一种综合预防矿井孤岛工作面煤自燃与冲击地压的方法

摘要

一种综合预防矿井孤岛工作面煤自燃与冲击地压的方法，先对孤岛工作面采取均压堵漏措施；然后分别对工作面和停采线处的邻近采空区进行氧气浓度测试，获得基于自燃“三带”的预防煤自燃安全推进速度和工作面预防煤自燃最长回采时间；对比分析冲击地压未保护区内预防冲击地压和煤自燃的安全推进速度，采取合理措施确保预防煤自燃的最低推进速度小于预防冲击地压的最快推进速度，确定其安全推进速度范围；确定冲击地压保护区回采时间，获得基于回采时间的保护区防煤自燃安全推进速度，优化其防煤自燃安全推进速度；重复未保护区安全推进速度的确定方法，确定保护区安全推进速度范围。该方法可同时预防孤岛工作面煤自燃与冲击地压的发生，实用性强。

权利要求

1.一种综合预防矿井孤岛工作面煤自燃与冲击地压的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、对孤岛工作面实施均压堵漏措施；

步骤二、对孤岛工作面采空区进行氧气浓度测试，依据所测得氧气浓度，划分孤岛工作面采空区的自燃“三带”的范围，得到氧化带的具体长度，结合所采煤层的自然发火期，计算出基于孤岛工作面采空区自燃“三带”的预防煤自燃最低推进速度，即为基于孤岛工作面采空区自燃“三带”的预防煤自燃的安全推进速度；

步骤三、对停采线处上下邻近采空区进行氧气浓度测试，获得停采线处上下邻近采空区的最高氧气浓度，依据获得的最高氧气浓度，得到该区域遗煤最短自然发火期，确定孤岛工作面预防煤自燃的最长回采时间即为不超过该区域遗煤最短自然发火期；

步骤四、依据孤岛工作面开采防冲击地压专项设计文件，确定该孤岛工作面未保护区基于防冲安全的初始预防冲击地压安全推进速度，即该孤岛工作面的未保护区的初始最大防冲击地压安全推进速度；以及

该孤岛工作面保护区基于防冲安全的初始预防冲击地压安全推进速度，即该孤岛工作面的保护区的初始最大防冲击地压安全推进速度；

步骤五、对比步骤二中所得到的基于孤岛工作面采空区自燃“三带”的预防煤自燃的安全推进速度与步骤四未保护区初始预防冲击地压的安全推进速度，若预防煤自燃的安全推进速度小于未保护区初始预防冲击地压的安全推进速度，则未保护区安全推进速度范围为：预防煤自燃的安全推进速度小于等于未保护区安全推进速度小于等于未保护区初始预防冲击地压安全推进速度；

若预防煤自燃的安全推进速度大于未保护区初始预防冲击地压的安全推进速度，则必须对未保护区采取合理防冲措施，以使得改进后的未保护区预防冲击地压的安全推进速度大于预防煤自燃的安全推进速度，则未保护区安全推进速度范围为：预防煤自燃的安全推进速度小于等于未保护区安全推进速度小于等于改进后的未保护区预防冲击地压安全推进速度；

步骤六、依据步骤五中所得到的未保护区安全推进速度的范围结合未保护区的具体长度，得到其相应的回采时间范围，然后结合步骤三中得到的孤岛工作面预防煤自燃的最长回采时间，确定保护区回采时间范围，结合保护区的具体长度，计算得到基于保护区回采时间的保护区预防煤自燃最低推进速度，对比该速度与步骤二中所得到基于孤岛工作面采空区自燃“三带”的预防煤自燃安全推进速度，取二者中的最大值，即为保护区预防煤自燃的安全推进速度；

步骤七、对比步骤六中所得到保护区内预防煤自燃的安全推进速度与步骤四保护区初始预防冲击地压的安全推进速度，确定保护区安全推进速度范围，若预防煤自燃的安全推进速度小于保护区初始预防冲击地压的安全推进速度，则保护区安全推进速度范围为：预防煤自燃的安全推进速度小于等于保护区安全推进速度小于等于保护区初始预防冲击地压安全推进速度；

