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綜采工作面矸石充填技術(shù)初探
摘要：充填采煤法師利用充填材料充填采煤工作面采空區(qū)的巖層控制方法。該方法可以緩和工作面支承壓力產(chǎn)生的礦壓顯現(xiàn)，改善采場合巷道維護狀況，有效減少地表下沉和變形，提高采出率，保護地表建筑物、構(gòu)筑物、生態(tài)環(huán)境和水體。
按向采空區(qū)輸送充填材料的動力不同，充填采煤法分水利充填、機械充填、自溜充填和風(fēng)力充填。
我國早在20世紀(jì)初就開始應(yīng)用水砂充填采煤法，1957年得產(chǎn)量達(dá)到總產(chǎn)量的15.6%，目前水砂充填技術(shù)十分成熟。由于回采工序多，工藝復(fù)雜，充填系統(tǒng)投資大，噸煤充填成本提高等原因，20世紀(jì)70年代以后，應(yīng)用的規(guī)模逐漸減小，目前通過充填方法開采額產(chǎn)量已明顯下降。
自溜充填只適用于急傾斜煤層開采。我國北票臺吉礦，淮南孔集礦、四川中梁山礦曾有過應(yīng)用，其共同特點是用礦車將矸石運至工作面回風(fēng)平巷，并在工作面后方將矸石拋入采空區(qū)。該充填采煤法由于工序多，工效低，目前已少用。
機械矸石充填對充填材料要求不嚴(yán)格，使用設(shè)備也較少，近年來在我國山東礦區(qū)有相當(dāng)多的發(fā)展，并有推廣的趨勢。
充填采煤法可用的充填材料較多，有河沙、矸石、煤粉灰、廢油母頁巖等。由于充填材料耗量大，成本相差較多，又直接影響輸送費用，是決定充填成本的重要因素。充填材料選擇的原則是：數(shù)量和質(zhì)量基本上能滿足充填方法的要求，且價格低廉，便于輸送，有利于安全和當(dāng)?shù)丨h(huán)境。
1引言
“以矸換煤”備受矚目 ,源于其具有極強的現(xiàn)實針對性和迫切的應(yīng)用要求。國土資源部的資料顯示 ,我國每采萬噸煤沉陷土地面積達(dá)四五畝 ,過去 50 a 因采礦沉陷的土地達(dá) 950 萬畝 ,引起的水土流失、土地荒漠化等多種災(zāi)害現(xiàn)象十分嚴(yán)重 ,引發(fā)的農(nóng)民失地現(xiàn)象十分復(fù)雜;今后一個時期 ,我國煤炭開發(fā)集中度將進一步提高 ,土地塌陷問題更為突出。資料還顯示 ,我國矸石積存量已達(dá) 415 Gt ,每年新增矸石
0125 Gt ,占地超過15000公頃 ,約有130多座矸石山常年自燃 ,侵占土地 ,污染環(huán)境 ,且每年排放的污染物 ,正以數(shù)億噸的速度遞增。
顯然 , “以矸換煤”解決了傳統(tǒng)開采工藝造成的生態(tài)與環(huán)境破壞問題 ,實現(xiàn)了資源開發(fā)利用最優(yōu)化和生態(tài)環(huán)境影響最小化 ,值得推崇。但推廣實施“以矸換煤”是一項艱巨而復(fù)雜的任務(wù) ,不可能一蹴而就。
國家政策支持是保障 ,煤企作為是關(guān)鍵。煤企要走上綠色開采新路 ,須解決好“想不想干”和“怎樣干”的問題 ,應(yīng)在以下兩個方面有所突破。觀念是行動的先導(dǎo)。長期以來 ,煤炭開采主要以保證安全、提高回收率、高產(chǎn)高效為目標(biāo) ,而忽視了大規(guī)模開采對耕地、環(huán)境的破壞?！耙皂窊Q煤”是對傳統(tǒng)開采模式的挑戰(zhàn) ,必然與一些老觀念、老做法產(chǎn)生沖突。特別在當(dāng)前 ,煤炭價格節(jié)節(jié)攀升 ,煤炭企業(yè)效益普遍較好 ,易讓一些人滿足于現(xiàn)狀。如果沉迷于慣性思維 ,陶醉于現(xiàn)有效益 ,新礦就不會有“以矸換煤”。資源開發(fā)必須與環(huán)境協(xié)調(diào) ,這是采礦者的責(zé)任。推廣“以矸換煤” ,迫切需要煤企轉(zhuǎn)變觀念 ,增強“與環(huán)境相依 ,與社會同步”的責(zé)任感?！耙皂窊Q煤”說起來容易做起來難 ,難在技術(shù)上。新礦為實現(xiàn)“以矸換煤” ,先后投入數(shù)億元資金搞前期研發(fā) ,經(jīng)過上百人多年公關(guān) ,建立了矸石直接充填置換煤的巖層控制理論 ,發(fā)明了矸石直接充填置換煤的方法、工藝與裝備 ,期間獲得專利技術(shù)30多項。實踐表明 ,技術(shù)創(chuàng)新 ,是實現(xiàn)“以矸換煤”綠色開采的堅強支撐和強大動力。期待更多的煤企 ,面對資源緊缺、環(huán)境污染等現(xiàn)實 ,加快科技創(chuàng)新步伐 ,以科技進步為煤炭礦區(qū)可持續(xù)協(xié)調(diào)發(fā)展 ,開辟出越來越多的綠色路徑。矸石機械充填或風(fēng)力充填采煤法是利用機械或風(fēng)力將充填材料矸石拋入或輸入采空區(qū)的充填采煤法。我國有長期使用水砂充填的經(jīng)驗和成熟的技術(shù), 作為一種適應(yīng)我國國情的資源節(jié)約、環(huán)境友好的 但近年來水砂充填采煤法的應(yīng)用范圍和產(chǎn)量均在減少,隨著對環(huán)境保護的要求日益提高,矸石充填采煤法已有較大的發(fā)展,并不斷完善和發(fā)展,有取代水砂充填 采煤法的趨勢。矸石充填采煤法的優(yōu)點有:
（1） 矸石充填采煤法不僅從根本上解決了我國 “三下 ”壓煤開 采問題,而且用矸石置換出永久煤柱的煤炭資源。因此,矸石充填采煤法為煤炭資源的充分開發(fā)提供了一個新的技術(shù)支持,不僅緩解了我國煤炭資源相對短缺的壓力,而且為煤炭企業(yè)帶來新的利潤增長點。
（ 2） 矸石充填采煤法是一項處理和利用矸石的新思路。該方法可以把煤礦生產(chǎn)中所產(chǎn)生的煤矸石填入井下,實現(xiàn)矸石不上井、地面不建矸石山,從而解決了煤矸石大量堆積帶來的環(huán)境污染問題和土地侵占問題。
（3） 矸石充填采煤法能夠減少煤炭開采引起的地面塌陷,從 土地資源。 而減輕了地面塌陷對地面建筑和耕地的破壞,保護了土地資源。
煤矸石自燃是矸石中碳物質(zhì)燃燒。在煤矸石自燃的過程中，燃燒充分時主要生成CO：，燃不充分時則CO增多。此外還產(chǎn)生游離碳(表現(xiàn)為黑煙)，隨著溫度增高，部分矸石熔融，矸石山空隙減小，供氧出現(xiàn)不足，CO的產(chǎn)生量相對增多。CO由呼吸道進入人體，易與血紅蛋白(Hb)相結(jié)合，生成碳氧血紅蛋白(COnb)，阻礙血紅蛋白向體內(nèi)供氧，引發(fā)人的中樞神經(jīng)系統(tǒng)和酶活性中毒。CO：則大部分進入大氣中，大氣中CO濃度增加，必然會對生態(tài)平衡帶來一定影響，主要是加劇了“溫室效應(yīng)”。煤矸石在燃燒過程中，有機硫化物分解氧化生成s0。S0是無色但具有特殊臭味的刺激性氣體，在人體吸入濃度低時，主要是刺激上呼吸道，引發(fā)氣管炎等呼吸道疾病。煤矸石中的黃鐵礦，在自燃過程中放出硫化氫(Hs)，這是一種對人有強烈刺激的難聞氣體，對人體影響類似SO。煤矸石在運輸、處理和加工過程中產(chǎn)生粉塵，對大氣環(huán)境造成嚴(yán)重污染。此外煤矸石從排放一開始，到風(fēng)化破碎之后較長時間一直慢慢地釋放著它本身帶有的甲烷(CH)，嚴(yán)重污染著大氣。利用井下采空區(qū)處置煤矸石的充填采煤方法，既可以減少煤礦固體廢棄物排放，又可以作為地下結(jié)構(gòu)支撐體，減輕開采沉陷災(zāi)害，提高礦井資源回收率，是實現(xiàn)煤礦綠色開采的關(guān)鍵技術(shù)之一。
近年來，隨著高速動力拋矸機、矸石充填液壓支架等關(guān)鍵設(shè)備的研制成功，長壁工作面高效矸石充填開采工業(yè)性試驗在新汶礦區(qū)取得了初步的成功，為開采沉陷控制提供了一種新方法。本文在簡要介紹長壁工作面矸石充填采煤原理的基礎(chǔ)上，分析了長壁工作面矸石充填開采沉陷機理和過程，提出了矸石充填開采覆巖破壞和地表沉陷的預(yù)測方法；并結(jié)合兗州礦區(qū)某煤礦3 煤采區(qū)地質(zhì)采礦條件，預(yù)測研究了矸石充填開采沉陷控制的效果。
2長壁工作面矸石充填工作原理簡介
2.1長壁綜采工作面矸石充填工作原理簡述
長壁綜采是我國目前中厚煤層或厚煤層分層開采最常用的安全、高效采煤方法。長壁綜采工作面矸石充填開采工藝包括長壁工作面綜采和采空區(qū)矸石充填2部分。綜采工作面采空區(qū)矸石充填是依靠專門研制的矸石充填綜采液壓支架后部的懸掛式矸石充填運輸機來自動完成。充填矸石通過回風(fēng)巷運矸皮帶運至工作面端頭并轉(zhuǎn)載到液壓支架后部的懸掛式矸石充填運輸機上，通過矸石充填運輸機的上刮板向下運輸并向采空區(qū)充填矸石；下刮板向上推平漏矸孔下漏的矸石，并使矸石充填密實、均勻；隨著矸石充填高度的增加，懸掛式矸石填運輸機會隨之上升，并利用其自重對矸石的反作用力來壓實充填矸石[1]。如圖 1 所示。
