中煤公司大同北辛窑矿11号煤层破坏资源复采可行性研究

中煤公司大同北辛窑矿11号煤层破坏资源

复采可行性研究

中煤公司大同北辛窑矿11号煤层破坏资源

复采可行性研究

摘要：为了消除易自燃煤层的自燃危险性，采用分析易自燃煤层的复采可行性分析，和通风保障系统分析，并且建立各种防灭火系统保障煤层安全。

关键词：易自燃;复采；防灭火

The datong coal company north of Michael essien kiln ore 11 coal seam repeated mining destroyed resource feasibility

study

LITAO

(China university of mining safety engineering college safety 08-class 4, jiangsu xuzhou 221116) Abstract: I n order to eliminate the risk of spontaneous combustion seam spontaneous combustion easily, the analysis of coal seam spontaneous combustion to repeated mining feasibility analysis, and ventilation security system analysis, and to establish various fire extinguishing system guarantee the safety of coal seam.

Keywords:Easy to spontaneous combustion; Repeated mining; Fire extinguishing

中图分类号：TD71

中煤公司大同北辛窑煤矿基本情况

北辛窑矿于2009年11月由三家乡镇煤矿：北辛窑煤矿、碾盘沟煤矿、东梁煤矿组合而成。井田东距大同市约33km，北距新荣镇15km。行政规划隶属于大同市新荣区。矿区有简易公路向南4km至白庙处与109国道相接；向北到达新荣镇。交通条件极为便利。

井田面积6.65km，含煤地层为侏罗纪系下统大同组，地层平均厚度189.12km。井田共含煤11层，分别为2、3、4、7、8、9、10-11、12、13、14、15号煤层。其中可采煤层8层，即2、3、4、7、11、12、13、14号煤层。煤层总厚度为11.03m含煤系数7.30%。

11号煤层：为本矿主采煤层之一，上距9号煤层19.30~26.18m，平均22.41m，赋存于全井田，并可采，煤层厚4.32~5.80m，平均5014m，常含一层夹矸，可采性指数100%煤层变异指数28%，该煤层属于稳定性煤层，顶板为粉砂岩、细砂岩，底板为粉砂岩，细砂岩。

矿井开采情况

北辛窑矿11号煤层全部采空，井田部12号煤层已采空，由于层间距小，两层采空区相互蹋通。11号煤层采空区内浮煤较多，普遍存在火区，各盘曲之间普遍有穿通现象。

东部11号煤层下面12号层未采。工作面采用前进式布置。工作面采用后退式刀柱采煤法，爆破法落煤，人工装煤，1吨U型矿车，工作面长度50m。刀间距为13m，采宽为8m，留5m煤柱，煤层厚度4-5m，采高3.5m一般留1m煤顶，顺槽间煤柱16m，在工作面退的过程中顺槽煤柱也随着进行刷帮，最终顺槽煤层厚度不足8m,但顺槽间贯通密闭保留，有时有顶板压力密闭压垮。盘区大巷正副巷间煤柱一般为20m，在退出时正副巷间密闭逐个打开压顶刷帮，每隔13m正副巷间打一横贯，采宽8m，留5m煤柱，采高一般为3.5m，留煤顶，特殊情况，如顶板好，有时也将顶煤采出。目前所有采空区都处于封闭状态。周围相邻矿井之间都有贯通现象。目前所有采空区都处于封闭状态，如果有采区漏风，过不了几天便会有CO气体流出。