若预防煤自燃的安全推进速度大于初始预防冲击地压的安全推进速度，则必须对保护区采取合理防冲措施，以使得改进后的保护区预防冲击地压的安全推进速度大于预防煤自燃的安全推进速度，则保护区安全推进速度范围为：预防煤自燃的安全推进速度小于等于保护区安全推进速度小于等于改进后的保护区预防冲击地压安全推进速度。

2.根据权利要求1所述的一种综合预防矿井孤岛工作面煤自燃与冲击地压的方法，其特征在于，所述对孤岛工作面实施均压堵漏措施为在孤岛工作面靠近回风侧布置风障，对孤岛工作面两侧隔离柱进行堵漏。

3.根据权利要求1所述的一种综合预防矿井孤岛工作面煤自燃与冲击地压的方法，其特征在于，步骤二中所述所采煤层的自然发火期为在实验室采用氧化动力学测试方法获得；步骤三种所述该区域遗煤最短自然发火期，为在实验室内基于该区域最高氧气浓度通过氧化动力学测试方法获得。

4.根据权利要求1所述的一种综合预防矿井孤岛工作面煤自燃与冲击地压的方法，其特征在于，对所述孤岛工作面采空区和停采线处上下邻近采空区进行氧气浓度测试的方式为束管手动取样监测。

5.根据权利要求4所述的一种综合预防矿井孤岛工作面煤自燃与冲击地压的方法，其特征在于，采用束管手动取样监测对孤岛工作面采空区进行氧气浓度测试，在测得采空区氧气浓度稳定低于5％一段时间后停止。

6.根据权利要求1所述的一种综合预防矿井孤岛工作面煤自燃与冲击地压的方法，其特征在于，所述对未保护区采取合理防冲措施包括大直径钻孔、钻孔泄压。

说明书

一种综合预防矿井孤岛工作面煤自燃与冲击地压的方法

技术领域

[0001] 本发明涉及矿井复合灾害防治领域，尤其涉及一种矿井内煤自燃与冲击地压的综合治理方法。

背景技术

[0002] 随着矿井生产的集约化发展，漏风大、遗煤多等问题使得采空区自燃发火频繁。同时随着我国煤炭开采深度的不断加大，地应力不断增高，采场结构越来越复杂，冲击地压灾
害频次、强度和破坏程度也均呈上升趋势。特别是在复杂特殊地质条件下孤岛工作面(三面
都是采空区的工作面)开采过程中，采动应力集中、地质构造影响、推进速度、漏风通道复杂
等因素综合作用，使得具有煤炭自燃和冲击地压灾害双重威胁的孤岛工作面的灾害防治工
作面临着极大困难。

[0003] 当前采空区煤自燃防治方法有均压防灭火、阻化剂防火、凝胶防灭火、惰气防灭火技术等；冲击地压防范措施有开采保护层、超前钻孔卸压、深孔卸压爆破等。井下单方面考
虑的防灭火方法和冲击地压防范措施丰富且多样，但综合预防煤自燃和冲击地压的技术方
法很少。这是由于防冲击地压和防煤自燃两者本身存在很多矛盾关系，为了防冲击地压，要
求工作面回采的速度越慢越好，这样对空间扰动小，工作面的应力也有足够时间释放，发生
冲击地压危险就小，如果推进速度过快，工作面应力来不及释放，容易累积，一旦释放就是
大规模的冲击地压事故；但为了防治采空区煤自燃，又要求工作面推进速度越快越好，工作
面开采过去留在采空区的遗煤，会与空气里的氧气发生反应，反应时间越长，产热越多，越
容易自燃，工作面开采过去后，后方采空区上部的煤岩体会落下来，填充整个采空区，距离
工作面近的采空区压得不实，越往采空区深部压得越实，越不容易与氧气接触反应，因此如
果回采推进速度慢则决定了该工作面后方近的采空区这种不实的状态存在时间长，与氧气
反应时间久，发生煤自燃可能性大；而推进速度快的话，这部分采空区就很快的甩在采空区
深部，与氧气接触时间短，发火的可能性就小。因此，如何解决这个矛盾，是矿井煤自燃和冲
击地压综合防治的关键。

