高瓦斯易自燃厚煤层综采工作面.ppt

抚顺矿业集团有限责任公司抚顺矿业集团有限责任公司2022/11/24高瓦斯易自燃厚煤层综采工作面安全高效开采The Safe and Efficient Mining of Working-face with High-methane emission and Easy-spontaneous combustion 本文针对高瓦斯含量易自燃厚煤层如何实现安全、高效开采，从综放工作面设计、采煤技术方法选择、“一通三防”管理、井下实践等多个方面做了较为深刻的论述，指出中厚以上煤层采煤技术方法的选择对“一通三防”管理，尤其是瓦斯涌出、自然发火防治有着至关重要的影响，只有选择合适的回采技术方法，才能确保综放工作面的安全高效开采。2022/11/24论文摘要 我国煤炭赋存条件多种多样，并以开采缓斜、近水平的中厚及厚煤层为主，而且煤炭产量97%来自井工矿井，露天矿井产量仅占总产量的3%。当前煤炭生产技术是机械化，部分机械化和手工作业并存的多层次结构，国有重点煤矿技术装备比较先进，几乎全部采用长壁采煤法，而且厚煤层综合机械化采煤技术，建筑物、铁路和水体下即“三下”采煤技术以及水力采煤技术已达世界水平。2022/11/241、我国煤炭开采及安全状况2022/11/24尤其是1984年成功开发厚煤层（512m）放顶煤综采技术以来，该项采煤技术得到了很大的发展，在工作面矿压显现规律、放顶煤液压支架、开采工艺和参数以及瓦斯、煤尘、自然发火防治等安全方面进行了大量研究、实践，使这项技术达到国际领先水平。有些矿区，对于不同的煤层赋存条件已选择不同的方法，象东北的铁法矿区，1.31.8m的薄煤层已采用德国DBT公司生产的刨煤机组，2.23.5m厚的煤层采用国内生产的普通综采机组，3.54.8m的煤层采用一次性采全高的大功率综采机组，5m以上的采用综采放顶煤机组。2022/11/24不同赋存条件的煤层选择不同的采煤技术方法，其关键取决于两个方面的因素限制：一是采煤技术，二是安全技术，尤其是高瓦斯、突出煤层、易自燃煤层的开采技术方法的选择显得尤为重要。中国煤矿事故统计表明，煤炭工业安全形势较为严峻，一次死亡三人及以上的重大事故的次数和人数居高不下，瓦斯在冒顶、机电、运输、放炮、透水、火灾等事故中所占比例仍然居首，占事故次数的比例和死亡人数的比例都很高。2022/11/24这些事故不仅发生在地方小煤矿，国有大矿由于种种原因也会发生大型的恶性事故，近十年来发生的水城木冲沟（9.27）、鸡西城子河（6.20）、淮北芦岭（5.13）、郑州大平（10.20）、阜新孙家湾（2.14）、西山屯兰（2.22）、通化八宝（3.29）等国有煤矿特大瓦斯爆炸事故都说明了这个问题。有些矿井尽管采煤机械化水平很高，但是由于开采的技术方法选择不当，没有从设计、从设备选型的源头抓起，仍然会受到通风管理不善、瓦斯涌出、煤炭自然发火的制约、威胁，有时甚至酿成恶性事故。死亡人死亡人数数/千人千人煤炭煤炭产量量/亿吨吨百万百万吨吨死亡率死亡率我国我国煤矿百万吨死亡率的变化趋势煤矿百万吨死亡率的变化趋势13.8113.81200120022003200420052006200720082009201014.5514.5517.2217.2219.9219.9222.0522.0523.7323.7325.2625.2628.0228.0229.7329.7332.3532.350.910.914.814.813.673.673.023.022.712.712.002.001.501.501.151.150.750.754.104.105.6705.6706.9956.9956.4346.4346.0276.0275.9865.9864.7464.7463.7863.7863.2153.2152.7002.7002.4332.4332011201235.2035.2036.6036.600.560.560.370.371.9731.9731.3841.3842022/11/24应该说，通过加大安全投入、开展煤矿科技创新，在新技术、新工艺、新材料应用上加大了力度，我国近十年煤矿安全状况有了很大改善，尤其是瓦斯抽采量、煤层气开发量的提高，对于瓦斯重特大事故的控制得到了加强，但是只能说煤矿的安全生产宏观层面上有了一定的保障，微观层面上还没有真正实现本质安全，煤矿生产的核心靶区采煤工作面的安全，还没有真正把住关。