过数据对注氮气体的流量和纯度进行分析以控制氮气的注入量。

作为对本发明的进一步说明，优选地，钢管内注氮速度保持在50m³/h。

作为对本发明的进一步说明，优选地，在工作面运输顺槽上安装捕气装置，并通过工作面运输顺槽上的管道运输至监测区，以对工作面周围的氮气含量以及氧气含量进行检测。

作为对本发明的进一步说明，优选地，初始钻孔高度距巷道地面1.2m～1.5m，钻孔方向倾斜向上且钻孔长度方向与巷道地面的夹角为7°～10°。

作为对本发明的进一步说明，优选地，钻孔的口径为110mm，钢管选用60mm。

作为对本发明的进一步说明，优选地，喷头圆弧表面上开设若干个气孔，喷头平面部开设一个推进孔，推进孔口径大于检测管以及管头外径，管头外固连有挡板，所述挡板外径大于推进孔外径。

作为对本发明的进一步说明，优选地，管头为钢制圆柱管，管头重量大于等于1kg，所述挡板抵接在喷头外端面。

作为对本发明的进一步说明，优选地，检测管选用表皮内设有钢丝网的软管。

作为对本发明的进一步说明，优选地，检测管内中空或穿有数据线，所述数据线一端伸出管头外并连接有温度传感器。

作为对本发明的进一步说明，优选地，所述温度传感器外径小于管头内径。

(三)有益效果

本发明的上述技术方案具有如下优点：

本发明使用手持式钻机替代液压坑道钻机进行施工钻孔，方便快捷；同时采用水泥料封堵钻孔，在采动影响下有一定的塑性变形，保证孔底不漏气，之后在钢管内充入氮气，氮气注入采空区后，将采空区内的高浓度瓦斯进行置换，确保煤柱破坏的情况下山导致瓦斯大量涌出而发生瓦斯事故，而且利用电子温度监测系统，能够实时掌握煤柱内温度变化情况，及时根据监测数据调整各钻孔注氮量，既有效减少氮气消耗，又能提高安全性。

附图说明

图1是本发明的施工效果图；

图2是本发明的喷头连接状态图；

图3是本发明的密闭圈结构图；

图4是本发明的管头安装位置图；

图5是本发明的喷管剖面图；

图6是图5中A的放大图。

图中：1、钢管；11、法兰盘；12、挡圈；2、喷头；21、气孔；22、推进孔；3、密闭圈；31、插槽；4、发泡材料；5、快硬水泥；6、检测管；61、管头；7、球阀。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

一种小煤柱开采临近采空区注氮防火方法，如图1所示，包括以下步骤：

Ⅰ.在工作面运输顺槽内铺设注氮管路，并在需要钻孔的位置处放置三通阀门和截止阀，并同时对钢管1进行加工，即在钢管1上安装喷头2以及检测管6和管头61。

结合图2、图3，钢管1一端固连有法兰盘11，法兰盘11外径与喷头2外径相同，法兰盘11可嵌入喷头2内，通过焊接法兰盘11和喷头2的方式连接钢管1和喷头2。结合图4、图5，钢管1外壁上焊接有挡圈12，挡圈12外径略大于钢管1外径，挡圈12靠近喷头2一侧抵接有密闭圈3，密闭圈3为橡胶圈并套接在钢管1外，检测管6选用表皮内设有钢丝网的软管，密闭圈3上开设有插槽31，以使检测管6穿过密闭圈3，管头61为钢制圆柱管，管头61重量大于等于1kg，以便依靠自重牵引检测管6下坠到采空区底面。

结合图5、图6，喷头2圆弧表面上开设若干个气孔21，可将氮气导出到采空区内，喷头3平面部开设一个推进孔22，推进孔22口径大于检测管6以及管头61外径，管头61外固连有挡板，所述挡板外径大于推进孔22外径，所述挡板抵接在喷头2外端面，避免管头61掉落到喷头2内。

Ⅱ.使用手持式风动钻机进行多个钻孔施工，初始钻孔高度距巷道地面1.2m～1.5m，钻孔方向倾斜向上且钻孔长度方向与巷道地面的夹角为7°～10°，各个孔位之间间距为50m，适合身高的打孔位置以及倾斜打孔的方式更符合人机工程，使打孔操作更为省力，并且倾斜向上的钻孔，相比水平打孔避免应力集中在一个水平面上，进而使孔道结构强度较高，避免被压塌，同时各个孔位距离较远，还可避免煤柱支撑强度降低。

Ⅲ.钻孔的口径为110mm，钢管1选用60mm口径的管道，方便将钢管1穿入钻孔内；将孔位钻通后，在钢管1上套接密闭圈3，密闭圈3也为110mm,之后向孔内投入钢管1，并使喷头2嵌入采空区内；设置密闭圈3起到初步密封的作用，避免在装入钢管1时巷道内氧气大量流向采空区，提高安装钢管1的安全性。

Ⅳ.在钢管1另一端安装球阀7以及截止阀，之后向钢管1内注入少量氮气，氮气通过推进孔22推动挡板，以将管头61吹出喷头2外，此时管头61在重力作用下下坠到采空区底面。

Ⅴ.关闭截止阀和球阀7，随后向钢管1和孔位之间的空隙内注入聚氨酯发泡材料进行密封，最后再在孔口处填补快硬水泥，实现完全密封。

Ⅵ.上述步骤完成后，向钢管1内注入氮气，钢管1内注氮速度保持在50m³/h，并通过下坠的管头61和检测管6吸收采空区内的气体。

Ⅶ.分析检测管6内的气体含量以及温度，并通过数据对注氮气体的流量和纯度进行分析以控制氮气的注入量。

通过采用上述方法具有以下优点：

1、施工时间短：相比现有的使用型液压坑道探放水钻机，4人操作施工，施工时间2个小班，本发明使用手持式气动风钻钻孔，由2人操作施工即可，并且仅需要3个小时可施工完毕，缩短了施工时间，保证了注氮及时性。