发明内容

[0004] 为了克服现有技术的不足，解决上述存在的矛盾，控制好孤岛工作面的回采速度，即确定合理正确的速度，保证孤岛工作面即不发生冲击地压事故又不发生煤自燃事故，本
发明提了一种矿井内煤自燃与冲击地压的综合治理方法。

[0005] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种综合预防矿井孤岛工作面煤自燃与冲击地压的方法，包括以下步骤：

[0006] 步骤一、对孤岛工作面实施均压堵漏措施；

[0007] 步骤二、对孤岛工作面采空区进行氧气浓度测试，依据所测得氧气浓度，划分孤岛工作面采空区的自燃“三带”的范围，得到氧化带的具体长度，结合所采煤层的自然发火期，
计算出基于孤岛工作面采空区自燃“三带”的预防煤自燃最低推进速度，即为基于孤岛工作
面采空区自燃“三带”的预防煤自燃的安全推进速度；

[0008] 步骤三、对停采线处上下邻近采空区进行氧气浓度测试，获得停采线处上下邻近采空区的最高氧气浓度，依据获得的最高氧气浓度，得到该区域遗煤最短自然发火期，确定
孤岛工作面预防煤自燃的最长回采时间即为不超过该区域遗煤最短自然发火期；

[0009] 步骤四、依据孤岛工作面开采防冲击地压专项设计文件，确定该孤岛工作面未保护区和保护区基于防冲安全的初始预防冲击地压安全推进速度，即该孤岛工作面的初始最
大防冲击地压安全推进速度；

[0010] 步骤五、对比步骤二中所得到的基于孤岛工作面采空区自燃“三带”的预防煤自燃的安全推进速度与步骤四未保护区初始预防冲击地压的安全推进速度，

[0011] 若预防煤自燃的安全推进速度小于初始预防冲击地压的安全推进速度，则未保护区安全推进速度范围为：预防煤自燃的安全推进速度小于等于未保护区安全推进速度小于
等于初始预防冲击地压安全推进速度；

[0012] 若预防煤自燃的安全推进速度大于初始预防冲击地压的安全推进速度，则必须对未保护区采取合理防冲措施，以使得改进后的预防冲击地压的安全推进速度大于预防煤自
燃的安全推进速度，则未保护区安全推进速度范围为：预防煤自燃的安全推进速度小于等
于未保护区安全推进速度小于等于改进后的预防冲击地压安全推进速度；

[0013] 步骤六、依据步骤五中所得到的未保护区安全推进速度的范围结合未保护区的具体长度，得到其相应的回采时间范围，然后结合步骤三中得到的孤岛工作面预防煤自燃的
的最长回采时间，确定保护区回采时间范围，结合保护区的具体长度，计算得到基于保护区
回采时间的保护区预防煤自燃最低推进速度，对比该速度与步骤二中所得到基于孤岛工作
面采空区自燃“三带”的预防煤自燃安全推进速度，取二者中的最大值，即为保护区预防煤
自燃的安全推进速度；

[0014] 步骤七、对比步骤六中所得到保护区内预防煤自燃的安全推进速度与步骤四初始预防冲击地压的安全推进速度，确定保护区安全推进速度范围，

[0015] 若预防煤自燃的安全推进速度小于初始预防冲击地压的安全推进速度，则保护区安全推进速度范围为：预防煤自燃的安全推进速度小于等于保护区安全推进速度小于等于
初始预防冲击地压安全推进速度；

[0016] 若预防煤自燃的安全推进速度大于初始预防冲击地压的安全推进速度，则必须对保护区采取合理防冲措施，以使得改进后的预防冲击地压的安全推进速度大于预防煤自燃
的安全推进速度，则保护区安全推进速度范围为：预防煤自燃的安全推进速度小于等于保
护区安全推进速度小于等于改进后的预防冲击地压安全推进速度。