高瓦斯易自燃厚煤层综放工作面安全一直困扰着煤矿采煤工作面的初采、正常回采、尾采、撤出等关键环节，给煤矿安全带来了威胁。影响煤矿采煤工作面安全生产的因素很多，既有影响煤矿采煤工作面安全生产的因素很多，既有煤层本身赋存的内在条件，也有外在的人为控制因素。煤层本身赋存的内在条件，也有外在的人为控制因素。2022/11/242、如何实现高瓦斯易自燃厚煤层综采工作面、如何实现高瓦斯易自燃厚煤层综采工作面安全高效开采安全高效开采2022/11/24设计是源头，一定要对所设计的煤层赋存条件包括煤层厚度、倾角、顶底板岩性、地质构造等情况掌握清楚；另外，还包括煤层开采顺序、顶板管理方式，最重要的还有选择什么方式采煤。随着国内煤炭工业的发展，综采机组的功率、开采的强度也在不断加大，配套的刨煤机、普通综采机组、大功率一次性采全高机组、厚煤层综采放顶煤机组，相继在我国各矿区应用，而且煤炭一次性采出率很高，给瓦斯涌出控制、自然发火防治带来了方便。2.1 从设计源头抓起，保证设计合理，为工作面安全从设计源头抓起，保证设计合理，为工作面安全生产创造先决条件生产创造先决条件2022/11/24开采技术方法的选择不仅要考虑生产的采掘接续、煤层赋存的自然条件，还要从设计的源头考虑选择合适的开采方式。在生产实践中，有时适合综采放顶煤开采的厚煤层，选择了大功率一次性采全高，适合大功率一次性采全高的煤层选择了普通综采机组，不但造成煤炭采出率很低，浪费了煤炭资源，而且在采空区里丢下了大量浮煤，给浮煤中吸附CH4的解吸、游离、煤炭氧化创造了可乘之机，结果造成采煤工作面的瓦斯涌出量增大、煤炭的自然发火期缩短，给采煤工作面的瓦斯涌出、煤炭自燃防治带来了很大困难，甚至埋下事故的隐患。2022/11/24开采技术方法与开采顺序的选择极为重要，首采层相对瓦斯涌出量大，而后采层其涌出量减少，陷落式顶板管理方法比充填式造成更大范围的围岩破坏与卸压，邻近层瓦斯涌出的份量增大；水采水运的采煤方法，比旱采相对涌出量降低，这是因为湿煤残余瓦斯含量增大的缘故；其次是回采速度与产量，当回采速度不高时，绝对瓦斯涌出量与回采速度或产量成正比。三是落煤工艺、放煤高度与老顶来压步距，两者对瓦斯涌出量的峰值与波动即瓦斯涌出不均匀系数有显著影响，不仅影响绝对瓦斯涌出量，而且在一定程度上也影响相对瓦斯涌出量。2.2 开采技术方法选择得当、开采顺序合理开采技术方法选择得当、开采顺序合理2022/11/24首先，包括煤层和围岩的瓦斯含量，它是影响瓦斯涌出量大小的决定性因素；其次是开采深度，在甲烷带内开采的井工矿井，随着开采深度的增加，相对瓦斯涌出量增高；第三、地面大气压力的变化，受地面大气压力下降影响，引起瓦斯涌出增加的是工作面后部采空区和老采区的瓦斯涌出，影响程度可由等温过程的波义耳、马略特定律来估计。据一些资料统计，美国19101960年的50年间，有一半的瓦斯爆炸事故发生在大气压力急剧下降时。第四是通风压力与采空区的封闭质量，对瓦斯涌出量有一定的影响，通风压力小、采空区密闭质量好，可减少瓦斯涌出量。2.32.3 把握自然因素，以利安全生产把握自然因素，以利安全生产2022/11/24通风系统影响矿井的瓦斯涌出与井下的自然发火，每一个高瓦斯易自燃厚煤层开采矿井，都要做到矿井通风网络简单化，尽量降低进风段、用风段、回风段三段阻力，是矿井通风负压最低，达到低负压运行。另外，采煤工作面的通风方式与配风量也影响矿井的瓦斯涌出与井下的自然发火。根据进、回风巷是在煤体内还是在采空区内维护，可把采场通风系统划分为四种类型：如图表1所示，“进回皆煤”型、“进回皆空”型、“进煤回空”型与“进空回煤”型，不论哪种类型，从开采层涌出的瓦斯几乎都是进入采场的，而邻近层与围岩涌出的瓦斯可能是一部分进入采场，也可能是全部进入采场。