2、降低材料投入：改进前利用钻杆作为注氮管路进行注氮，每个钻孔使用5-10根钻杆注氮(钻杆不能回收一次性投入)，改进后使用1根2寸钢管代替钻杆注氮即可，降低材料投入。以在工作面小煤柱施工钻孔25个为例，本发明的方式相比现有的方法减少钻杆投入225根，其中每根钻杆金额700元，每个钻孔使用9根钻杆，金额为157500元，扣除二寸管材及快速接头费用5000元，共计节余152500元。

3、防火成本低：与其他防灭火方法相比成本较低，而且无化学毒物产生，有利于环保。当井下发生火灾时，高分子材料就会燃烧，从而产生大量有毒有害气体，它可导致人员中毒和窒息，高分子材料燃烧过程中，是由于高温产生解聚反应，形成低分子可燃气体，这些低分子可燃气体在空气中燃烧又提供维持裂解反应的高温，从而使高分子分解成多种有毒有害气体。对于一些特殊的高分子材料，加工性能差，加工成本高，且不可回收，再利用率低，一些双组份高分子聚亚氨、玛丽散、洛克休每吨单价均在30000元以上，而氮气的价格远低于上述材料的价格。

4、有效预防采空区及煤柱自燃发火：通过填充氮气将采空区内瓦斯进行置换，减少瓦斯事故的发生。其中临近采空区注入氮气前，采空区内瓦斯浓度高达14％-16％，置换后瓦斯浓度降低至0.2％-0.9％之间，远远低于正常生产空间瓦斯允许浓度，使瓦斯不会燃烧，具有极高的安全性。

优选地，检测管6内还可穿有数据线，所述数据线一端伸出管头61外并连接有温度传感器，所述温度传感器外径小于管头61内径，可直接对采空区内环境温度进行检测，避免采空区内空气在检测管6以及工作面运输顺槽流动时热量流失导致温度测算不准，但如果检测系统就安装在工作面的巷道内，则可省略掉数据线和温度传感器，以减少成本。

另外，在工作面运输顺槽上还可加装捕气装置，并通过工作面运输顺槽上的管道运输至监测区，以对工作面周围的氮气含量以及氧气含量进行检测，通过判断采空区渗入巷道内氮气含量，结合采样的数据进行比对，如果采空区的氮气含量高于巷道内氮气含量，则可根据实际情况降低注氮量，但不得低于标准值，减少氮气消耗。如果巷道内氮气含量与采空区内氮气含量相同，则需要巷道内工作穿戴供氧设备，并对煤柱表面进行检查，通过快硬水泥填补较大裂隙以减少采空区的氮气流失，保证氮气能够最大程度上置换采空区临近煤柱周围的氧气和瓦斯气体，进一步提高安全性。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (5)

1.一种小煤柱开采临近采空区注氮防火方法，其特征在于：包括以下步骤，

Ⅰ.在工作面运输顺槽内铺设注氮管路，并在需要钻孔的位置处放置三通阀门和截止阀；

Ⅱ.使用手持式风动钻机进行钻孔施工，各个孔位之间间距为50m；

Ⅲ.将孔位钻通后，在钢管(1)上套接密闭圈(3)；之后向孔内投入钢管(1)，并使喷头(2)嵌入采空区内；其中喷头(2)圆弧表面上开设若干个气孔，喷头(2)平面部开设一个推进孔(22)，推进孔(22)口径大于检测管(6)以及管头(61)外径，检测管(6)选用表皮内设有钢丝网的软管，管头(61)为钢制圆柱管，管头(61)重量大于等于1kg，管头(61)外固连有挡板，所述挡板外径大于推进孔(22)外径，所述挡板抵接在喷头(2)外端面；

Ⅳ.在钢管(1)另一端安装球阀(7)以及截止阀，之后向钢管(1)内注入少量氮气以将管头(61)吹出喷头(2)外；

Ⅴ.关闭截止阀和球阀(7)，随后向钢管(1)和孔位之间的空隙内注入聚氨酯发泡材料进行密封，最后再在孔口处填补快硬水泥(5)；

Ⅵ.上述步骤完成后，向钢管(1)内注入氮气，并通过下坠的管头(61)和检测管(6)吸收采空区内的气体；

Ⅶ.检测管(6)内中空还穿有数据线，所述数据线一端伸出管头(61)外并连接有温度传感器；所述温度传感器外径小于管头(61)内径；分析检测管(6)内的气体含量以及温度，并通过数据对注氮气体的流量和纯度进行分析以控制氮气的注入量。

2.根据权利要求1所述的一种小煤柱开采临近采空区注氮防火方法，其特征在于：钢管(1)内注氮速度保持在50m³/h。

3.根据权利要求1所述的一种小煤柱开采临近采空区注氮防火方法，其特征在于：在工作面运输顺槽上安装捕气装置，并通过工作面运输顺槽上的管道运输至监测区，以对工作面周围的氮气含量以及氧气含量进行检测。

4.根据权利要求1所述的一种小煤柱开采临近采空区注氮防火方法，其特征在于：初始钻孔高度距巷道地面1.2m～1.5m，钻孔方向倾斜向上且钻孔长度方向与巷道地面的夹角为7°～10°。

5.根据权利要求4所述的一种小煤柱开采临近采空区注氮防火方法，其特征在于：钻孔的口径为110mm，钢管(1)选用60mm。

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