2.1.1長壁普采或炮采矸石充填工作原理簡介
長壁普采或炮采仍是我國目前應(yīng)用較普遍的采煤工藝，其最主要的特征之一是采用單體支柱和頂梁支護頂板。高速動力拋矸機是實現(xiàn)普采或炮采單體液壓支柱工作面后方采空區(qū)矸石密實充填的關(guān)鍵設(shè)備，可將矸石高速拋入采空區(qū)進行充填理論分析和模擬試驗研究表明[3] ：矸石充填后的密實度與拋矸的初始速度密切相關(guān)。充填矸石在高速沖擊作用下發(fā)生相互碰撞和擠壓，不同粒徑矸石間發(fā)生振動密實作用，可大大增加矸石充填的密實程度。高速動力拋矸機的結(jié)構(gòu)和工作原理如圖2 所示
在工作面回風(fēng)巷敷設(shè)運矸皮帶，在工作面鋪設(shè)一部運煤溜子和一部矸石充填溜子，端頭安置高速拋矸機運煤溜子隨工作面推進前移，矸石充填溜子隨充填而縮短。依據(jù)充填量決定采煤量，可確保充填與采煤一體化作業(yè)[2]。其拋矸充填工藝流程和工作面開采平、剖面布置如圖3 和圖4 所示。
2.1.2 長壁工作面采空區(qū)矸石充填效果分析
當(dāng)采用全垮落法管理頂板時，隨著長壁工作面的推進，采空區(qū)頂板巖層首先在自重應(yīng)力及上覆巖層重力的作用下，產(chǎn)生向下的移動和彎曲，當(dāng)其內(nèi)部應(yīng)力超過巖層的抗拉強度時，直接頂板首先斷裂、破碎并相繼垮落而基本頂巖層則以梁、板形式沿層面法向移動、彎曲，進而產(chǎn)生斷裂、離層。這一過程隨工作面推進不斷重復(fù)直至上覆巖層達(dá)到新的應(yīng)力平衡狀態(tài)，此時在地表形成比采空區(qū)大得多的下沉盆地。從上述分析可以看出，巖層移動的主要原因是煤炭的開采打破了上覆巖體的應(yīng)力平衡狀態(tài)，而垮落巖石的碎脹有效地減小了上覆巖體的下沉空間，是巖層移動停止的關(guān)鍵因素。當(dāng)采用矸石充填采空區(qū)時，充入采空區(qū)的矸石體占據(jù)了采煤形成的大部分空間，限制了頂板垮落下沉量，這是有效控制上覆巖層移動和減輕地表沉陷的主要原因。充填采空區(qū)的矸石體經(jīng)充分壓實后可恢復(fù)其承載能力，相當(dāng)于置換了等厚度的煤層（稱為有效充填厚度）；如同巖層移動后期主要是破碎巖體的壓實和上覆巖體中離層、裂隙的閉合一樣，矸石充填開采巖層移動后期也主要體現(xiàn)為充填體的壓實沉降。
矸石充填后沉陷控制效果的關(guān)鍵在于矸石充填體對上覆巖層移動空間的減小程度。從這一觀點出發(fā)，歸納出影響矸石充填開采覆巖破壞高度的主要因素包括：
充填前頂?shù)装逡平俊㈨肥涮铙w的接頂距離、矸石充填體的相對壓實度、矸石充填體的剩余壓縮率等。下面依次分析各因素對沉陷控制效果的影響。(1) 充填前頂?shù)装逡平颗c長壁工作面回采相比，采空區(qū)充填具有一定的滯后性，此時在礦山壓力的作用下，液壓支架具有一 定的壓縮量，減小了采空區(qū)可供充填的空間高度。依 據(jù)經(jīng)驗近似估計矸石充填區(qū)域的頂?shù)装逡平堪醋钚≈怠?
(2) 矸石充填體接頂距離
矸石屬于散體材料，在水平和緩傾斜煤層條件下， 由于散體材料的流動性以及機械充填條件的限制，充填體與頂板之間總存在一定的距離，這一距離的存在為頂 板進一步斷裂下沉提供了可能。
對于綜采面矸石充填液壓支架設(shè)備來講，接頂距離主要由以下 2 部分構(gòu)成：液壓支架后部頂梁厚度 （約厚200mm）和懸掛式矸石運輸機厚度（約厚 270 mm）。因此從理論上講，矸石充填體的接頂距離最好時可控制在 470 mm 以內(nèi)。根據(jù)新汶礦務(wù)局翟鎮(zhèn)煤礦矸石充填工業(yè)性試驗現(xiàn)場實測，其接頂距約為 500 mm 左右。對于普采面高速拋矸充填工藝，使用高速拋矸皮帶機械充填，拋矸速度可達(dá) 5 m/s 以上，充填接頂實，空隙小，充填效果接近水力充填，遠(yuǎn)好于風(fēng)力充填；其接頂距離可控制在 150 mm 以內(nèi)。
(3) 矸石充填體的相對壓實度
矸石的壓實度反映充入采空區(qū)的矸石的壓實程度，壓實度越大，則矸石充填體的密度越大，在上覆巖層荷載作用下二次壓實量越小。對于傳統(tǒng)的手工矸石充填與風(fēng)力矸石充填來講，由于缺乏壓實的過程，導(dǎo)致矸石初次壓實度較小，在上覆荷載作用下，二次沉陷量大，這也是傳統(tǒng)矸石充填效果不佳的原因之一。用充填矸石液壓支架和自壓式矸石充填機進行采空區(qū)矸石充填，充填第二階段的自充自壓過程增大了石的壓實度，減小了上覆荷載作用下充填體發(fā)生的二次沉降。
(4) 充填矸石體剩余壓縮率
當(dāng)老頂彎曲下沉、直接頂垮落下沉并與矸石充填體接觸后，此時矸石充填體將開始承擔(dān)上覆巖體荷載作用。受上覆荷載作用，矸石充填體將產(chǎn)生進一步的壓縮，其剩余壓縮率取決于矸石材料性質(zhì)、上覆巖層荷載大小和充填矸石的相對壓實度。相對壓實度越高，則剩余壓縮率越小。充填矸石體的剩余壓縮率可以通過現(xiàn)場實測或?qū)嶒炇覝y定得到。在實驗室進行的矸石壓實試驗表明：(1) 軸向應(yīng)力較小時，矸石應(yīng)變增幅很大。隨著應(yīng)力的增加，矸石應(yīng)變增幅趨緩，最后逐漸趨向于穩(wěn)定；(2) 矸石的碎脹系數(shù)隨著軸壓的增加而減??；(3) 在加壓的初始階段，矸石的碎脹系數(shù)減幅較大。隨著軸向應(yīng)力的增加，矸石碎脹系數(shù)減小的速率趨緩，并逐漸趨向于穩(wěn)定。試驗矸石原始碎脹系數(shù)為 1.74．當(dāng)壓力達(dá)到 15 MPa以上時，壓實度可達(dá)到 0.75~0.85 左右。
2.1.3 矸石充填體的有效充填厚度
長壁工作面矸石充填后的有效充填厚度就是充填矸石體在經(jīng)過上覆巖層充分壓實、巖層和地表移動結(jié)束后的剩余厚度。從上面的分析可以看出，近水平煤層條件下矸石充填體的有效充填厚度 M 矸為：
式中：D 為矸石充填體厚度；ρ 為矸石充填體剩余壓縮率。前的頂板下沉、接頂距離和充填體壓實等問題的存在，采空區(qū)上覆巖層仍將產(chǎn)生一定程度的破壞和移動變形，但其覆巖破壞和巖層及地表移動由于矸石充填體的制約而大大減輕。
2.1.4 長壁工作面矸石充填的等效采厚
為分析充填開采覆巖破壞和地表沉陷程度，本文提出 “等效采厚”的概念。即將矸石充填開采后采空區(qū)的剩余空間等價為一個等厚的薄煤層開采后形成的采空區(qū)，這樣就可以應(yīng)用常規(guī)的長壁垮落法覆巖破壞和地表沉陷有關(guān)經(jīng)驗公式進行充填開采的覆巖破壞高度和地表沉陷預(yù)測。長壁工作面矸石充填開采后的等效采厚主要由 3 部分組成：矸石充填前及充填過程中的頂板下沉量、矸石充填接頂距離和矸石的壓縮量；該等效采厚可以用實際采厚與矸石充填體的有效厚度之差進行估計。則矸石充填開采等效采厚
M 等= M - M 矸
式中：M 為實際開采煤厚。
從前述分析可以看出，采空區(qū)矸石充填體的接頂距離和壓縮量是決定矸石充填開采等效采厚的關(guān)鍵要素。因此，采取技術(shù)措施縮小接頂距離和提高矸石充填體密度是進一步改善矸石充填開采沉陷控制效果的主要途徑。
2.2 長壁綜采工作面矸石充填開采覆巖破壞高度控制效果分析
顯而易見，采用矸石充填開采可大幅度降低覆巖導(dǎo)水裂縫帶的高度，可借鑒長壁全部垮落法覆巖破壞規(guī)律的研究成果，結(jié)合等價采厚進行矸石充填導(dǎo)水裂隙帶高度的預(yù)測研究。下面以新汶礦業(yè)集團某煤礦 3 煤采區(qū)為例，分析長壁綜采工作面矸石充填開采覆巖破壞高度和地表移動變形情況。分析中假設(shè)在矸石充填前和充填過程中頂?shù)装逡平繛?100 mm；考慮到現(xiàn)場可能存在部分矸石顆粒過大和現(xiàn)場充填條件的復(fù)雜性，矸石充填體接頂距離按550 mm 考慮；矸石充填體剩余壓縮率取為 17.5%．T301 工作面是該礦 3 煤采區(qū)北部邊界的一個近風(fēng)化帶工作面，工作面走向長240 m ，傾斜長 128 m，煤層底板標(biāo)高-160~ -176 m，最大煤層厚度8.40 m；上覆第 四 系 含 水 松 散 層 平 均 厚 190 m ， 基 巖 厚 度11.74~20.17 m；煤層傾角平緩，平均為 5°．地面標(biāo)高+46.8~+47.6 m，地表主要為農(nóng)田，附近有泗河?xùn)|大堤需要保護。根據(jù)該礦各相鄰工作面開采經(jīng)驗，可采用留設(shè)防砂煤巖柱的辦法進行頂水開采，計劃采用厚煤層分層矸石充填開采方法來研究該工作面留設(shè)防砂煤柱進行開采的可行性。根據(jù)“三下規(guī)程”中給出的中硬覆巖厚煤層分層開采全部垮落法管理頂板時的覆巖垮落帶、導(dǎo)水裂縫帶高度計算公式[4] ，計算出全垮落法開采和矸石充填開采的覆巖破壞高度，如表 1 所示。