此外由于采空区瓦斯被风流带走的难易程度不同，四种类型瓦斯涌出量会有很大的差别，当邻近层瓦斯涌出量大时尤甚。2.42.4 优化矿井通风系统，做到矿井通风低负压运行优化矿井通风系统，做到矿井通风低负压运行2022/11/242022/11/24要实现高瓦斯易自燃厚煤层综采工作面安全高效开采，一定要井上下采取综合治理瓦斯措施，建立“以抽为主、风排为辅”的治理瓦斯理念，把工作面的配风量降至最低，保证高效抽采瓦斯的同时，也达到抑制采煤工作面自然发火现象发生的目的，确保安全生产。2.52.5 瓦斯治理要建立瓦斯治理要建立“以抽为主、风排为辅以抽为主、风排为辅”的理念的理念 2.6 加快开采强度，控制好生产节奏加快开采强度，控制好生产节奏2022/11/24要实现高瓦斯易自燃厚煤层综采工作面安全高效开采，加快综采工作面的开采推进度，控制好生产节奏也是至关重要的，一定使综采工作面后边的采空区漏风“三带”即漏风带、氧化带、窒息带加快转化，前两带尽快转化为窒息带，不给采空区残余浮煤留有足够的氧化时间，把自然发火隐患消灭在萌芽状态中。2022/11/24高瓦斯易自燃厚煤层综采工作面实现安全高效开采，是一项复杂、系统的综合管理工作，既有自然因素也有人为因素，既有宏观方面的，也微观方面的，一定要统筹兼顾，不能顾此失彼。既要采取传统的固有技术措施，如注水、充填河沙等，有条件、有必要的矿井，也要采取均压、注氮、注二氧化碳等现代技术管理手段，达到消灭自然发火隐患于萌芽状态中的目的。2.7 采取自然发火防治综合措施，抑制自燃现象发生采取自然发火防治综合措施，抑制自燃现象发生2022/11/24高瓦斯易自燃厚煤层综采工作面安全高效开采，“一通三防”技术管理是关键，一定要具备三个能力才有可能实现，一要具备日常管理能力；二要具备预见能力；三要具备应对灾变的能力。日常管理能力摆在首位，体现的是平时的硬功夫。在工作面的初采、老顶的初次来压、第一次周期性来压、正常回采、尾采、劈帮挂网、回撤等关键环节上一定要有前瞻性，具备预见能力，做好日常管理。2.8 加强日常管理、把住关键环节加强日常管理、把住关键环节2022/11/243.1 铁煤集团大隆矿铁煤集团大隆矿W2705普通综采工作面与普通综采工作面与W1702综放工作综放工作面的对比面的对比大隆矿W2705为该矿W2采区七层首采面，走向长度1127m，倾斜宽150180m，煤层倾角214，属缓倾斜煤层，该采场实见煤层最大厚度18.02m，最小厚度4.08m，平均厚度5.55m，实际储量300万t，由于采掘接续需要，综采设备紧张的限制，该面采用了普通综采机组，实际采出煤量105万t，采出率仅为35%，瓦斯涌出量高达121m3/min，相对涌出量高达30.24m3/ton；3、高瓦斯易自燃厚煤层综采工作面安全高效开采实践、高瓦斯易自燃厚煤层综采工作面安全高效开采实践2022/11/24大隆矿W1702工作面为该矿第一个综采放顶煤工作面，所采煤层也是七号煤层，最大厚度7.5m,最小厚度5.5m，平均厚度6.52m，该面走向长度为355m，工作面斜长为163m，采高2.52.87m，工业储量为41.3万t,可采储量35.6万t，回采率86.19%。回采期间工作面瓦斯绝对涌出量40m3/min，相对涌出量为11.52m3/ton，如表2是该矿W2705、W1702两个综采工作面情况的对比表：2022/11/242022/11/24从表2中看出，同样是同一采区的七号煤层工作面，但由于选择的开采技术方法不同，煤炭的回采率、瓦斯绝对涌出量、相对涌出量以及配风量、自然发火期等也不相同，其根本原因就是放顶煤开采技术方法造成采空区所遗留浮煤较少，采出率较高，没有给浮煤中吸附CH4解吸、游离、氧化的时间，所以上述各参数才比较小，相反W2705的各项参数就偏高，CH4涌出量是W1702的3倍以上，给瓦斯治理、自然发火的综合防治都带来了相当大的难度，W2705开采期间，CH4断电值设为1.5%，而W1702工作面CH4断电值设定为1.0%。