北辛窑11号煤层可采储量计算

储量计算依据

1)原碾盘矿已完全报废，不考虑碾盘矿的复采问题。

2)原北辛窑矿72.6维度线以西因小煤窑开采及火区等原因，未计算复采储量。

3)火区范围煤量启封后应有部分可采，但考虑到种种不确定因素及一定的富余量，因

此按不可采煤量计算。

4)原北辛窑矿11#煤层厚度在5.5m左右，原东梁矿11#煤层厚度在2.5m左右，煤量计

算中按北辛窑矿5m、原东梁矿2m计算。

5)原小煤窑已经采部分计算：原小煤窑开采方法为刀柱式采煤法，采高为3.5m，房宽

8m左右。柱宽5m左右，回采率在40%左右。考虑小煤窑开采的不规范性与一定的富余量，回采率按60%计算。

6)火区损失量、已采出量和巷道损失量分别求得。

储量计算

原北辛窑煤矿储量计算结果为

1)新北辛窑11号煤层原始储量： 984.6万吨

2)新北辛窑11号煤层火区损失量： 206.1万吨

3)新北辛窑11号煤层已采储量： 229万吨

4)新北辛窑11号煤层巷道损失量： 78万吨

5)新北辛窑11号煤层剩余储量： 471.5万吨

根据储量计算结果可知：新北辛窑11号煤层虽然经历小煤窑的开采，但尚余煤量471.5万吨。如果直接开采12号煤层，采空区开采塌陷后，11号煤层将无法进行开采，则这么多的煤炭资源将会白白浪费，根据目前的开采技术和条件，采空区的复采安全是完全可以得到保障的。考虑到11#煤层复采的难度、小煤窑开采时的不规范性、陷落性、可能出现的一些特殊情况以及复采回采率较低等原因，则11#煤层可采储量为180万吨左右，相当于新北窑矿2年的设计年产量。

同时，由于北辛窑矿火区和水区较多，如果在本层进行火区和水区的治理工作，无论是从技术上还是从经济上都比从地面或者穿层治理要简单和经济有效。因此，11#煤层的复采，无论是从资源的回收还是从灾害的治理都是有利的。

北辛窑11号煤层复采采煤方法可行性分析

北辛窑11号煤层复采分析

北辛窑11号煤层全部采空，井田部12#煤层已经采空，由于层间距小，两层采空区相互塌通。11#层采空区残浮煤较多，普遍存在火区，各盘区普遍存在穿通现象。

原小矿开采时，工作面采用后退时刀柱采煤法，爆破落煤。工作面走向长度50m。刀间距13m，采宽为8m，留5m煤柱，采高3.5m，顺槽间煤柱16m，在工作面后退的过程中顺槽煤柱也随着进行刷帮，顺槽最终煤层厚度不足8m，但是顺槽间横贯密闭保留。

由于刀柱式开采边界的不确定性、11#与12#煤层层位关系复杂、11#煤层存在大量空洞和老巷，应力集中、围岩破坏，如不对11#煤层进行复采，不仅会造成煤炭资源的大量浪费，而且会对下一步12#煤层开采造成安全隐患，造成12#煤层应力集中和自然发火危险，迫切需要随该区域的资源条件、采空区分布、围岩条件、生产系统等进行系统分析和论证，提出相应的开采技术方案和安全保障措施。

残采区煤柱的赋存特性决定了其开采使用的大型综采设备和现有的工艺装备有一定的困难，并且现场技术管理也有难度。由于边角煤和受才懂破坏的残煤几何尺寸和赋存条件的个异性，采用的开采方式也千差万别，应根据具体条件灵活应用，国内常用的边角煤开采工艺方式包括：

神东集团采煤工作面以长壁综采为主。同时，对矿井、盘区的边界区域，构造附近以及大巷煤柱等不能布置长壁综采地段资源回收探索采用房柱开采，提高资源才出率。先后使用了煤柱支撑房柱式采煤法、使用两台支柱线性采煤法和使用四台线性支架全部跨落发房采工艺等不同的连采房柱式采煤法共采出煤炭近5000余万吨。

中煤平朔公司正在探索对小煤窑的穿采区域采用高水充填材料、发泡材料充填方法充填老空区空洞，控制围岩垮落，实现综采放顶煤工作面的连续推进。

北辛窑煤矿在长期的开采过程中形成了大量的边角区，特别是在矿井11#煤层东部有大量的刀柱式开采采空区域，残留大量刀柱和大量顶底煤，开采厚度和范围变化大，采空区长期封闭，存在大量有毒有害气体和积水。因此，应立项加强对北辛窑煤业有限责任公司11#煤层煤炭资源条件、采空区、煤柱分布等地研究，根据具体的煤炭资源状况，提出合理的采空区区域煤层的机械化开采技术方案、巷道布置方案、工作面围岩的控制技术、通风系统改造和防灭火技术等，提高边角煤采出的安全高效性有重要的理论意义，同时可为山西等地的煤炭资源整合提高矿井的机械化程度、提高煤炭资源的采出率提供样板。