從上表對比分析可以看出，若采用長壁分層開采全垮落法管理頂板，即使只開采第一分層，其垮落帶也將非常接近第四系松散層底部，沒有足夠的保護層，潰砂或漏黃泥事故的安全風(fēng)險極大。
若采用矸石充填開采，第一分層開采后垮落帶高度為 6.2 m，其上到第四系底部仍有 5.54~13.97 m 的保護層厚度 （約為等效采厚的 5.83~14.70 倍）；可以滿足 “三下規(guī)程”中留設(shè)防砂安全煤巖柱的設(shè)計要求。結(jié)合新汶礦區(qū)巨厚含水砂層采煤和鄰近礦井的成功經(jīng)驗，可以認(rèn)為在目前條件下，采用矸石充填開采 T301 試采工作面第一分層，是可以保證井下生產(chǎn)安全的，并且具有較高的可靠性。繼續(xù)采用矸石充填開采第二分層后，垮落帶高度將可能增加為 9.2 m，考慮到上方還有近 1.5 m 厚的矸石充填體再生頂板，保護層厚度仍有4.04~12.47 m ，仍可構(gòu)成較完整的防砂安全煤巖柱。繼續(xù)采用矸石充填開采第三分層，其垮落帶將非常接近第四系松散層底部，沒有足夠的保護層，安全風(fēng)險極大，應(yīng)暫放棄開采。
2.3 長壁綜采工作面矸石充填開采地表沉陷控制效果分析
采用新汶礦區(qū)概率積分法參數(shù)計算了綜采矸石充填開采地表移動變形最大值如表 2 所示。
從上表分析可以看出，采用長壁工作面矸石充填后，可以大幅度降低地表沉陷程度。根據(jù)上述分析，采用長壁綜采工作面矸石充填的最終下沉系數(shù)約為0.3 左右，對于長壁工作面全部垮落法開采可減沉 60%左右。
采用同樣的方法，分析得到長壁普采工作面矸石充填的最終下沉系數(shù)約為 0.24 左右，比全部垮落法管理頂板可減沉約 70%．
2.4 結(jié)論
(1) 利用井下采空區(qū)處置煤矸石的充填采煤方法，既可以減少煤礦固體廢棄物排放、又可以充填采空區(qū)， 減輕開采沉陷災(zāi)害、提高礦井資源回收率，是實現(xiàn)煤礦綠色開采的關(guān)鍵技術(shù)之一。隨著高速動力拋矸機、矸石充填液壓支架等關(guān)鍵設(shè)備的研制成功，大大提高了矸石充填采空區(qū)的工作效率，為矸石充填采煤技術(shù)應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。
(2) 長壁工作面矸石充填開采時，充入采空區(qū)的矸石體占據(jù)了采煤形成的大部分空間，限制了頂板垮落下沉量，有效控制上覆巖層移動，減輕地表沉陷。矸石充填體經(jīng)充分壓實后可恢復(fù)其承載能力，相當(dāng)于置換了等厚度的煤層，稱為有效充填厚度；煤層實際開采厚度與矸石有效充填厚度之差就是矸石充填開采的等效采厚。
(3) 影響矸石充填開采等效采厚的主要因素有：矸石充填前和充填過程中的頂?shù)装逡平俊㈨肥涮铙w的接頂距離、矸石充填體的相對壓實度和矸石充填體的剩余壓縮率。采用矸石充填液壓支架后部懸掛式運輸機充填時，矸石充填體的接頂距離一般為 500 mm 左右。對于普采面高速拋矸充填工藝，其接頂距離可控制在 150 mm以內(nèi)。
(4) 矸石充填長壁工作面的覆巖破壞和地表沉陷預(yù)測時，可采用等效采厚直接按長壁全部垮落法預(yù)測模型和參數(shù)進行預(yù)計。采用矸石充填開采可降低覆巖破壞高度約 30%，對于水體下采煤提高開采上限具有實用價值。
(5) 在現(xiàn)有裝備條件下，長壁綜采工作面矸石充填的地表下沉系數(shù)約為 0.3，比全部垮落法管理頂板可減沉 60%；長壁普采工作面拋矸充填的地表下沉系數(shù)約為0.24，比全部垮落法管理頂板可減沉約 70%；可大大減輕地表沉陷災(zāi)害程度。
(6) 采取技術(shù)措施縮小接頂距離和提高矸石充填體密度是進一步改善矸石充填開采沉陷控制效果的主要途徑。
3工作面充填開采的充填比與充填效應(yīng)分析
煤礦開采過程中的安全問題一直是我國煤礦安全生產(chǎn)中一個重中之重的問題，充填或部分充填開采是實施煤礦水資源保護性開采和低透氣性瓦斯卸壓抽放的有力措施之一．在當(dāng)今國家大力提倡資源與環(huán)境協(xié)調(diào)開采的情況下，煤矸石充填開采可以有效減緩煤矸石對環(huán)境的污染；另外，隨著煤礦開采強度的加大，相當(dāng)多礦區(qū)煤炭資源將逐步趨于枯竭，矸石充填煤技術(shù)是針對我國煤礦開采存在的“三下”壓煤問題、煤矸石排放問題和土地資源問題 而開發(fā)出來的綠色采煤技術(shù)之一，這種充填采煤技術(shù)資源采出率高。矸石充填采煤是一種全新的采煤技術(shù)，其采場礦壓和地表沉陷顯現(xiàn)規(guī)律與傳統(tǒng)開采有著顯著的差異f~-s]，故研究充填開采對回采工作面礦山壓力顯現(xiàn)和頂板裂隙發(fā)育高度的影響，必將為 “三下”壓煤開采、水資源保護性開采和低透氣性瓦斯卸壓抽放實踐提供相關(guān)了，理論參考。
3.1充填比的確定
目前，充填開采方式主要有巷道充填、條帶充填和工作面全采全充等三種主要方式，因工作面全采全充可以做到盡量不留煤柱，其應(yīng)是今后 “三下”壓煤開采中首選方案．但是充填比越高，煤炭開采成本也就越高，因此根據(jù)上覆巖層的條件合理確定充填比，可以最大限度地降低充填成本。
解方程式(1)，并代入有關(guān)邊界和連續(xù)條件，可得關(guān)鍵層的最大撓度為
由圖l可知：在同樣的上覆載荷q的作用下，圖1 (b)力學(xué)模型中的關(guān)鍵層較難斷裂，即矸石充填后關(guān)鍵層在觸矸前的最大撓度小于 △Is，則關(guān)鍵層將發(fā)生彎曲緩慢下沉現(xiàn)象，無斷裂構(gòu)造的完整關(guān)鍵層將不會發(fā)生斷裂，從而達(dá)到減少地表不均勻沉降和保水開采的目的。此時最小充填高度為
式中，：開采煤層厚度； ：主關(guān)鍵層下巖層的碎脹系數(shù)；∑h：主關(guān)鍵層下巖層總厚度由式(3)可知，為保證矸石充填效率，充填前直接頂基本完整不垮落，即充填在有支護情況下進行，即保證充填后垮落的矸石可壓實充填矸石，減少關(guān)鍵層下的給定變形量。由文獻(xiàn)[3]知：矸石碎脹系數(shù)在壓應(yīng)力略為0時在1．6～1．8之間，而當(dāng)壓應(yīng)力為20MPa的碎脹系數(shù)在1．21．35之間，其殘余碎脹系數(shù)一般為1．10～1．15之間．因此，充填時的松散矸石在上覆巖層壓實下仍有較大的壓縮空間，對于一個煤層厚度為2m的工作面，若充填厚度為1．5m，則在800m采深情況下，可壓縮空間大約在0．6—0．675之間．為保證主關(guān)鍵層不斷裂，仍需關(guān)鍵層下巖層跨落后碎脹填充，故為保證充填效率，應(yīng)在有支護(直接頂未垮落)情況下充填，以減少關(guān)鍵層下的給定變形量。
3.2 工作面充填開采的數(shù)值模擬
3.2．1 RFAP的基本原理
RFPA是一個以彈性力學(xué)為應(yīng)力分析工具、以彈性損傷理論及其修正后的Coulomb破壞準(zhǔn)則為介質(zhì)變形和破壞分析模塊的巖石破裂過程分析系統(tǒng)．RFPA工作程序由以下3部分工作完成：(1)實體建模和網(wǎng)格剖分，用戶選擇基元類型，定義介質(zhì)的力學(xué)性質(zhì)，進行實體建模及網(wǎng)格剖分；(2)應(yīng)力、應(yīng)變分析，依據(jù)用戶輸入的邊界條件和加載控制參數(shù)，以及輸入的基元性質(zhì)數(shù)據(jù)，形成剛度矩陣，求解并輸出有限元分析結(jié)果(應(yīng)力、節(jié)點位移)；IC3)基元相變分析，運用相變準(zhǔn)則對應(yīng)力計算器產(chǎn)生結(jié)果進行相變判斷，然后對相變基元進行弱化處理，最后形成迭代計算剛度矩陣所需的數(shù)據(jù)文件，對每一步給定位移增量，首先進行應(yīng)力計算，然后根據(jù)相變準(zhǔn)則來檢查模型中是否有相變基元，如果沒有，繼續(xù)加載增加一個位移增量，進行下一步應(yīng)力計算．如果有相變基元，則根據(jù)基元的應(yīng)力狀態(tài)進行剛度弱化處理，然后重新進行當(dāng)前步的應(yīng)力計算，直至沒有新的相變基元出現(xiàn)．重復(fù)上述步驟，直至達(dá)到所施加荷載、變形或整個介質(zhì)產(chǎn)生宏觀破裂6[,7／．RFPA系統(tǒng)運行過程中，對每一步應(yīng)力、應(yīng)變計算采用全量加載，計算步之間相互獨立。
3.2.2 數(shù)值模型的建立及參數(shù)確定
