第37卷第9期煤炭科学技术V ol137N o19 2009年9月Coal Science and Techno logy Sep.t2009张集煤矿采空区瓦斯治理与利用技术王康健,李应辉,江东明(淮南矿业(集团)有限责任公司张集煤矿,安徽凤台232174)摘要:针对张集煤矿前进式开采方式采空区瓦斯治理难点,结合该矿井采空区瓦斯涌出特征,采取采空区控制性抽采的新型瓦斯治理方式,消除了因气候条件变化造成采空区瓦斯涌出的威胁。
并根据矿井瓦斯利用需要,通过对矿井瓦斯抽采系统进行优化布置,建立完善的采空区瓦斯抽采和防火预测预报体系,对采空区高浓度瓦斯加以利用,既消除了采空区瓦斯涌出和自然发火威胁,同时充分利用瓦斯资源,实现煤与瓦斯共采,为矿井采空区瓦斯治理积累了经验。
关键词:采空区;自然发火;瓦斯发电;防火中图分类号:TD712167文献标志码:A文章编号:0253-2336(2009)09-0065-03 Goaf Gas Control and U tili zati on T echnol ogy i n Zhangji CoalM i n eWANG K ang-jian,LI Ying-hu,i JI A NG Dong-m i n g(Zhang ji Coa lM i ne,Hua i nan Coa lM i n i ng G roup C orpora ti on L t d.,F e ng t a i232174,Ch i na)Ab strac t:A cco rding to the difficulties o f goa f gas control in t he advancedm i n i ng face o f t he m i ne,in co m bined w it h the goaf gas e m issi on feature s in t he m i ne,a ne w gas controlm ode w it h t he go af gas con tro ll ed drainage wa s adopt ed t o e li m i na t e t he goaf gas e m ission dangers due to t he cli m ate condition va ri ed.Based on t he m ine gas u tiliza tion require m en,t an opti m ized layou t was conduc t ed f o r t he m ine g as drainage s y st em and an i mproved gas drainage and fire predic tion and pre-w arn i ng s y st em w as estab lished for t he m i ne goa.f The utilizati on o f t he hi gh density gas in the goaf w ou l d no t onl y eli m inate t he gas e m issi on and s pontaneous co m bustion dange rs in t he goa,f bu t cou l d full y utilize the g as resources.T he coa l and ga sm i n i ng j o i n tly cou l d prov i de t he rich experiences to contro l t he gas in t he goa.fK ey word s:goa;f spon taneous combusti on;ga s-fired pow er generation;fire prevention1矿井概况张集煤矿位于安徽省淮南市凤台县城西北约20km处,是安徽省首座年产千万吨的特大型现代化矿井,是国家/九五0重点建设项目,也是全国煤炭基建管理体制改革试点矿井之一,2005年11月被列为国家瓦斯综合治理试验基地。
该矿井井田东西走向长约12km,南北倾斜宽约9km,面积约71km2,可采煤层有5层,可采总厚度21108 m,矿井总储量为15148亿,t可采储量为513亿t。
煤层瓦斯含量约6m3/,t煤层具有自然发火倾向性,自然发火期3~6个月。
该矿井由中央区、北区和风井区组成,为新型的/一矿三区0管理模式。
中央区于1996年7月1日开工建设,2001年11月8日正式投产,年设计能力400万,t经过技改升级后,矿井综合生产能力核定为700万t/a。
北区属张集煤矿二期工程,2003年7月1日开工, 2006年9月26日通过验收,设计能力300万t/a,系统生产能力600万t/a。
风井区安全工程于2006年2月16日开始进点施工,将于2009年10月5日首采面出煤,基本具备联合试运转条件,届时整个矿井年生产能力将达到1300万t。
2瓦斯抽采及利用情况该矿北区及风井区暂未安装瓦斯利用设备,中央区安装了6台瓦斯抽放泵,其中2台2BE1-605型水环式真空泵,额定流量为192m3/m i n;1台2BE1-705型水环式真空泵素养。
