CN112696226B - 一种治理沿空留巷采空区遗煤自燃的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种治理沿空留巷采空区遗煤自燃的方法，包括以下步骤：在进风巷隅角释放示踪气体，确定漏风通道；根据所述漏风通道，并结合采煤工作面概况，采用软件进行模拟，确定采空区高温区域；采用红外探测系统探测采空区遗煤的辐射温度场，得到采空区表面温度分布图；采用声波测试系统探测分析所述采空区表面温度分布图中高温区域范围的声波信息，确定采空区内部异常区域；所述采空区高温区域和所述采空区内部异常区域的重合区域确定为沿空留巷采空区遗煤自燃区域；对所述漏风通道进行堵漏；对所述沿空留巷采空区遗煤自燃区域施工钻孔，并灌注灭火材料。
Description
技术领域
本发明属于煤矿采空区遗煤自燃防治技术领域，具体涉及一种治理沿空留巷采空区遗煤自燃的方法。
背景技术
沿空留巷技术可以最大限度回收资源，避免煤炭损失，对提高矿井经济效益具有显著的效果。但工作面沿空留巷侧，在反复的压力冲击下，易发生变形，加之采用“Y”型通风方式，这些因素增加了采空区中的漏风量，加剧煤自燃的风险。同时，采空区顶板冒落后与相邻采空区连成一体使得采空区内渗流规律趋于复杂，这些因素对采空区氧化带的分布产生了动态影响。
为了治理沿空留巷采空区遗煤自燃，目前常用的治理方法为气体探测法与灭火材料相结合，其原理是火源处温度较高，由于温差会导致气体与附近巷道存在压差，进而导致分子扩散，气体会源源不断地从火源位置涌向附近巷道，从而确定沿空留巷采空区遗煤自燃区域，再采用灭火材料封堵。此治理方法对保障矿井安全生产起到了积极作用，但受漏风通道位置的限制，难以准确的确定采空区遗煤自燃区域，进而无法有效的对采空区遗煤自燃区域进行精准治理。
因此，有必要对治理沿空留巷采空区遗煤自燃的方法进行改进来提高治理效果。
发明内容
本发明的目的在于提供一种治理沿空留巷采空区遗煤自燃的方法。本发明提供的方法能够有效的治理沿空留巷采空区遗煤自燃。
为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
本发明提供了一种治理沿空留巷采空区遗煤自燃的方法，包括以下步骤：
(1)在进风巷隅角释放示踪气体，确定漏风通道；
(2)根据所述步骤(1)确定的漏风通道，并结合采煤工作面概况，采用软件进行模拟，确定采空区高温区域；
(3)采用红外探测系统探测采空区遗煤的辐射温度场，得到采空区表面温度分布图；
(4)采用声波测试系统探测分析所述步骤(3)得到的采空区表面温度分布图中高温区域范围的声波信息，确定采空区内部异常区域；
(5)所述步骤(2)确定的采空区高温区域和所述步骤(4)确定的采空区内部异常区域的重合区域确定为沿空留巷采空区遗煤自燃区域；
(6)对所述步骤(1)确定的漏风通道进行堵漏；
(7)对所述步骤(5)确定的沿空留巷采空区遗煤自燃区域施工钻孔，并灌注灭火材料；
所述步骤(1)～(2)与步骤(3)～(4)没有先后顺序。
优选地，所述步骤(1)中示踪气体的接收点为沿空留巷侧每隔10～15m的位置。
优选地，所述步骤(2)中软件为Fluent或COMSOL软件。
优选地，所述步骤(4)中声波测试系统的频率为0～500KHz。
优选地，所述步骤(4)声波测试系统中测试点的间隔距离为8～15m。
优选地，所述步骤(6)中堵漏的材料为固化泡沫。
优选地，所述步骤(7)中钻孔的直径为90～108mm。
优选地，所述步骤(7)中钻孔的终孔间距为8～12m。
优选地，所述钻孔的终孔间距为9～10m。
优选地，所述步骤(7)中灭火材料为水成膜胶体泡沫或凝胶泡沫。