為使模擬結(jié)果盡可能地反映現(xiàn)場實踐，并有條件地指導(dǎo)現(xiàn)場開采實踐，以某礦9號煤層的頂、底板結(jié)構(gòu)為條件建立數(shù)值模型．?dāng)?shù)值模型沿水平方向取 150 m，沿垂直方向取100m，煤層厚度為 1．5m，賦存深度為200m；煤巖層共有14層，劃分為300X200個單元，層與層之間預(yù)設(shè)一些層理．煤層采用長壁式開采直接垮落法和充填法處理采空區(qū)．?dāng)?shù)值模型中煤巖層的力學(xué)特性如表 1．
可以看出：工作面同樣推進84m時，有斷層情況的采動支承壓力峰值范圍明顯增大，且沿斷層帶出現(xiàn)明顯的應(yīng)力升高區(qū)，頂板裂隙帶高度明顯升高；從圖4、圖5可以看出：工作面采用完全垮落法和部分充填法開采的采動支承壓力范圍和頂板裂隙發(fā)育高度變化不大，即在有斷層情況下，工作面充填開采對支承壓力峰值范圍弱化效應(yīng)不明顯．從圖6可以看出，有斷層情況下，工作面采用完全垮落法開采的直接頂初次垮落步距比部分充填法開采的直接頂初次垮落步距明顯要小，完全垮落法時直接頂沿斷層切落，進一步說明充填開采時的采動支承壓力峰值比完全垮落法的采動支承壓力峰值要低。
3.3 結(jié)論
本文根據(jù)現(xiàn)場開采實踐，建立長壁開采工作面充填開采的關(guān)鍵層力學(xué)模型，通過理論分析得到了確保關(guān)鍵層彎曲下沉的最小充填厚度．隨后通過RFPA數(shù)值模擬系統(tǒng)對比分析煤層實施充填開采和完全垮落法開采時的上覆巖層活動規(guī)律，得到了以下結(jié)論：
為保證主關(guān)鍵層不斷裂，仍需關(guān)鍵層下巖層跨落后碎脹填充，故為保證充填效率，應(yīng)在有支護(直接頂未垮落)情況下充填，以減少關(guān)鍵層下的給定變形量。
工作面充填開采使直接頂初次來壓垮落步距明顯增大，但工作面充填開采使采動支承壓力峰值范圍明顯縮小，頂板裂隙帶高度明顯降低，工作面礦山壓力顯現(xiàn)明顯減弱。在有斷層情況下，工作面充填開采對支承壓力峰值范圍弱化效應(yīng)不明顯，采動裂隙沿斷層帶發(fā)育頂板裂隙發(fā)育高度比完全垮落法時變化不大。
對于有斷層情況下的水資源保護性開采和“三下”壓煤開采，在工作面推采接近并采過斷層時，應(yīng)提高充填比保證充填效率，并對斷層進行注漿硬化處理，避免斷層活化。
4 綜采工作面矸石充填技術(shù)分析
4.1 充填系統(tǒng)
綜采工作面矸石充填矸石充填系統(tǒng)主要由翻車機、破碎機、可縮橋式皮帶、充填支架及兩部刮板輸送機組成。7403工作面采用走向長壁后退式采煤、采空區(qū)矸石充填法。工作矸石充填采用液壓支架后懸溜子運矸，矸石通過溜槽卸載孔，自上而下進行采空區(qū)充填，充填過程中可采用卸矸溜槽之間增加普通溜槽的方式，調(diào)整卸矸溜槽底部孔距以保證充填效果。工作面運煤通過采煤機割煤、裝煤，通過面刮板輸送機運煤，接面溜子、皮帶運至七采運輸下山皮帶至七采煤倉，由7403工作面---,7403運輸巷一兩部40T溜子一七采運輸下山一溜煤眼一七采煤倉一一400東大巷一—南石門一主井一地面。矸石運至七采區(qū)運矸上車場，經(jīng)電動翻車機卸載一上矸}留子一2PGL一400×750破碎機一矸石倉一可縮橋式皮帶一7403工作面架后充填溜子一采空區(qū)。見矸石充填系統(tǒng)圖1。采空區(qū)的矸石充填依靠自壓式矸石充填機來自動完成：充填時自壓式矸石充填機的上刮板向下運輸充填矸石；下刮板向上推平漏矸孔下漏的矸石，并使矸石充填密實、均勻。在矸石充填過程中，隨著矸石充填高度的增加，
自壓式矸石充填機會隨之上升，利用矸石充填運輸機對矸石的反作用力來壓實的充填矸石。其充填過程可分為 “自由落體”階段、“自充自壓”階段、“充分壓實”階段。矸石充填工藝是在采面割完兩刀煤后進行，其工藝過程如下：
1．每班按照正規(guī)循環(huán)割兩刀煤 (也即進尺1．2m)，然后停止割煤，移直自壓式矸石充填機的機頭與機尾。檢查充填系統(tǒng)的完好情況，準(zhǔn)備充填工作。
2．首先起動工作面自壓式矸石充填機，然后依次起動7403軌道巷可縮橋式中間驅(qū)動膠帶輸送機、下山轉(zhuǎn)載巷矸石運輸刮板輸送機、轉(zhuǎn)載平巷矸石運輸刮板輸送機、矸石運輸下山膠帶輸送機，進行采空區(qū)矸石充填。
3．充填時采用自壓式矸石充填機機頭向機尾方向依次充填，也即先打開自壓式矸石充填機機頭的第一個插板進行 “自由落體”充填階段、“自充自壓”階段，待此段矸石輸送機升至離支架尾梁200mm時，關(guān)閉第一個插板，打開第二個插板，重復(fù)上述工作，待6個插板全部完成上述兩個階段后，再同時打開全部6個插板，進行 “充分壓實”階段的工作。
(1)“自由落體”充填階段
“自由落體”充填階段矸石由白壓式矸石充填機運至漏矸孔，直接落入刮板下的采空區(qū)。其剖面如圖2所示：
(2) “自充自壓”充填階段
當(dāng)從漏矸孔下落的矸石自然堆積高度至自壓式矸石充填機的溜槽時，自壓式矸石充填機上刮板推移矸石自漏矸孔落下、下刮板向上推平漏矸孔下漏的矸石。在此過程中，下刮板的作用主要在以下方面：
① 矸石在自壓式矸石充填機的自身重力和刮板運動的共同作用下使矸石充填密實，提高了矸石的充填效果；
② ②使矸石向下刮板運行方向鄰近矸石孔移動，擴大了同一漏矸孔的充填范圍。
在此過程中，自壓式矸石充填機表現(xiàn)為因受矸石堆的反作用力，逐步上抬，同時對充填矸石進行初步壓實。矸石充填 “自充自壓”充填階段現(xiàn)場施工效果圖3所示。
待打開的漏充到離支架尾梁200mm時，關(guān)閉第一 個漏矸孔的插板，同時打開第二個插板由下到上依次充填。
(3)“充分壓實”充填階段
當(dāng)最后一個自壓式矸石充填機的漏矸孑L完成 “自充自壓”階段后，打開全部6個自壓式矸石充填機插板，進行最后階段的 “充分壓實”充填階段。此時，自壓式矸石充填機會因充填矸石的反作用力進一步上移，當(dāng)其與支架尾梁完全接觸后，自壓式矸石充填機不再上移，但對下部矸石的作用力進一步加強，使矸石得以充分壓實，同時進一步擴大矸石的充填范圍，實現(xiàn)有效充填空間的完全充滿與壓實。其工作過程示意圖如圖4所示。
采空區(qū)充填完畢后，對當(dāng)班的采空區(qū)充填情況進行檢查記錄，確認(rèn)達(dá)到設(shè)計效果，然后進行下一矸石充填采煤工藝循環(huán)。為控制矸石充填效果，實現(xiàn)矸石充填有效空間的完全充滿與壓實。在矸石充填過程中，應(yīng)做好以下方面的工作。
2） 矸孔插板打開嚴(yán)格執(zhí)行由下到上的順序進行充填，打開插板用力均勻，以防插板變形。
3） 充填過程中，密切注意自壓式矸石充填機運矸量和矸石下漏量的變化，運矸量既不能大，使矸石下漏不完，運到工作面機頭；也不能小，延長充填作業(yè)時問。必要時自壓式矸石充填機需點動運行，以保證充填效果。
4） 注意工作面傾角變化，回采過程中嚴(yán)格順平、順直工作面，確保充填刮板輸送機控制在可彎曲變形范圍之內(nèi)，保證輸送機能夠正常運行。④破碎機要保持正常使用，同時在破碎機后要有專人觀察矸石的破碎程度，要控制矸石破碎在粒徑30 Cm左右，必要時進行輔以人工破碎，以保證采空區(qū)充填效果。
4.2.充填效果分析
翟鎮(zhèn)礦矸石充填模式較之其他的充填模式有如下優(yōu)點
（1）設(shè)備投資少
充填系統(tǒng)所需的綜采支架、顎式破碎機、運輸皮帶、工作面橋式皮帶、工作面斜巷運輸溜子、工作面充填溜子共計1090萬元。新汶礦區(qū)孫村煤礦采用的是從地面鋪設(shè)管道進入采空區(qū)充填，經(jīng)概算，其投資1700多萬。
（2）．工藝簡單
相對于其他充填方法，翟鎮(zhèn)充填模式，不需要風(fēng)力，也不需要水和沙子，更不需要水泥，僅僅是通過架后的充填溜子把破碎后的矸石充填到采空區(qū)，但矸石充填的密實、均勻。相對于風(fēng)力充填來講，降低了工作面的粉塵濃度，為工人提供了一個干凈的環(huán)境。
（3）充填料價格低廉
翟鎮(zhèn)礦充填系統(tǒng)所需的充填材料僅僅是井下巖巷開拓中的矸石和其他礦井廢石，這相對于其它充填方法需要水泥、河沙等充填料來說，大大降低了成本，經(jīng)過概算，翟鎮(zhèn)煤礦如果采用井下的矸石充填采空區(qū)，其上井的費用與在采空區(qū)充填的費用基本相同，48元。
（4）保證采場安全
相對于其它充填法來說，翟鎮(zhèn)煤礦充填模式對于采空區(qū)的充填更加及時，工作面每推進一刀(0．6m)，支架前移0．6m，接著對采空區(qū)進行充填，由于采空區(qū)充填及時，老頂甚至來不及運動就已經(jīng)停止運動，這體現(xiàn)在采場支架的壓力上．在7403工作面，支架沒有明顯的支架來壓，這樣，保證了工作面有安全的生產(chǎn)環(huán)境。翟鎮(zhèn)煤礦7403工作面煤層平均厚度1．8m，經(jīng)采空區(qū)充填可以充填到1．4～1．5m，充填矸石離頂板僅為0．3～0．4m，并且充填密實、均勻，其充填效果非常理想。用架后充填溜子進行充填保證了隨采隨填，這對于頂板的管理是非常有利的，在7403工作面，工作面的液壓支架上老頂來壓的現(xiàn)象非常不明顯，保證了采場的安全生產(chǎn)。