3.2 大兴矿大兴矿SV712普通综采工作面与普通综采工作面与N2702综采放顶煤综采放顶煤工作面的对比工作面的对比2022/11/24大兴矿SV712工作面走向长度340m、200m，工作面斜长200m、180m，煤厚在3.309.11m，一般煤厚7.50m，煤种为长焰煤，煤的自然发火期为1个月，采用普通综采，沿煤层底板回采，厚度3m，回采期间平均瓦斯涌出量为8090m3/min，工作面配风量为19002300m3/min。2022/11/24N2702是大兴矿N2七层首采面，也是首次在突出煤层进行的放顶煤开采工作面，该面于2002年7月25日开采，走向长度1792m，工作面斜长180m，煤层厚度5.512m，平均厚度7.35m，可采储量410万t，煤层倾角平均78，煤种牌号为气煤和长焰煤，以气煤为主，自然发火期为3个月，同样都是一个井田的七号煤层该面最大绝对涌出量为84.63m3/min，平均绝对瓦斯涌出量 为59.56m3/min，最大相对涌出量为10.24m3/ton，平均相对涌出量为7.22m3/ton，如表3为SV712普采面与N2702综放面情况对比。2022/11/242022/11/24从表3中看出，同样处于一个井田的七号煤层，煤层赋存的自然条件基本一样，但也是由于工作面选择的开采技术方法不同，造成煤炭的回采率、瓦斯绝对涌出量、相对涌出量也不相同，究起原因也是因为综采放顶煤开采的煤炭采出率较高，如图1所示为综采放顶煤开采工艺过程图，这样的采煤工艺遗留在采空区的浮煤较少，而且没有给遗留浮煤中瓦斯解吸、游离的时间就经过后部运输机输送到皮带上而运到地面。2022/11/242022/11/24从大隆矿、大兴矿普通综采、综采放顶煤开采的4个工作面分别对比情况看出，对于同样赋存条件的煤层，普通综采的煤炭回采率仅为30%以上，大量的煤炭遗留在采空区内，这不仅是煤炭资源的浪费，而且给瓦斯治理、自然发火的综合防治造成很大的困难，甚至遗留下隐患。这样的采煤工作面不仅在瓦斯抽放难度上增加，而且配风量也要增大，老塘采空区的漏风范围、氧化范围也扩大，煤炭自然发火期缩短；相反综采放顶煤开采技术，其煤炭回采率高达85%以上，甚至更高，在采空区基本不遗留浮煤，没有给落煤中吸附CH4解吸、游离、氧化的时间，自然也消除了隐患。2022/11/24老虎台是一座“水、火、瓦斯、煤尘、冲击地压、煤与瓦斯突出”六害俱全的百年老矿，矿井开采的是平均厚度58m的易燃煤层，煤层自然发火期1-3个月，最短13天，自然发火一直是威胁矿井安全生产的主要灾害。上世纪九十年代以前，老虎台一直采用倾斜分层炮采水运水砂充填“V”型工作面采煤法开采，从九十年代初开始进行综合机械化放顶采煤法开采特厚煤层试验，随着综合机械化放顶采煤法开采特厚煤层试验的成功，到2001初，矿井全部实现了综合机械化放顶采煤法开采。3.33.3 老虎台矿综放工作面的安全高效开采老虎台矿综放工作面的安全高效开采2022/11/24近年来，已经进入原生煤体二、三分层开采。随着综合机械化放顶采煤法的应用，矿井自然发火的发火原因及部位同以往炮采时相比较也发生了很大变化，防治上也更加困难，在防治手段和方法上，也在不断的更新，总结更多的方法和经验。老虎台从1995年至今，共发火250次，自然发火情况如表4。2022/11/242022/11/24老虎台采用综合机械化放顶煤后退式采煤法，工作面80-200米，现已进入是二分层、三分层及段间煤柱开采，工作面采用“U”型通风方式，瓦斯治理上主要以尾巷抽采为主，风排为辅，并辅以上幅及邻近旧区抽采，月推进度30米以上；2004年以后，加强综放开采的防火措施的落实，并在实践中不断的完善，使防火技术在综放开采中得到应用，并取得了很好的效果，两线、两巷、两点、两区杜绝了自然发火事故，实现了综放工作面的安全高效开采。2022/11/243.3.13.3.1 老虎台综放面“两线、两巷、两点、两区”防火工作是一项积极的、科学的、综合的、庞大的系统工程，方方面面必须统筹兼顾，要重视每一个细节；必须明晰主次矛盾；在借鉴以往经验，建立、制定有效的专项技术措施且持之以恒的贯彻落实、实施。3.3.23.3.2 火灾预防的治理技术经验及实施措施的科学合理选择是综放面防火的重要保障。