本发明提供了一种治理沿空留巷采空区遗煤自燃的方法，包括以下步骤：在进风巷隅角释放示踪气体，确定漏风通道；根据所述漏风通道，并结合采煤工作面概况，采用软件进行模拟，确定采空区高温区域；采用红外探测系统探测采空区遗煤的辐射温度场，得到采空区表面温度分布图；采用声波测试系统探测分析所述采空区表面温度分布图中高温区域范围的声波信息，确定采空区内部异常区域；所述采空区高温区域和所述采空区内部异常区域的重合区域确定为沿空留巷采空区遗煤自燃区域；对所述漏风通道进行堵漏；对所述沿空留巷采空区遗煤自燃区域施工钻孔，并灌注灭火材料。本发明利用红外探测系统得到采空区表面温度分布图，从而初步判定高温区域范围，为声波测试明确重点，其次采用声波测试系统探测分析初步判定高温区域范围内埋藏较深的火区，确定采空区内部异常区域；在进风巷隅角释放示踪气体确定漏风通道，并结合采煤工作面概况，利用软件进行模拟，确定采空区高温区域；采空区高温区域和采空区内部异常区域的重合区域为沿空留巷采空区遗煤自燃区域，能够准确的测定沿空留巷采空区遗煤自燃区域；对所述漏风通道进行堵漏，能够有效减少向沿空留巷采空区遗煤自燃区域漏风，降低此区域的氧气浓度，从而抑制遗煤自燃；对所述沿空留巷采空区遗煤自燃区域施工钻孔，并灌注灭火材料，该灭火材料能在煤体表面形成一层膜状覆盖物，持久有效的隔绝氧气，进一步提高采空区遗煤自燃的治理效果。实施例的结果显示，对采用本发明提供的方法治理的采空区遗煤自燃区域的工作面隅角和回风巷实时监测CO浓度，CO浓度持续下降，由375ppm下降到20ppm以下，且没有乙烯和乙炔气体。
具体实施方式
本发明提供了一种治理沿空留巷采空区遗煤自燃的方法，包括以下步骤：
(1)在进风巷隅角释放示踪气体，确定漏风通道；
(2)根据所述步骤(1)确定的漏风通道，并结合采煤工作面概况，采用软件进行模拟，确定采空区高温区域；
(3)采用红外探测系统探测采空区遗煤的辐射温度场，得到采空区表面温度分布图；
(4)采用声波测试系统探测分析所述步骤(3)得到的采空区表面温度分布图中高温区域范围的声波信息，确定采空区内部异常区域；
(5)所述步骤(2)确定的采空区高温区域和所述步骤(4)确定的采空区内部异常区域的重合区域确定为沿空留巷采空区遗煤自燃区域；
(6)对所述步骤(1)确定的漏风通道进行堵漏；
(7)对所述步骤(5)确定的沿空留巷采空区遗煤自燃区域施工钻孔，并灌注灭火材料；
所述步骤(1)～(2)与步骤(3)～(4)没有先后顺序。
本发明在进风巷隅角释放示踪气体，确定漏风通道。
在本发明中，所述示踪气体优选为六氟化硫。本发明对所述六氟化硫的用量没有特殊的限定，采用本领域技术人员常规的用量即可。在本发明中，所述示踪气体的接收点优选为沿空留巷侧每隔10～15m的位置，更优选为沿空留巷侧每隔10～12m的位置。在本发明中，所述示踪气体的接收点在上述范围内时能够更加准确的确定出漏风通道。
释放示踪气体后，本发明优选对沿空留巷内的气体依次进行取样和色谱分析，确定漏风通道。
在本发明中，所述取样时间优选为释放示踪气体后的5～10h内，更优选为释放示踪气体后的8h内；所述取样的间隔时间优选为10～20min，更优选为15min。本发明对所述取样和色谱分析的操作没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的操作即可。本发明对确定漏风通道的操作没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的方案根据色谱分析结果进行常规判断即可。在本发明中，所述取样时间和取样的间隔时间在上述范围内时能够对六氟化硫气体浓度进行准确检测，以进一步准确的确定出漏风通道。
确定漏风通道后，本发明根据所述漏风通道，并结合采煤工作面概况，采用软件进行模拟，确定采空区高温区域。
在本发明中，所述软件优选为Fluent或COMSOL软件。本发明对所述确定采空区高温区域的具体操作没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的软件模拟操作即可。在本发明中，根据所述漏风通道，并结合采煤工作面概况，采用软件进行模拟，确定采空区高温区域，有利于沿空留巷遗煤自燃区域的准确确定。
本发明采用红外探测系统探测采空区遗煤的辐射温度场，得到采空区表面温度分布图。
在本发明中，所述采用红外探测系统探测采空区遗煤的辐射温度场，得到采空区表面温度分布图的操作优选与所述在进风巷隅角释放示踪气体，确定漏风通道的操作同时进行。