4.3 結(jié)論
為解放建筑物下壓煤、礦井的輔助提升緊張以及矸石地面堆積造成的環(huán)境污染與破壞等問題，創(chuàng)造性提出 “綜采工作面矸石充填技術(shù)”。此項技術(shù)在應(yīng)用中具有系統(tǒng)簡單、設(shè)備投入少、充填成本低、經(jīng)濟社會效益顯著特點。特別是本項技術(shù)將綜采面回采工藝與充填工藝進行優(yōu)化配合，改變了以往開采簡單以 “自然垮落法”處理采空區(qū)的方式，實踐了礦井開采 “掘、采、處”三元模式。
2．矸石充填采煤技術(shù)利用矸石充填采空區(qū)，解決了 “掘”帶來的矸石問題，既減少了矸石占地、保護了環(huán)境，又緩解了礦井輔助提升壓力。同時，矸石充填采煤減小了工作面頂板下沉量，降低了工作面開采管理難度，增大了回采作業(yè)的安全系數(shù)。減小了開采活動對地下環(huán)境的破壞，實現(xiàn)了 “采、處”結(jié)合。3．由于矸石充填系統(tǒng)設(shè)計合理，把充填作業(yè)有機的納入到整個礦山開采活動的一部分中來。項目工藝簡單、投入少，經(jīng)濟與社會效益顯著，適應(yīng)性強，實現(xiàn)了 “ 掘、采、處”有機結(jié)合。
5 結(jié)論
煤礦矸石充填開采技術(shù)是開采 “ 三下”壓煤的根本途徑，是提高煤礦開采安全可靠性的一項革命性舉措，是具有我 國自主知識產(chǎn)權(quán)的一項新技術(shù) ，必將帶來我國采礦技術(shù)的一次革命 ，同時為礦山采出矸石、解決矸石山污染及安全、 處理城市固體垃圾提供了一個新途徑。
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任務(wù)書
學(xué)院 礦業(yè)工程學(xué)院 專業(yè)年級 采礦工程 學(xué)生姓名
任務(wù)下達(dá)日期：20XX年1月8日
畢業(yè)設(shè)計日期：20XX年3月12日 至 20XX年6月8日
畢業(yè)設(shè)計題目： 錢營孜煤礦1.5 Mt/a新井設(shè)計
畢業(yè)設(shè)計專題題目： 綜采工作面矸石充填技術(shù)初探
畢業(yè)設(shè)計主要內(nèi)容和要求：
以實習(xí)礦井錢營孜煤礦條件為基礎(chǔ)，完成錢營孜煤礦1.5Mt/a新井設(shè)計。主要內(nèi)容包括：礦井概況、礦井工作制度及設(shè)計生產(chǎn)能力、井田開拓、首采區(qū)設(shè)計、采煤方法、礦井通風(fēng)系統(tǒng)、礦井運輸提升等。
結(jié)合煤礦生產(chǎn)前沿情況，撰寫一篇關(guān)于綜采工作面矸石充填技術(shù)的專題論文。
完成2008年《礦山技術(shù)》上與采礦有關(guān)的科技論文翻譯一篇，題目為“Recent Developments and Practices to Control Fire in Underground Coal Mines”，論文10257字符。
院長簽字： 指導(dǎo)教師簽字：
英文原文
Recent Developments and Practices to Control Fire in Undergound Coal Mines
S. K. Ray* and R. P. Singh, Central Mining Research Institute, Barwa Road,
Dhanbad, Jharkhand 826 001, India
Abstract: Coal mine ?res cause serious threat to the property and human lives. Out-break of ?re may be dealt with advanced ?re suppression techniques like Infusion of inert gases or liquid nitrogen, Dynamic Balancing of pressure, Reversal of under-ground mine ventilation, Application of nitrogen foam, Inertisation of Goaf, Water mist etc. The paper addresses all those control techniques in detail. Success story of controlling ?res in coal mines of different parts of the world are reported. Results of a recently completed Science & Technology (S&T) project with regard to various ?re suppression techniques like Infusion of liquid nitrogen, Injection of high pressure high stability nitrogen foam, and Water mist on open ?re are also discussed.
Keywords: coal mine ?re, reversal of underground mine ventilation, nitrogen foam, inertisation of goaf & water mist
1. Introduction`
Since inception, mining is considered as a most hazardous and dangerous of peacetime activities. An outbreak of ?re in the underground workings of a mine poses a direct threat from the ?re itself. Further, an invisible and immediate threat from carbon monoxide poisoning and an explosion, particularly in gassy coal mines is also there. It affects to both persons working underground at the time of the outbreak and to those involved in the subsequent rescue and ?re ?ghting. It hampers the coal production and sometimes loss of coal winning machinery.
Fires in coal mines may be categorised into two groups viz.,
(a) ?res resulting from spontaneous combustion of coal
(b) open ?res, which are accidental in nature, caused as a result of ignition of combustible materials.
In coal mines, ?res are generally caused due to several reasons viz., sluggish ventilation, high pressure difference across intake and return airways, loose and fallen coal in the goaf area, electricity, mechanical friction, blasting, welding, explosions and illicit distillation of liquor.
2. Mine Fire Model Gallery