[0017] 上述步骤二中所述的自燃“三带”是以氧气浓度作为划分标准，通常为散热带(氧气浓度大于18％)、氧化带(氧气浓度在5％‑18％之间)、窒息带(氧气浓度小于5％)，其中氧
化带是导致采空区自燃最危险的氧气浓度范围。

[0018] 上述步骤三中所述该区域遗煤最短自然发火期，是结合测得该区域的最高氧气浓度得到的。该区域氧气浓度越高，表明该区域煤自燃风险越高。以该区域最高氧气浓度为基
准在实验室条件下获得的煤自然发火期，是该区域遗煤的最短自然发火期，也是该区域煤
自燃风险最高状况下的自然发火期，回采过程中保证整个孤岛工作面回采时间小于该时
间，可保证工作面回采期间，除工作面采空区外的煤自燃风险最高处，即停采线位置邻近的
采空区区域不发火。

[0019] 上述步骤四中所述的孤岛工作面开采防冲击地压专项设计文件，为矿方对具有冲击地压倾向性的煤层开采前制定的针对性防冲文件，从中可以查到孤岛工作面开采不同区
域的预防冲击地压设计推进速度。所述的未保护区为未预先采取大规模、大范围卸压方法
的冲击地压危险性高的孤岛工作面区域，保护区为预先采取大规模、大范围卸压方法的冲
击地压危险性低的孤岛工作面区域。所述的基于防冲安全的初始预防冲击地压安全推进速
度为该工作面设计的最大的安全推进速度，当推进速度大于该速度时，工作面周围的煤岩
体应力难以缓慢释放，一旦释放速度过快，就容易导致冲击地压等灾难性的后果的发生。

[0020] 上述步骤五中所述的若预防煤自燃的安全推进速度大于预防冲击地压的安全推进速度，则必须对未保护区采取合理防冲措施，是为了确保预防冲击地压的安全推进速度
大于预防煤自燃的安全推进速度。当预防冲击地压的最大速度小于预防煤自燃的最小速
度，表明孤岛工作面防冲推进速度与防火推进速度存在矛盾关系，无论工作面采取何种推
进速度，必有一方存在高风险。因而，孤岛工作面实际开采过程中，必须保证预防冲击地压
安全推进速度大于预防煤自燃安全推进速度。

[0021] 上述步骤五和六中，首先确定的是未保护区安全推进速度的范围，原因是未保护区的冲击地压危险性大于保护区冲击地压危险性，故孤岛工作面防冲防火安全推进速度的
确定应先从未保护区开始，最后确定保护区的安全推进速度。

[0022] 优选地，所述对孤岛工作面实施均压堵漏措施为在孤岛工作面靠近回风侧布置风障，对孤岛工作面两侧隔离柱进行堵漏。

[0023] 优选地，步骤二中所述所采煤层的自然发火期为在实验室采用氧化动力学测试方法获得；步骤三种所述该区域遗煤最短自然发火期，为在实验室内基于该区域最高氧气浓
度通过氧化动力学测试方法获得。煤的自然发火期是指煤体从暴露在空气环境之时起到自
燃(温度达到该煤的着火点温度)所需的时间。确定煤的自然发火期的方法有很多种，如统
计比较法、类比法、实验室测定法等方法，该步骤中基于氧化动力学特性测试方法获得的煤
的自然发火周期是目前科研领域常用的一种测试方法。