新北辛窑11号煤层复采的采煤方法分析：

由于11#煤层的工作面原先采用后退式刀柱采煤法，根据11#已经开采的情况，建议复采采用短壁采煤法。

短壁采煤法

短壁采煤法的基本特点及应用情况

短壁采煤法是株式采煤法的总称，一般以短工工作面采煤为主要标志。短壁采煤法包括：房柱采煤法、巷柱采煤法及在特定条件下地短壁采煤法，根据不同的矿山地质条件和开采技术条件，每类采煤方法又有很多种变化。

房柱及房柱式采煤法的实质是在煤层内开掘一系列宽为5~7m的煤房，煤房间用联络巷相连，形成近似于长条形的煤柱，煤柱宽度由数米到数十米不等。回采在煤房中进行。煤柱可根据条件留下开采。

巷柱式采煤法的实质，是在采区的范围内，首先开掘大量沿走向及倾斜的航道，将煤层切割较大的方形或矩形煤柱，然后有计划的回采这些煤柱。随着机械化水平的不断提高和连续采煤机的应用，巷道面积不断变大，巷与房已经无差别。因此，典型的房柱体系短壁采煤法主要指的是房柱式采煤法，及上述三种采煤方法的总称。

在美国房柱式采煤法在美国、澳大利亚、加拿大、印度、南非等国家获得广泛的应用。美国经过多年对机械化采煤设备的不断改进，已经形成一套适应房柱式采煤法的已连续采煤机为中心的设备体系。

短壁采煤法的主要优缺点及使用条件

1)短壁采煤法的主要优点有：

a，设备投资收。

b，采掘合一，建设期短，出煤快。

c，设备运转灵活，搬迁快。

d，巷道压力小，便于维护，出矸量少。

e，全员效率较高。

2)短壁采煤法的主要缺点：

a，采出率低

b，通风条件差

3)短壁采煤法的使用条件：

a，埋藏深度较浅的煤层

b，煤厚适中，赋存极为稳定的煤层

c，进水平煤层

d，顶板中等稳定，底板不易软化的煤层

e，井田范围内不适宜布置综采工作面的边角煤块段

短壁采煤法开采方案

按留设煤柱起得作用，可分为：

1)部分开采方式—煤柱起永久支撑作用，用以支撑上面岩层，留设煤柱尺寸根据具体情况

而定。

2)全部回采方式—回收煤柱时，有时局部留有小煤柱，小煤柱起暂时支撑作用，以利安全

采煤。回采后，小煤柱随即被压垮，顶板及上覆岩层相继冒洛。

按是否回收房间煤柱，可分为：

1)房式——不回收房间煤柱

2)房柱式——回收房间煤柱

按工作面布置及顶板管理方式，可分为：

1)房柱式

2)短壁式

前进需要进行的工作

现场调研-——制定复采方案——确定复采工作面开采的采煤方法——工作面设备选型与配套——经济效果分析——数值模拟计算——顶板管理及安全措施。

具体内容如下：

1)厚煤层上分层采用刀柱式开采后下分层煤体及围岩的力学特征和围岩结构特征研究;

2)上分层采用刀柱式开采后下分层煤体所处的应力场特征研究；

3)上分层采用刀柱式开采后，采用短壁综采方式回收下分层时的矿压特征研究；

4)11#层复采设计：确定适宜复采工作面开采的采煤方法、巷道布置、通风系统、回收煤

柱的采煤方法，巷道布置，通风系统、工作面设备选型与配套、顶板支护管理、煤的自燃与防尘等安全技术措施。形成一套较为完善的新北辛窑11号煤层复采回收采空区残留煤体的设计说明书及技术方法；

5)经济效益的估算

新北辛窑11号煤层的通风系统保障分析

1)进行通风系统优化设计，提高矿井抗灾能力

通过通风系统测定、漏风测定、井巷通风压能测定分析等方法，对北辛窑矿的通风系统进行优化设计，确定最佳的工作面通风风量与最佳的通风阻力分布以最大限度的控制和减少漏风。