To understand the complex dynamic phenomenon of open ?res (?res that occur in mine airways usually commence from a single point of ignition) and to study the effectiveness of various ?re suppression techniques viz., liquid nitrogen, high pressure high stability nitrogen foam and water mist, recently Central Mining Research Institute, Dhanbad, India has designed and constructed a Mine Fire Model Gallery. The model gallery is 65.5 m long; arch in shape with a base of 2.4 m and crown height of 2.7 m. The cross section of the gallery is 5.86 m2. The gallery is divided into ?ring and non-?ring zones. An exhaust type axial ?ow fan having a capacity to deal with 25 m3/s. of air quantity at 50-mm wg pressure has been installed at its end. The gallery is provided with two sliding doors for quick sealing of the ?re and a rolling shutter for regulation of desired air?ow. An isometric view of mine ?re model gallery is shown in Figure 1.
It is equipped with a state-of-the-art computer aided on-line telemonitoring system. The system consists of 130 sensors (98 temperature, 25 gas, 3 pressure, 2 heat ?ux, 1 each velocity and Suspended Particulate Matter (SPM) concentration sensor) and instruments with data logger, computer, computer peripheral etc. for continuous monitoring of various ?re parameters like gas concentration (O2, CO2, CO, CH4 & H2), air velocity, pressure across ?re zone and fan pressure, temperature, heat ?ux, dust and particulate matter concentration inside the gallery.
Figure 1 Isometric view of mine ?re model gallery
Details of the construction of the gallery and its instrumentation system have beendescribed elsewhere In the experiments inner side of the ?ring zone of the gallery which is 22 m in length (?ring zone starts from 10.5 m from the entry of the gallery) was lined with a thin layer of coal slabs, 8–10 cm thick, brought from Dobrana seam of New Kenda Colliery. Fixing of coal slabs were effected with a mixture of air setting cement and liquid binder. In each set of experiments about 18–20 tons of coalswere used.
The paper addresses all the above control measures that have been applied all over the world. Results of experimentation on open ?res in Mine Fire Model Gallery are also discussed.
3.Fghting Mine Fires
3.1 High Pressure Foam
Use of foam plugs has been successful in ?ghting mine ?res in roadways where direct attack with water is not possible. USBM studies reveals that the water content of the foam should not be less than 0.20 kg/m3 otherwise the foam is not capable of controlling the ?re. With su?cient ventilating forces (around 8 cm wg) properly generated foam may be transported over 300 m. Foam does not appear to be effective against deep seated, rapidly advancing, buried or dead end ?res.
In India, suppression of spontaneous heating by high pressure high stability foam is a new and effective method. However, the method has been widely used in Czech mines in controlling spontaneous heating of the mined out areas of longwall panels.
The foam is produced by high pressure foam generator under the pressure of 10 foaming gas. The produced foam is transported by pipelines or ?re hoses to the ?re area. Inert gas (N2, CO2), compressed air or a combination of both is used as foaming gas. The foam generator consists of two independent units namely pumping unit and foam generating unit. The foam is produced from a mixture consisting of water and 5% foaming agent. This mixture is pumped by a pumping unit into a foam-generating unit where the foam is produced . At the same time inert gas (N2) is supplied to the foam-generating unit at a minimum pressure of 0.2 MPa, mixed with foaming mixture sprayed from nozzles and then passes through a ?ne mesh installed inside the foam generation unit. At the outlet of the foaming unit a ?re resistant hosepipe of suitable diameter is attached by which the foam is transported to the place of infusion. A schematic diagram for HPHS nitrogen foam generation system is shown in Figure 3.