[0024] 优选地，所述对孤岛工作面采空区和停采线处上下邻近采空区进行氧气浓度测试的方式为束管手动取样监测。

[0025] 优选地，采用束管监测对孤岛工作面采空区进行氧气浓度测试，在测得采空区氧气浓度稳定低于5％一段时间后停止。

[0026] 优选地，所述对未保护区采取合理防冲措施包括大直径钻孔、钻孔泄压。

[0027] 与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

[0028] 本发明提供了一种方法，获得了未保护区和保护区内预防煤自燃的安全推进速度与预防冲击地压的安全推进速度，并将这两者进行对比，同时采取合理的防冲措施以确保
未保护区和保护区的预防冲击地压的安全推进速度大于预防煤自燃的安全推进速度，从而
确定未保护区和保护区安全推进速度的范围。此方法解决了冲击地压与煤自燃这两者之间
推进速度的矛盾关系，在二者之间寻求到一个最佳的平衡点，矿方可以基于安全推进速度
的范围，根据自己的生产需要，灵活、合理的调节工作面的推进速度，并且可以避免矿井孤
岛工作面煤炭自燃和冲击地压灾害的发生。

附图说明

[0029] 图1为本发明综合预防矿井孤岛工作面煤自燃与冲击地压的方法的流程图；

[0030] 图2是实施例的综合预防矿井孤岛工作面煤自燃与冲击地压的方法现场示意图；

[0031] 图3是实施例工作面防火效果检验的示意图；

[0032] 图4是本实施例工作面防冲击地压效果检验的示意图。

[0033] 图中：1：保护区；2：未保护区；3：工作面采空区氧气浓度束管监测布置区域；4：停采线处氧气浓度束管监测布置区域；5：风障布置区域。

具体实施方式

[0034] 为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是
本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。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，都属于本发明的保护范围。

[0035] 如图2所示，本实施例的详细实施过程，具体包括以下几个步骤：

[0036] 一、对孤岛工作面采取均压堵漏措施，具体为在工作面靠近回风侧布置风障，使得采空区内外压差小于20Pa，并对两侧隔离煤柱进行堵漏；

[0037] 布置风障的作用是降低工作面进风侧和回风侧的压差，减少向采空区的漏风，对两侧隔离煤柱进行堵漏的是为了保证煤柱的整体性，目的也是减少向采空区漏风。

[0038] 二、采用束管监测的方式对孤岛工作面采空区进行氧气浓度测试，在连续监测采空区氧气浓度稳定低于5％一段时间后停止，划分工作面采空区自燃“三带”的范围，并获得
氧化带的具体长度为103.6m，根据实验室氧化动力学测试工作面煤样分析结果，其自然发
火期为28天，计算得到基于自燃“三带”的防火安全最低推进速度为3.7m/d，

[0039] 最低推进速度＝氧化带长度/自然发火期天数；

[0040] 三、采用束管监测取样的方法对停采线处上下邻近采空区气体进行一段时间的(通常不少于7天)取样，在地面色谱分析室进行氧气浓度分析，测得该区域的最高氧气浓度
为6％，通过实验室氧化动力学测试分析得到该区域氧气浓度6％时遗煤的自然发火期为
253天，确定该孤岛工作面预防煤自燃的最长回采时间不能超过该自然发火期；

[0041] 步骤二、三中采用束管监测对孤岛工作面的未保护区和保护区采空区进行氧气浓度的测试，具体为分别向孤岛工作面采空区深部进回风侧埋设束管及停采线处邻近采空区
煤壁打钻孔埋设束管的方法，在监测周期内，每天使用抽气泵手动取样束管中的气体，用胶
皮球胆取样，带至矿井地面的色谱分析室进行气体分析，获得氧气浓度。

[0042] 四、根据孤岛工作面开采防冲击地压专项设计文件，得到未保护区基于防冲安全的得到未保护区基于防冲安全的初始预防冲击地压安全推进速度5m/d，保护区基于防冲安
全的初始预防冲击地压安全推进速度为8m/d，该速度为该孤岛未保护区和保护区工作面推
进的最大速度，当推进速度大于该速度时，工作面周围的煤岩体应力难以缓慢释放，一旦释
放速度过快，就容易导致冲击地压等灾难性的后果的发生；

[0043] 五、对比基于自燃“三带”的防火安全的最低推进速度3.7m/d与未保护区初始预防冲击地压安全推进速度5m/d，确定未保护区确定未保护区安全推进速度范围为3.7m/d小于
等于未保护区安全推进速度小于等于5m/d；