在本发明中，采用红外探测系统探测采空区遗煤的辐射温度的操作优选为采用红外热成像仪对沿空留巷进行红外扫描。本发明对所述红外热成像仪的型号没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的红外热成像仪即可。在本发明中，采用红外探测系统探测采空区遗煤的辐射温度场，通过对该区域的红外扫描，能够将此区域内的高温区域与其他区域区分，有利于对沿空留巷遗煤自燃区域的确定。
得到采空区表面温度分布图后，本发明采用声波测试系统探测分析所述采空区表面温度分布图中高温区域范围的声波信息，确定采空区内部异常区域。在本发明中，采用声波测试系统探测分析所述采空区表面温度分布图中高温区域范围的声波信息，利用遗煤自燃区域与未发生煤体自燃区域的声波信息不同，从而判定自燃危险程度，确定采空区内部异常区域。
在本发明中，所述声波测试系统的频率优选为0～500KHz，进一步优选为50～400KHz，更优选为100～300KHz。在本发明中，所述声波测试系统的频率在上述范围内时能够更加准确的接收声波信号，从而更精准的判断沿空留巷采空区遗煤自燃区域。
在本发明中，所述声波测试系统中测试点的间隔距离优选为8～15m，更优选为10～12m。在本发明中，所述测试点的间隔距离在上述范围内时能够保证对高温区域范围更准确的探测，从而更精准的判断沿空留巷采空区遗煤自燃区域。
确定采空区高温区域和采空区内部异常区域后，本发明将所述采空区高温区域和所述采空区内部异常区域的重合区域确定为沿空留巷采空区遗煤自燃区域。在本发明中，将所述采空区高温区域和所述采空区内部异常区域的重合区域确定为沿空留巷采空区遗煤自燃区域，是将模拟得到的区域与实测得到的区域相结合，更加准确的测定出沿空留巷采空区遗煤自燃区域。
本发明对根据所述采空区高温区域和所述采空区内部异常区域确定沿空留巷采空区遗煤自燃区域的操作没有特殊的限定，根据本领域技术常识进行确定即可。
确定漏风通道后，本发明对所述漏风通道进行堵漏。在本发明中，对所述漏风通道进行堵漏，能够有效减少向沿空留巷采空区遗煤自燃区域漏风，降低此区域的氧气浓度，从而抑制遗煤自燃。
在本发明中，所述堵漏的材料优选为固化泡沫，更优选为中国专利CN201710245404.0中的水泥泡沫材料；所述水泥泡沫材料包括以下重量份的原料：硅酸盐水泥88～91.2、偏铝酸钠2～2.5、氯化钙1.5～2、羧甲基纤维素钠0.3～0.5、十二烷基苯磺酸钠2～3、皂素2～4和水55～60。本发明对所述堵漏材料的用量没有特殊的限定，只要保证将漏风通道堵住即可。在本发明中，所述堵漏的材料为上述材料时，利用堵漏材料强堵漏性、对中高位煤炭均能覆盖包裹，且对煤岩裂隙渗透性好的特性，能够达到优异的堵漏效果，从而达到灭火的效果。本发明对所述堵漏的操作没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的堵漏操作即可。
确定沿空留巷采空区遗煤自燃区域后，本发明对所述沿空留巷采空区遗煤自燃区域施工钻孔，并灌注灭火材料。在本发明中，对所述沿空留巷采空区遗煤自燃区域施工钻孔，并灌注灭火材料，能在煤体表面形成一层膜状覆盖物，持久有效的隔绝氧气，进一步提高采空区遗煤自燃的治理效果。
本发明对在所述沿空留巷采空区遗煤自燃区域施工钻孔的位置没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的钻孔位置即可。本发明对所述钻孔的操作没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的钻孔操作即可。在本发明中，所述钻孔的直径优选为90～108mm，进一步优选为95～105mm，更优选为98～100mm；所述钻孔的终孔间距优选为8～12m，更优选为9～10m。本发明对所述钻孔的个数没有特殊的限定，以能覆盖沿空留巷采空区遗煤自燃区域为准。在本发明中，所述钻孔的直径以及终孔间距在上述范围内时更有利于灭火材料的灌注，进一步提高采空区遗煤自燃的治理效果。