The foam helps in controlling the spontaneous heating in following manner.
Reducing air leakage through mined out area
Reducing temperature
Reducing the rate of sorption of oxygen by the coal as the foam forms a thin
protective ?lm over the coal.
Pumping Unit
400 V, 50 Hz
5%mixture Fire Hose Foam to Fire
Affected Area
of water &
foaming agent Foam Generating Unit
Figure 3 Set up for injection of high-pressure high stability nitrogen
High pressure nitrogen foam has recently been used in AW1 longwall panel of 1 & 2 Incline mine of Jhanjra project, ECL with very encouraging results. In this mine foam was injected in the longwall goaf through boreholes. A trolley mounted PSA type nitrogen generator having a capacity of 300 Nm3/h. was used. High pressure high stability nitrogen foam (HPHS) is cheap (one kg of foaming agent capable of producing 2 m3 of foam costing about 2.1 $) and has long self life. The HPHS nitrogen foam at a rate of 200 m3/h has been applied during experimentation in CMRI Mine Fire Model Gallery to control open ?re.The following points are worth mentioning.
It has been observed from the results that there was substantial reduction in temperature. The average value of this reduction in temperature has been found to be 207°C per hour.
After infusion of foam in open ?re condition the concentration of all the Products of Combustion (POC) like CO2, CO, CH4 and H2 has decreased, indicating the retardation of combustion process.
On infusion of foam, reduction of generation rate of CO2 and CO is estimated as 80% and 85%, respectively.
High-pressure high stability nitrogen foam technology proved to be promising to control open ?res. However, 200-m3/h infusion rate was found inadequate to suppress the ?re completely.
3.2. Water Mist
Water can be used in mines either in the form of spray or mist. McPherson (1993) mentioned that once a ?re has been progressed to a fuel rich condition thereis little chance of extinguishing without sealing off the ?re. He does, however, suggest that a means available to gain control of the ?re by the application of water as a natural scale fog.
‘‘Water mist’’ refers to ?ne water sprays in which 99% of the volume of the spray is in droplets with diameter less than 1,000 l. Water mist ?re suppression systems (WMFSSs) are readily available, simple in design and construction, easy to maintain, effectual in suppressing various ?res, non-toxic, and cheaper than other familiar ?re suppressing system with no harmful environmental impact.
While applied in ?re areas, it cleans the air by dissolving soluble toxic gases produced during combustion, washing down smoke and suppressing dust, and thus improves visibility as well. Unlike many other ?re ?ghting systems, WMFSSs can be safely used in manned areas and found to be effective in open condition. Furthermore, water consumption in WMFSSs is far less than that in water ?ushing, spraying or sprinkling systems. On account of these advantages, much study has been carried out in recent years to develop appropriate WMFSSs to control various types and size of ?res.
A survey carried out in 1996 indicated that nearly 50 agencies around the world were involved in the research and development of WMFSSs, ranging from theoretical investigations into extinguishing mechanisms and computer modeling to the development, patenting and manufacturing of water mist generating equipment . Water mist is being evaluated for the suppression of ?res in diesel fuel storage areas in underground mines at National Institute for Occupational Safety and Health (NIOSH), Pittsburgh. Water mist has shown a positive impact to control a fuel-rich duct ?re [30] when a series of experiments on water mist was carried out in a 30 cm square, 9 m long wind tunnel constructed in the Department of Mining & Minerals Engineering, Virginia Polytechnic Institute & State University. A ?re is called fuel-rich when the oxygen concentration falls to below 15%in products of combustion.
The concept of water mist to suppress the mine ?re is a unique one and for the ?rst time in India it has been tried in the Mine Fire Model Gallery to work out the strategy to control ?re with the water mist in actual mining condition . For the purpose an indigenous system for generation of water mist has been developed.
The water mist was infused in the gallery at a rate of 33 l/min. From the study the following points are emerged.
After only 20 min of infusion of water mist on the full-?edged ?re the temperature along the length of the gallery was reduced to a great extent. The average reduction of temperature was found to be 294°C per hour. It also reduces the backlash to a great extent.
It has been found that after application of water mist the oxygen concentration had increased to above 19% whereas the product of combustion gases (no measurable amount of methane) have decreased indicating retardation of combustion process.
On application of water mist, reduction of generation rate of CO2 and CO was estimated as 89% and 93%, respectively.
In the experiment with water mist hydrogen percent recorded an increase by 0.01–0.26% which is well below the explosive limit. Therefore, there was no formation of water gas (fuel gas containing about 50% CO, 40% H2, and small amounts of CH4, CO2 and N2) terminating the possibility of explosion.