本课题充分吸取了综放面“两线、两巷、两点、两区”自然发火事故的教训，并及时总结、借鉴以往经验，作为综放面防火技术成功实践，指导老虎台综放开采的防火工作。2022/11/243.3.33.3.3 综放面的防火工作，要以防为主，治理为辅，着重是超前的、细致的基础工作。重点是处理好通风与防火、瓦斯与防火、抽放与防火的关系，综合考虑分层开采旧区、旧巷漏风因素。3.3.43.3.4 各项防火技术要灵活运用，结合不同的地质条件和客观因素，要明晰采区与旧区、旧巷的关系，考虑矿井压力、抽放压力和大气压力在综放面瓦斯治理与防火的关系，建立采空区瓦斯防火的理念，并可以再进一步的量化。2022/11/24老虎台自然发火矿井，发火期最短13天。从2003年9月至今，不断总结综放面开采防火的经验及教训，制定详细的防火技术措施，并严格的贯彻落实，杜绝了冒烟发火事故，杜绝冒烟发火事故周期已长达9年，创特厚煤层易自然发火矿井最长周期。2022/11/24铁法煤业集团公司、抚顺矿业集团公司多少年来，在瓦斯治理上，一直坚持“以抽为主、风排为辅”的理念，优化通风系统网络，力求简单化，以降低矿井通风阻力与通风负压，采煤工作面瓦斯抽采率达到65%以上，有的工作面高达90%以上，大大降低了工作面的配风量，不但瓦斯得到了有效控制，而且采煤工作面采空区三带漏风幅度也得到了抑制，取得了事半功倍之效。附表5是铁法煤业集团公司大兴矿、大隆矿、抚顺矿业集团公司老虎台矿三矿通风参数对比。3.4 3.4 大兴矿、大隆矿、老虎台矿三个矿井通风情况对比大兴矿、大隆矿、老虎台矿三个矿井通风情况对比2022/11/24附表6是铁法煤业集团公司大兴矿、大隆矿、抚顺矿业集团公司老虎台矿三矿现有综采工作面配风量、瓦斯抽采量、抽采率等参数情况对比。2022/11/24附表6是铁法煤业集团公司大兴矿、大隆矿、抚顺矿业集团公司老虎台矿三矿现有综采工作面配风量、瓦斯抽采量、抽采率等参数情况对比。结 语2022/11/24煤炭工业的安全生产形势仍然是严峻的，安全工作涉及到人的行为、物的状态、环境的协调、管理的水平，采煤工作面也是每一个矿井必有的井下作业场所，其安全程度除考虑上述四个方面外，最重要的还是要从工作面设计、设备选择的源头抓起，选择合适的开采技术方法，中厚以上的煤层（3.5m以上）要尽量选择一次性采全高的大功率综采机组或综采放顶煤开采机组，以保证工作面在防治瓦斯、防自然发火、防治水、防矿震、防治冲击地压等方面的安全生产。作 者 简 介 2022/11/24李国君，李国君，男，1964年6月18日生，汉族，辽宁省法库县人。1988年7月毕业于中国矿业大学采矿系，研究生学历，工学博士学位；教授、研究员级高级工程师。中共党员,辽宁省委党校2007年秋季中青班学员，获毕业证书。曾8次出国，分别两次赴美国、两次赴日本、一次赴加拿大、两次赴澳大利亚、一次赴蒙古国及俄罗斯培训、学习、研修、考察，其中2001年9月至11月在美国康涅狄格州州立大学MBA课程培训学习。国家中长期科学和技术发展规划纲要（20062020年）“大型油气田及煤层气开发”重大专项实施方案论证委员会专家组成员,中国煤炭工业技术委员会委员，中国煤炭工业劳动保护科技学会矿井通风专业委员会、瓦斯防治专业委员会副主任委员，煤层气专委会委员；辽宁工程技术大学兼职教授、中国矿业大学、辽宁工程技术大学博士生导师；中国煤层气、煤炭科学技术、煤矿安全杂志编委；辽宁省百千万人才工程百人层次入选者；辽宁省工程系列教授研究员级高级专业技术职务任职资格评审委员会评委；辽宁省煤炭行业协会副会长。截至目前，参与完成的课题、科研项目、技术改造、专家论证会共86项。本人主持、参与的获奖项目25项，其中，省部级科技成果获奖项目一等奖4项、二等奖8项、三等奖3项；参与编写各类出版物7部；公开发表论文70篇，其中参加国际学术会议14次，发表论文16篇。现任抚顺矿业集团有限责任公司总工程师。现任抚顺矿业集团有限责任公司总工程师。谢谢大家！谢谢大家！恳请各位专家批评指正！恳请各位专家批评指正！2022/11/24