在本发明中，所述灭火材料优选水成膜胶体泡沫或凝胶泡沫；所述水成膜胶体泡沫材料优选由以下重量份的组分组成：羧甲基纤维素0.3～0.5份、十二烷基苯磺酸钠0.3～0.6份、皂素0.3～0.6份、黄原胶0.3～0.5份、瓜尔豆胶0.3～0.5份和水100份。本发明对所述灭火材料的用量没有特殊的限定，只要保证将沿空留巷采空区遗煤自燃区域堵住即可。在本发明中，所述灭火材料为上述材料时，利用水成膜胶体泡沫优异的表面成膜的特性，即使泡沫破灭，也能在煤体表面形成一层膜状覆盖物，持久有效的抑制煤炭与氧接触，达到灭火的效果。本发明对所述凝胶泡沫的来源没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的市售产品即可。
在本发明中，所述灌注的操作优选为在每个钻孔内每隔24h连续灌注6～8h或在每个钻孔内每隔24h连续灌注至灭火材料从工作面流出时停止灌注。在本发明中，采用每个钻孔每次灌注间隔24h进行再次灌注有利于钻孔内灭火材料的沉积，避免出现较多的缝隙，影响治理效果。
本发明利用红外探测系统得到采空区表面温度分布图，从而初步判定高温区域范围，为声波测试明确重点，其次采用声波测试系统探测分析初步判定高温区域范围内埋藏较深的火区，确定采空区内部异常区域；在进风巷隅角释放示踪气体确定漏风通道，并结合采煤工作面概况，利用软件进行模拟，确定采空区高温区域；采空区高温区域和采空区内部异常区域的重合区域为沿空留巷采空区遗煤自燃区域，能够准确的测定沿空留巷采空区遗煤自燃区域；对所述漏风通道进行堵漏，能够有效减少向沿空留巷采空区遗煤自燃区域漏风，降低此区域的氧气浓度，从而抑制遗煤自燃；对所述沿空留巷采空区遗煤自燃区域施工钻孔，并灌注灭火材料，该灭火材料能在煤体表面形成一层膜状覆盖物，持久有效的隔绝氧气，进一步提高采空区遗煤自燃的治理效果。
本发明提供的方法以精准定位高温火源与快速灭火为一体，实现高效治理沿空留巷采空区遗煤自燃，适用于大面积采空区遗煤自燃区域的精准和高效治理。
下面将结合本发明中的实施例，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，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。
实施例1
以我国内蒙古某煤矿为例，该矿正在开采的4107综采工作面，走向长3197米，倾斜长300米，煤厚3.6～4.2米，为易自燃煤层，自燃发火期31天；4107综采工作面回风巷采用沿空留巷作为下区段工作面的进风巷；4107进风巷宽高分别为5.6m和3.6m，回风巷宽高分别为5.2m和3.6m，工作面通风量为1600m3/min；
在回采过程中，由于工作面巷道长，宽度大，采空区范围广，通风质量差，漏风严重，造成隅角和回风巷CO最高监测浓度超过200ppm，且无下降趋势，说明采空区遗煤氧化有加速现象；治理沿空留巷采空区遗煤自燃的方法采用如下步骤：
(1)采用红外热成像仪对沿空留巷进行红外扫描，得到采空区表面温度分布图；与此同时，于进风巷隅角释放六氟化硫气体，同时在沿空留巷侧每隔10m布置一接收点进行接收，经过连续8小时的取样和色谱分析，取样间隔时间为15分钟，确定漏风通道；
(2)采用声波测试系统探测分析所述步骤(1)得到的采空区表面温度分布图中高温区域范围的声波信息，确定采空区内部异常区域；其中，声波测试系统的频率为300KHz，测试点的间隔距离为10m；
(3)根据所述步骤(1)确定的漏风通道，并结合4107采煤工作面概况，采用COMSOL软件进行模拟，确定采空区高温区域；
(4)根据所述步骤(3)确定的采空区高温区域和所述步骤(2)确定的采空区内部异常区域，确定4107工作面沿空留巷采空区遗煤自燃区域；
(5)对所述步骤(1)确定的漏风通道喷注水泥泡沫材料，直至将漏风通道堵住；
(6)在井下选择适合地点向所述步骤(4)确定的沿空留巷采空区遗煤自燃区域施工钻孔，钻孔的直径为108mm，钻孔的终孔间距为10m，钻孔的个数以能覆盖自燃区域为准；施工钻孔完毕后，向钻孔内灌注水成膜胶体泡沫，每个钻孔每次注8小时，隔24小时后，重复上次灌注操作进行再次灌注。
所述水泥泡沫材料配方为：硅酸盐水泥91.2份、偏铝酸钠2.5份、氯化钙2份、羧甲基纤维素钠0.5份、十二烷基苯磺酸钠3份、皂素4份、水60份，硅酸盐水泥的粒度为25微米；其制备方法为：①按配方称取硅酸盐水泥、偏铝酸钠和氯化钙，投入到干混搅拌器中，充分搅拌混合，形成复合水泥粉体，备用；②按配方称取水、羧甲基纤维素钠、十二烷基苯磺酸钠和皂素，投入到混合容器中，采用电动搅拌机高速搅拌发泡，当泡沫体积基本稳定时，停止搅拌，制成泡沫；③在搅拌条件下，将复合水泥粉体缓慢地加入到泡沫中，继续搅拌，直到形成能够自由流动，具有一定稠度的泡沫体，即为水泥泡沫材料。