额定流量362 m3/m in;3台2BEY-72型水环式真空泵,额定流量为533m3/m in。
经过2次扩容改造后,井下安装共有3套相对独立的管网系统,年瓦斯抽采量为1800万m3以上,抽采率达50%。
中央区地面瓦斯利用发电站于2005年11月建成并具备运转条件,配备有2台TB G620V16K型瓦斯发电机组,年利用瓦斯能力750万m3以上。
由于供气浓度达不到规定,2005年和2006年未能实65DOI：10.13199/j.cst.2009.09.70.wangkj.0272009年第9期煤炭科学技术第37卷现瓦斯利用发电,造成此情况的主要原因如下。
1)在当前矿井瓦斯抽采技术水平上,根据5煤矿安全规程6第148条规定:利用瓦斯时,瓦斯体积分数不得低于30%。
各抽采地点瓦斯抽采浓度较低,而瓦斯地面混合体积分数在20%以下,因此不符合瓦斯利用要求。
2)虽然该采空区瓦斯浓度高,均在80%以上,可在矿井初期瓦斯治理设计上,仅满足矿井安全生产的需要,并未考虑到瓦斯利用。
因此,井下抽采管网系统布置比较简单,未能实现高、低浓度分开抽采,配抽难度大。
3)对该采空区控制性抽采技术不成熟,不能解决抽采造成向采空区漏风自燃的问题。
受采空区自然发火威胁,从矿井安全考虑,不主张对采空区进行配气抽采。
3采空区自然发火防治技术311采空区自然发火征兆分析该矿井配备有GC4085型矿井气体多点参数色谱自动分析仪,应用气相色谱分析技术对采空区自燃升温过程中多种气体产物进行分析,预测煤层自然发火过程。
主要采用以一氧化碳(CO),乙烯(C2H4),乙炔(C2H2)为标志性气体作为预测煤层自燃过程的主要指标,以此掌握煤层自然发火变化趋势,为自然发火预测预报工作提供了有效的监测手段,指导矿井有针对性地采取相应灭火措施,达到早期预测预报煤层自然发火状态的目的。
1)一氧化碳(密度为1125kg/m3)。
该气体无色、无臭、无刺激性,溶于氨水,难溶于水,有剧毒,其与空气混合能形成爆炸性气体,爆炸下限为1215%,上限7510%。
CO是煤在氧化过程中最早出现的氧化气体产物,贯穿整个煤体氧化过程, CO浓度的升高伴随着自然发火煤体温度的升高,将CO变化趋势作为参考值,以此判断采空区自然发火的态势。
根据长期的管理实践经验,当采空区CO体积分数达到5@10-5时,应对采空区采取防灭火措施。
2)乙烯(密度为1126kg/m3)。
该气体无色、微带香甜味,多量吸入时能引起麻醉,溶于醇和醚,难溶于水,化学性质活泼,其与空气混合能形成爆炸性气体,爆炸下限为310%,上限2910%。
C2H4的出现,表征采空区煤的氧化已进入加速氧化阶段,此时温度已达到113e,若不及时处理,将很快发展到激烈氧化阶段。
此时,必须采取防灭火措施,并对措施效果进行检验。
3)乙炔(密度为1117kg/m3)。
该气体无色、有蒜味、微溶于水,爆炸下限210%,上限8210%,比CH4更具有爆炸性,在雷管等激励下,就能引起爆炸,有麻醉作用和毒性。
采空区遗煤在缓慢氧化阶段和加速氧化阶段不产生该气体,因此,只要检测到该气体的存在,证明采空区温度已接近或达到215e,必须采取有效的防灭火措施,直至没有自然发火危险性。
312采空区防灭火技术目前,该矿井采空区防灭火主要措施有灌浆、注氮和均压等,根据井下各点的实际情况,采取相应的灭火措施,张集煤矿防灭火技术有以下3种。
1)灌浆技术。
矿井地面建有自动灌浆站,灌浆能力为140m3/h,注浆管路连通每个采空区的灌浆控制点。
灌浆技术具有如下特点:¹密封堵漏,可以有效减少系统巷道向采空区漏风,起到隔离的作用;º降低采空区温度,破坏蓄热环境,起到降温灭火的作用。
2)注氮技术。
矿井地面建有注氮车间,配备有2台KYZD-800型PSA空分制氮机和2台SA-5350W-12型螺旋式空气压缩机,注氮能力为1600m3/h。
注氮技术具有见效快,能快速将采空区内气体置换,惰化采空区内气体,阻滞煤体氧化进程的特点。
3)均压技术。
主要通过采取在系统巷道设置临时风墙和风窗等设施来调节采空区内外压差,减少向采空区的漏风量。
该技术简单易操作,稳定性强,能有效控制向采空区漏风的问题。
4采空区瓦斯配气发电可行性分析从该矿井投产到2008年底,中央区共计开采21个工作面,其中有14个工作面布置施工了顶板抽排巷道。
由于矿井为前进式开采模式,采场应力集中,采空区封闭墙和保护煤柱破坏严重,并随着采空区数目的增加,采空区瓦斯涌出异常,时刻威胁着矿井的安全,主要表现在以下3方面:¹采空区封闭墙破坏严重,受气候变化影响,采空区瓦斯涌出异常,造成系统巷道内瓦斯增多,易酿成重大瓦斯事故;º在相邻工作面掘进和回采期间,由于66王康健等:张集煤矿采空区瓦斯治理与利用技术2009年第9期顶板离层和保护煤柱的破坏,在负压通风条件下采空区瓦斯容易向相邻工作面涌出,造成回风流瓦斯增大,严重威胁矿井的安全生产;»因保护煤柱和封闭墙的破坏,向采空区漏风量增大,采空区内的遗煤容易自燃,造成灾害。
结合矿井实际情况,通过控制性抽采的方法,将采空区形成均压或低负压状态。
同时,建立一个完善的采空区防火预测预报体系,可以消除采空区瓦斯涌出和自然发火威胁,并将高浓度瓦斯抽采到地面加以利用,具体方法如下。