On application of water mist the opacity was decreased by 84%. Therefore, it can be inferred that the water mist has the potential to improve the visibility in the mines during open ?re condition.
4. Conclusion
Based on theoretical, experimental and ?eld observations the following points are emerged.
1) Recent successful control of ?re with high-pressure high stability nitrogen foam in Indian coal mines and on open ?re experimentation in CMRI mine ?re model gallery has provided ample evidence that foam technology is a promising one.
2) Water mist seems to have enough potential to control open mine ?re as has been observed on experimentation in CMRI mine ?re model gallery. It has several advantages. It reduces the temperature as well as Product of Combustion POC) gases particularly CO to a great extent. Further, it reduces the backlash nd SPM concentration thereby improves the visibility. There is no threat of ormation of water gas eliminating the chances of explosion.
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中文譯文
煤礦火災(zāi)控制的最近發(fā)展和實踐
S . K·雷 R . P·辛格
中央礦業(yè)研究所，印度，丹巴德，恰爾肯德邦，826 001
摘要：煤礦火災(zāi)嚴(yán)重威脅人們的財產(chǎn)和生命。防火的先進技術(shù)已經(jīng)取得突破，例如火風(fēng)壓控制，注惰性氣體或液體氮、動態(tài)壓力平衡,礦井通風(fēng)中風(fēng)流逆轉(zhuǎn)的應(yīng)用,地下采空區(qū)的注泡沫、惰性、水霧等。文中對以上控制技術(shù)進行了詳細(xì)的介紹，對世界各地區(qū)煤礦控制火災(zāi)的成功案例進行了報道。討論了最近完成的一個關(guān)于各種的火壓控制工藝,如注液體氮、注入高壓高穩(wěn)定性氮氣泡沫,多組分細(xì)水霧在明火控制的科學(xué)技術(shù)項目。
關(guān)鍵詞：煤礦火災(zāi)、氮氣泡沫、采空區(qū)惰性氣體及水霧
1簡介
一直以來,采礦被看作是最危險的日?；顒印５叵碌V井工作面火災(zāi)的爆發(fā)的直接的威脅來自明火。此外,另一個無形的直接威脅來自一氧化碳中毒和爆炸,特別是高瓦斯煤礦。它會影響到工作人員在地下的時間,包括后續(xù)救援及消防工作。
它不僅妨害煤炭生產(chǎn),還會損失采煤機械。
在煤礦火災(zāi)分成兩組：(a)由煤自燃引起；(b)明火,由自然環(huán)境中的意外造成,由于點燃可燃材料。
煤礦火災(zāi)通常是由如下原因造成的：風(fēng)流停滯，進風(fēng)和回風(fēng)高壓力差,采空區(qū)松散遺煤，電力、機械摩擦、爆破、焊接、爆炸和違規(guī)喝酒。
2防火巷道模型
為了理解明火發(fā)生的復(fù)雜動態(tài)現(xiàn)象(我礦井風(fēng)流中的火災(zāi)通常從單一點的著火點開始)和各種控制火災(zāi)技術(shù)的有效性：例如液氮壓制工藝,高壓高穩(wěn)定性氮氣泡沫和水霧,最近印度丹巴德中央礦井水霧研究所設(shè)計和建造了一個礦井火災(zāi)模型的巷道。該模型巷道長65.5米;拱形，底寬2.4米,高2.7米。巷道的橫截面是5.86平方米。巷道分為火區(qū)和無火區(qū)。抽出式軸流風(fēng)機通風(fēng)能力為25m3/ s .50mm高水柱的空氣壓入裝置被安裝在它的末端。這條巷道配備兩部滑動門作為調(diào)節(jié)所需氣流快速密封火區(qū)的移動風(fēng)門。三維視圖模型畫廊如圖1所示。 它配備了最先進的計算機輔助在線遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)由130個傳感器(98個溫度、3個壓力、25個氣體、2個熱流密度、1個速度和懸浮微粒(SPM)濃度傳感器)和數(shù)據(jù)日志記錄器、電腦、電腦輔助設(shè)備等火災(zāi)連續(xù)監(jiān)測的各種參數(shù),如巷道內(nèi)氣體濃度(O2、CO2, CH4和CO,H2),空氣流速、火區(qū)壓力和風(fēng)機壓力、溫度、熱流密度、灰塵和微粒濃度。 巷道內(nèi)的結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)及儀器系統(tǒng)在其他地方描述 [1]。
長22米的實驗火區(qū)巷道 (巷道開始10.50米)是用薄薄的一層從多不拉新建煤礦運來的煤板襯里,厚8 - 10厘米。固定的煤板和氣體裝置混合物用水泥和液體的粘合劑固定住。每一組實驗用18 - 20噸煤。
上文所有的控制措施,已被廣泛應(yīng)用于世界各地。在礦井火災(zāi)模型巷道中的明火的試驗結(jié)果也進行了討論。
圖1 等距礦井火災(zāi)巷道模型
3防火技術(shù)
3.1高壓泡沫
注泡沫已經(jīng)成功應(yīng)用在礦山火災(zāi)救援中，在巷道中直接用水滅火是不可能的。USBM研究表明,泡沫中含水不應(yīng)小于0.20公斤/立方米,否則泡沫不能夠控制火勢。足夠的風(fēng)力(大約8厘米高水柱)產(chǎn)生的泡沫可以能被運輸?shù)?00米。泡沫對深部,快速推進,被埋或盲巷火災(zāi)似乎無效。
在印度,用高壓高穩(wěn)定性泡沫抑制自燃熱是一種新的、有效的方法。然而,這種方法已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用于控制捷克礦山長壁工作面自熱。
泡沫是由高壓泡沫產(chǎn)生器的發(fā)泡氣體的壓力下產(chǎn)生的。所產(chǎn)生的泡沫由管道和消防水龍輸送到火區(qū)。惰性氣體(N2,二氧化碳)、壓縮空氣或兩者的結(jié)合,作為泡沫氣體。泡沫發(fā)生器由兩個獨立的單位即抽出裝置和泡沫產(chǎn)生裝置組成。泡沫是由水和5%的發(fā)泡劑組成的混合物。泡沫產(chǎn)生裝置產(chǎn)生泡沫，再由抽出裝置抽出形成混合物。同時惰性氣體(N2)為泡沫發(fā)生器提供0.2兆帕的最低壓力,泡沫混合物從噴嘴噴出,然后通過泡沫發(fā)生器內(nèi)部安裝的細(xì)網(wǎng)格。發(fā)泡單位的出口，阻燃水帶的適用管徑依據(jù)泡沫注入的運輸方式。HPHS氮泡沫的發(fā)生系統(tǒng)被如圖3。
泡沫以如下方式控制自燃熱：
降低通過開采區(qū)域漏風(fēng)
降低溫度
煤形成薄泡沫降低吸附氧的速率
在煤表面形成保護膜。
高壓氮氣泡沫,最近已被應(yīng)用于約翰約拉項目2號礦井的AW1長壁工作面，取得了令人鼓舞的結(jié)果。將這個礦井的泡沫注入長壁采空區(qū)圍巖附近。一個推車上安裝產(chǎn)量300 Nm3 /小時的PSA型氮發(fā)生器。高壓高穩(wěn)定性氮泡沫(HPHS)成本低(一公斤的發(fā)泡劑可以生產(chǎn)2立方米的泡沫，成本2.1美元)，使用壽命長。
圖3 用于注入高壓高穩(wěn)定氮的設(shè)備
HPHS氮氣泡沫的速率為200立方米/小時，被應(yīng)用在CMRI礦井火災(zāi)模型試驗巷道控制開火。
以下幾點值得一提的。
觀察實驗結(jié)果表明,溫度顯著降低。平均降低溫度值是為207°C/h。在著火狀態(tài)輸入泡沫后所有產(chǎn)物的濃度如二氧化碳、一氧化碳、CH4及H2有所減少,說明燃燒過程中有阻滯效應(yīng)。在輸入泡沫上, CO2和CO減少的生成率大約分別為80%、85%。高壓高穩(wěn)定氮技術(shù)已被證明是控制火災(zāi)的有前景的技術(shù)。然而,200m3 / h注入速率不足以完全抑制火災(zāi)。3.2水霧
水可以在礦山中以噴涂或霧的形式使用。麥弗遜式(1993)提到,一旦大火燃料豐富的條件下發(fā)展，不封閉將火熄滅的可能性很小。然而, 他建議的可用方法：用水作一種自然水霧控制火災(zāi)。
“水霧”是指細(xì)霧噴劑,其中1%體積是水，液滴直徑小于1000。細(xì)水霧撲滅火災(zāi)系統(tǒng)(WMFSSs)可用性強,設(shè)計簡單、施工維護容易，可有效抑制各種火災(zāi)、無毒、成本低，抑制系統(tǒng)與其他熟悉的防火系統(tǒng)對環(huán)境無害。應(yīng)用于火災(zāi)地區(qū)時,它可通過溶解空氣中可溶性有毒氣體產(chǎn)物凈化空氣，洗滌煙燃燒過程及其抑制灰塵、提高能見度。不同于其他許多消防系統(tǒng)、WMFSSs可被安全地用于載人航天領(lǐng)域,還能有效用于開放狀態(tài)。另外， WMFSSs用水量遠(yuǎn)小于沖洗,噴施或灑水系統(tǒng)。由于這些優(yōu)勢, 近年來已經(jīng)進行了許多研究發(fā)展適當(dāng)?shù)腤MFSSs來控制各種類型和尺寸的火災(zāi)。
1996年的一項調(diào)查表明,在世界各地近50個機構(gòu)參與了WMFSSs調(diào)查研究和發(fā)展, 調(diào)查范圍從理論到滅火機制，從計算機建模到發(fā)展前景，并申請了生產(chǎn)細(xì)水霧發(fā)生設(shè)備的專利。職業(yè)安全與國家研究所健康管理局也在評估水霧在柴油燃料儲存區(qū)域和地下開采礦山的防火效果。細(xì)水霧顯示出抑制富燃料火災(zāi)的積極影響。礦業(yè)及礦物工程部、維吉尼亞理工大學(xué)和州立大學(xué)建了一條30平方厘米,9米長風(fēng)洞，在其中進行了一系列水霧實驗。富燃料火災(zāi)指燃燒產(chǎn)物中氧含量低于15%。細(xì)水霧的概念來滅礦井火災(zāi)是獨特的，也是第一次在印度嘗試，一直以來礦井火災(zāi)模型巷道也在解決細(xì)水霧在實際開采條件控制火勢的技術(shù)。水霧發(fā)生系統(tǒng)已被發(fā)展出來。水霧以33 升/分鐘的速度注入巷道。研究中有以下幾點值得說明：
水霧在完全燃燒的火災(zāi)中20分鐘后，沿巷道溫度能最大程度的降低。平均降低溫度294°C/小時。它也能最大限度降低復(fù)燃的可能。人們發(fā)現(xiàn),應(yīng)用細(xì)水霧后氧濃度增加到19%以上，燃燒氣體產(chǎn)物(微量甲烷)減少，表明延遲了燃燒過程。
應(yīng)用細(xì)水霧后,減少CO2和CO的生成率分別為大約89%和93%。在細(xì)水霧實驗中,氫含量百分比增加了0.01-0.26%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于爆炸極限。因此,沒有形成水蒸氣(可燃?xì)怏w含有50%CO和40% H2,微量的CH4、CO2、N2)，沒有爆炸性。
4結(jié)論
基于理論、實驗和實地觀察得出如下結(jié)論：
1）最近高壓高穩(wěn)定氮泡沫在印度成功應(yīng)用于煤礦滅火，在CMRI礦山火災(zāi)模擬巷道的明火實驗提供了充分的證據(jù)表明泡沫技術(shù)是一種非常有前景的技術(shù)。
2）細(xì)水霧在礦井明火控制潛能和CMRI礦井火災(zāi)模型巷道實驗中觀察到的一樣。它有幾個優(yōu)勢。它降低溫度以及燃燒氣體產(chǎn)物濃度，尤其是CO。另外,它減少復(fù)燃，降低SPM濃度,從而提高可見度。無爆炸性的水煤氣沒有任何威脅。
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