所述水成膜胶体泡沫配方为：羧甲基纤维素0.4份、十二烷基苯磺酸钠0.4份、皂素0.4份、黄原胶0.4份、瓜尔豆胶0.4份、水100份；其制备方法为：①在容器A中加入20份水和0.4份黄原胶、0.4份瓜尔豆胶，在容器A的搅拌器以1000±100转/分钟转速转动，搅拌时间为4min，形成黄原胶和瓜尔豆胶混合胶体；②在容器B中加入80份水和0.4份羧甲基纤维素，在容器B的搅拌器以1000±100转/分钟转速转动，搅拌时间为4min，形成羧甲基纤维素溶液；③在容器B中形成的羧甲基纤维素溶液中，继续加入0.4份十二烷基苯磺酸钠和0.4份皂素，在容器B的搅拌器以2000±100转/分钟转速转动，搅拌时间为8min，通过机械搅拌发泡形成泡沫体系；④将步骤①中所述的黄原胶和瓜尔豆胶混合胶体添加至③中所述泡沫体系中，容器B的搅拌器以2000±100转/分钟转速转动，搅拌时间为8min，制备成水成膜胶体泡沫材料；
每天对工作面隅角和回风巷实时监测CO浓度，该矿经过连续10天治理，4107工作面得到有效控制，CO浓度持续下降，由最初的375ppm下降到20ppm以下，且没有乙烯和乙炔气体，效果良好。
从以上实施例可以看出，本发明提供的方法能够有效的治理沿空留巷采空区遗煤自燃。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种治理沿空留巷采空区遗煤自燃的方法，包括以下步骤：
（1）在进风巷隅角释放示踪气体，确定漏风通道；
（2）根据所述步骤（1）确定的漏风通道，并结合采煤工作面概况，采用软件进行模拟，确定采空区高温区域；
（3）采用红外探测系统探测采空区遗煤的辐射温度场，得到采空区表面温度分布图；
（4）采用声波测试系统探测分析所述步骤（3）得到的采空区表面温度分布图中高温区域范围的声波信息，确定采空区内部异常区域；
（5）所述步骤（2）确定的采空区高温区域和所述步骤（4）确定的采空区内部异常区域的重合区域确定为沿空留巷采空区遗煤自燃区域；
（6）对所述步骤（1）确定的漏风通道进行堵漏；
（7）对所述步骤（5）确定的沿空留巷采空区遗煤自燃区域施工钻孔，并灌注灭火材料；
所述步骤（1）~（2）与步骤（3）~（4）没有先后顺序。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤（1）中示踪气体的接收点为沿空留巷侧每隔10~15m的位置。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤（2）中软件为Fluent或COMSOL软件。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤（4）中声波测试系统的频率为0~500KHz。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤（4）声波测试系统中测试点的间隔距离为8~15m。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤（6）中堵漏的材料为固化泡沫。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤（7）中钻孔的直径为90~108mm。
8.根据权利要求1或7所述的方法，其特征在于，所述步骤（7）中钻孔的终孔间距为8~12m。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述钻孔的终孔间距为9~10m。
10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤（7）中灭火材料为水成膜胶体泡沫或凝胶泡沫。
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