[0044] 六、未保护区回采长度为74m，保护区回采长度为1200m，结合步骤五中所得到的未保护区安全推进速度范围，确定未保护区的回采时间范围为15天小于等于未保护区回采时
间小于等于20天；根据孤岛工作面最长回采时间为253天，确定保护区回采时间范围为233
天小于等于保护区回采时间小于等于238天；

[0045] 七、结合保护区回采长度为1200m，计算得到基于回采时间的保护区预防煤自燃安全最低推进速度为1200m/238m/d＝5.04m/d；对比该速度与基于自燃“三带”的预防煤自燃
安全推进速度3.7m/d，保护区预防煤自燃安全推进速度为5.04m/d；

[0046] 八、结合由步骤四中所得到的保护区基于初始防冲击地压的最大推进速度为8m/d，综合该区域预防煤自燃和预防冲击地压的安全推进速度的限制，得到保护区防冲防火安
全推进速度的范围为5.04m/d小于等于保护区安全推进速度小于等于8m/d。

[0047] 依照上述方法，我们可以获知该孤岛工作面未保护区安全推进速度范围为3.7m/d小于等于未保护区安全推进速度小于等于5m/d；保护区安全推进速度范围为5.04m/d小于
等于保护区安全推进速度小于等于8m/d；基于安全推进速度的范围可以依据矿上的实际情
况和要求，合理确定安全推进速度，并同时避免了防冲击地压和防煤自燃双重灾害的发生。
同时，我们还可以通过以下方法来检验上述方法的效果：

[0048] 一、对于防火效果的检验可以通过监测回风隅角的气体组分，检测煤自燃指标性气体组分是否合格。所谓煤自燃指标性气体组分，是指煤与氧气接触、反应产生很多气体，
一旦产生某些气体(例如C2H4及较高浓度CO等)，则可以断定采空区煤自燃状态进入高风险
状态，若没有相关气体的产生或相关气体浓度在安全浓度以下，则认为该采空区是安全的。

[0049] 如图3所示，为本实施例工作面防火效果检验的示意图，从图中可知，在该孤岛工作面在整个回采过程中，回风隅角处煤自燃指标性气体CO的监测数值均保持在24ppm以下
(达到《煤矿安全规程》的安全要求)，其它各项煤层自然发火指标预警气体也没有超标，一
直处于安全范围以内，整个回采周期内没有煤自然发火事故，表明该安全推进速度的应用
在防火方面取得了良好的效果。

[0050] 二、对于防治冲击地压效果的检验可以通过监测工作面冲击危险性评价指标是否在国标《冲击地压测定、监测与防治方法，第2部分：煤的冲击倾向性分类及指数的测定方
法》(GB/T 25217.2‑2010)要求范围之内，如果是就是安全的。

[0051] 如图4所示，为本实施例工作面防冲击地压效果检验的示意图，从图中可知，在该孤岛工作面的回采过程中，应力监测、钻屑量、微震参数均保持在强冲击倾向性指标下，没
有发生冲击地压事故，工作面防冲措施取得了良好的效果。

[0052] 综上所述，本发明提供了一种综合预防矿井孤岛工作面煤自燃与冲击地压的方法，通过该方法可得到未保护区和保护区内预防煤自燃的安全推进速度与预防冲击地压的
安全推进速度，并将这两者进行对比，同时采取合理的防冲措施以确保未保护区和保护区
的预防冲击地压的安全推进速度大于预防煤自燃的安全推进速度，从而确定未保护区和保
护区安全推进速度的范围。此方法不仅解决了冲击地压与煤自燃这两者之间的推进速度矛
盾关系，在这二者之间寻求到一个最佳的平衡点，同时矿方可以基于安全推进速度的范围，
根据自己的生产需要，灵活、合理的调节工作面的推进速度，并且可以避免矿井孤岛工作面
煤炭自燃和冲击地压灾害的发生。