2)建立远程通风控制系统，实现快速启闭井巷风路

老空巷复采具有一定的危险性和不确定性，特别对于北辛窑矿火灾区多范围大地具体条件，建立快速启封井巷风路的远程自动通风控制系统，对于保证矿井的安全生产，具有重要意义。

3)建立区域或局部均压调控风系统

a，控制器具有安全标志和防爆合格证并获得国家应用新型专利

b，系统具有井下自动控制和地面远程控制的双功能

c，系统具有远程双向功能，具有介质选用光纤，避免电磁信号的影响

d，救灾过程中，井下停电后整套系统可以持续工作2.5h以上

e，地面监控中心具有监测井下救灾门开关状态的人机界面显示，在救灾过程中具有远程控制功能

f，系统采用电控气动对开式防夹救灾门

建立区域或局部快速均压调控风系统

在11#煤层中进行采掘作业，最关键的是防止采空区煤炭自燃或老火区的复燃，一旦出现煤炭自燃的征兆，必须迅速采取快速有效地防灭火技术措施，在最短的时间内将其控制和扑灭于萌芽阶段。

均压系统包括开区均压和闭区均压，均压的措施有很多，但在确定使用何种措施时必须掌握以下几个基本参数：

1)掌握火区或者可能发火的区域周围有关巷道的通风压力和风量分布状况，绘制出通风网

络图或者压能图。

2)找出可能通向火区或者发火区的漏风通道，并确定主要漏风通道。

3)对有关巷道的通风设施要有全面的了解。

4)找出确定作用于主要风道的自燃风压及火压大小的有关参数

北辛窑矿11#煤层复采的防灭火保障系统分析

11#煤层火区启封的安全保障系统

11#煤层火区多范围大，进行作业是首先遇到的问题就是要打开采空区和启封火灾去，启封火灾区是一项危险地工作，一定要谨慎从事。

启封火区的方法有两种：通风气封和闭封启封

1)通风启封

使用条件：火区范围不大，确认火区火源已经熄灭。

方法：首先打开一个回风侧防火墙，过一段时间后再打开一个入风侧防火墙。带火灾气体排放一定时间后，如无异常现象再打开其余防火墙。

2)锁风启封

适用条件：火区范围大，火源是否熄灭难以确定、高瓦斯矿井。

方法：首先在将打开的防火墙外侧5-6m处构筑一道带风门的防火墙，形成封闭空间，然后打开原防火墙，救护队进入探查火源，确认一定地段无火源后，再选择地点进行建立临时防火墙，恢复通风。逐渐启封。

北辛窑矿火区的启封适宜采区锁风起风方式好，为确保启封后的安全性，在进行火区启封作业的同时。应准备好至少一种或多种综合防灭火措施。

建立火区探测及煤炭自燃预测预报系统

北辛窑矿煤炭自燃发火严重，11#煤层采空区火灾较多，因此，必须建立火灾探测及煤炭自燃预测预报系统以确保矿井的安全生产。

火区的探测及自燃预测预报系统为气相色谱仪

建立完善的黄泥灌浆防灭火系统

概述

黄泥灌浆防灭火就是将不燃性注浆材料细粒化后与水按一定比例配置成悬浮液，利用静压或动压，经由钻孔或者灌浆管路水力输送至矿井防灭火区，阻止煤炭氧化或者扑灭已经自燃的煤体。

注浆所起的作用：

1)包裹煤体，隔绝煤与空气得接触，防止氧化

2)加强采空区的致密性，防止漏风

3)冷却已经发热的煤体与围岩，降低温度

黄泥灌浆防灭火技术在大同北辛窑矿的实施包含两大内容：

1)矿井正常生产时的灌浆灭火技术措施

在矿井生产后，工作面正常生产时，需要建立黄泥灌浆防灭火系统进行日常的灌浆防灭火工作。

2)采前预灌灭火技术措施

针对大北辛窑矿的具体情况，11#煤层采空区老火区分布情况较广，且火区较活跃。因此，必须进行采前预灌工作，尤其对矿井投产出期影响较大的F4、F10和F12火区，必须进行采前的灭火工作。

黄泥灌浆防灭火系统设计内容包括：

1)灌浆量计算

2)灌浆管道系统设计

3)灌浆方法确定

4)灌浆泵设计

5)水枪设计

6)灌浆站及主要设施设计

灌浆方法的确定

1)采前灌浆

即时尚未开采先进行灌浆。这种灌浆方法是针对开采老窑多、易自燃。特厚煤层发展起来的。北辛窑矿火灾区复杂，采空区多，可以采用地面或者井下钻孔方式进行灌浆灭火。

2)随采随灌

随着回采工作面的推进，同时向采空区灌浆。其作用一是防止遗留在采空区的浮煤自燃；二是交结顶板冒落的岩石，形成再生顶板，为下分层开采创造条件。另外，还具有防尘降温的作用。

3)采后灌浆

灌浆站及主要设备组成：由储土场、灌浆输送皮带、连续式定量注浆、过滤搅拌、灌浆量计算、输浆管网系统等部分组成。

建立三相泡沫防灭火系统

概述：

三项泡沫是由固态不燃物、液态不燃物、气态不燃物组成。该项技术对煤田火灾，浅地表火灾效果显著，利用地面打钻的方式也已经成功地扑灭朔州安太堡特大面积地表火灾。

三相泡沫发生装置

中国矿业大学通过对发泡的动力学研究分析，发明了三相泡沫发泡装置，研制了可以实现流量无极调节的发泡剂添加泵。

灌注三相泡沫的参数

1)三相泡沫主要技术参数

2)发泡数大于30倍，稳定时间高于8小时

3)水土比为4：1

4)每台发泡器额定流量为25m3/h

5)耗浆量12 m3/h

6)氮气机的气量应该不小于360 m3/h

7)发泡器进口压力不小于0.2MPa

8)三相泡沫产生量360 m3/h

9)发泡剂比例0.3%~0.5%

三相泡沫工艺流程

1)浆液的制备

2)地面有多个注浆池

3)地面只有一个注浆池

4)气体

灌注三相泡沫注意事项

1)黄泥浆的水土比例为4:1,

2)发泡剂放置位置距离灌浆地点在20m~30m之间

3)灌浆前检查整套设备是否连接好

4)发泡剂定量添加泵使用前要预先向抽取发泡剂的1寸胶管里灌满水，然后再开泵‘

5)每次注浆前都要观察发泡效果

6)当发泡受阻时，应首先关掉发泡剂泵，然后拆卸发泡器并且清理和维修完毕

7)当停止三相泡沫时，应立即关掉发泡剂泵的开关

建立注氮防灭火系统

注氮防灭火概述

1)氮气灭火原理

氮气注入采空区后具有降低氧气浓度的作用。还具有冷却降温的作用。

2)注氮防灭火要求的矿用基本资料：

●应该有完整的矿井开拓，开采图，通风系统图及注氮管路系统图

●新建矿井应该有所有煤层、拟采水平和不同地质构造区域煤的自燃倾向性报告。

●生产矿井有历年发火情况资料

●生产工作面作业规程

●与工作面或者火区相关的巷道系统及漏风状况分析

●矿井通风阻力测定与分析资料

注氮防灭火工艺与方法

根据矿井具体条件，可以采用埋管注氮、托管注氮、钻孔注氮、插管注氮和密闭注氮等工艺

注氮防灭火设备

目前分离空气制取氧气和氮气有3种工艺方法：

深冷空分法；

碳分子筛变压吸附法；

膜分离法

注氮量计算

●工作面注氮量计算QN=60KQ0

●氮气纯度

向火区注入的氮气纯度不雅不应低于97%

●供氮压力

管路末端压力不低于0.2MP

注氮防灭火管理

1)注氮防灭火效果考察：

——注氮前、后采空区三代的变化

——注氮量、注氮扩散半径、注氮口移动步距等

2)《煤矿安全规程》第238条规定

a)氮气源稳定可靠

b)注入的氮气浓度不小于97%

c)至少有一套专用的氮气输送管路系统及其附属安全设施

d)又能连续监控采空区气体成分变化的检测系统

e)有固定的或者移动的温度观测站和检测手段

f)有专人定期进行检测、分析和整理有关记录、发现问题及时报告处理规章制度。

3)注氮安全措施及管理

4)制定建立防灭火台账

5)建立完善的火灾监控系统

6)注氮防灭火方案必须由批准部门负责组织验收

参考文献

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