一种煤层群多层采空区立体自燃危险区域判定方法技术

一种煤层群多层采空区立体自燃危险区域判定方法，属于煤自燃火灾防治领域。该方法为：采集各煤层煤样，以程序升温氧化实验，分别确定下部煤层煤样初次氧化、上部煤层煤样二次氧化的临界氧气浓度；以采空区遗煤所在高度位置为依据，将煤层群开采形成的多层采空区划分为：上位、中位和下位；以高位钻孔与束管监测相结合，实现上位、中位、下位采空区气体参数的同步监测；由实验得到的临界氧气浓度指标与现场综合实测参数，确定煤层群上、中、下位采空区的立体自燃危险区域分布范围。该方法对煤层群多层采空区域的划分更加全面、合理，煤自燃危险性判定指标更加精细、准确，实用性与可操作性强，对煤层群自燃火灾针对性、有效防治具有重要指导意义。

【技术实现步骤摘要】
一种煤层群多层采空区立体自燃危险区域判定方法
本专利技术属于煤自燃火灾防治
，特别是涉及一种煤层群多层采空区立体自燃危险区域判定方法。
技术介绍
煤层开采过程中，顶板岩层垮落形成采空区，且受煤岩赋存条件、回采工艺等因素的影响，采空区内往往留有一定厚度的遗煤，在漏风供氧条件下，遗煤容易出现自然发火现象。传统单一煤层开采的采空区遗煤自燃危险区域判定，一般是通过埋设束管监测采空区氧气浓度、温度等因素，以行业公认的划分指标值进行自燃危险区域判定，而上述判定方法并不适用于易自燃煤层群开采条件。煤层群上部煤层开采过程中，采空区遗煤经历缓慢氧化过程；在下部煤层开采时，上部采空区再次形成漏风供氧，遗煤再次经历氧化过程，即二次氧化。此时，上部采空区遗煤的氧化自燃特性与初次氧化的遗煤相比，发生部分改变，采用初次氧化遗煤的自燃危险区域判定指标具有一定的误差。同时，现有的自燃危险区域判定方法侧重于单一煤层采空区的自燃危险区域划分，没有从煤层群多层采空区立体角度分析自燃危险区域的分布规律，且氧气浓度、温度等参数测试方法难以适用于多层采空区立体空间条件，技术局限性十分明显。
技术实现思路
本专利技术针对传统技术方法存在的问题，目的在于提供一种煤层群多层采空区立体自燃危险区域判定方法，旨在通过煤体初次氧化、二次氧化特性实验与现场综合实测相结合的手段，给出多层采空区立体自燃危险区域的精准判定方法，指导易自燃煤层群多层采空区遗煤自然发火的针对性防治。该方法对煤层群多层采空区域的划分更加全面、合理，煤自燃危险性判定指标更加精细、准确，实用性与可操作性强，对于煤层群自燃火灾的针对性、有效防治具有重要指导意义。本专利技术的一种煤层群多层采空区立体自燃危险区域判定方法，包括以下步骤：S1、采集煤层群上部和下部煤层的煤样，进行煤样程序升温氧化实验，以不同供氧条件下，煤样氧化产生的指标性气体参数变化曲线为依据，确定下部煤层的煤样发生初次氧化自燃的临界氧气浓度、上部煤层的煤样发生二次氧化自燃的临界氧气浓度；S2、根据煤层群赋存与实际开采的条件，分析确定下部煤层开采后导致上部煤层采空区遗煤的下移距离；S3、以采空区遗煤所在高度位置为依据，将煤层群开采形成的多层采空区划分为：上位采空区、中位采空区与下位采空区；S4、在下部煤层工作面的进风巷、回风巷中分别布置钻场，每个钻场内布置一组通向上位采空区的高位钻孔，通向上位采空区的高位钻孔终端与上位采空区连通，用于监测上位采空区的氧气浓度参数；S5、在下部煤层工作面的邻近接续巷道内布置一个通向中位采空区的高位钻孔，通向中位采空区的高位钻孔终端与中位采空区连通，用于监测中位采空区的氧气浓度参数；S6、在下部煤层采煤作业面向下位采空区的方向，布置多个采样头的束管，随采煤作业面的开采不断深入下位采空区，用于监测下位采空区氧气浓度参数；S7、根据步骤S1实验结果与步骤S4、S5、S6综合实测参数，确定煤层群上位采空区、中位采空区和下位采空区形成的立体自燃危险区域分布范围。所述的步骤S1中，采集的煤样由多层塑料薄膜密封包装，运输至实验室，旋磨至粒度＜1mm，进行煤样程序升温氧化实验。所述的步骤S1中，所述的不同供氧条件为，分别通入体积浓度为12％、10％、8％、6％、4％的氧气。所述的步骤S1中，确定下部煤层的煤样发生初次氧化自燃的临界氧气浓度的方法为：分别通入体积浓度为12％、10％、8％、6％、4％的氧气，在不同供氧条件下进行多组程序升温氧化实验；具体实验过程：(1)将旋磨好的下部煤层的煤样放入程序升温炉内，通入一定浓度氧气，从20℃开始升温至200℃，温度每上升10℃抽取一次气样，由气相色谱分析仪分析气样成分浓度；(2)以C2H4作为指标性气体，监测通入不同氧气浓度条件下，C2H4气体首次出现时的温度，以温度为纵坐标、氧气浓度为横坐标，作出C2H4气体首次出现的温度与氧气浓度的关系曲线，分析随着氧气浓度降低对应的温度增加的突变点，该突变点对应的氧气浓度即确定为煤样发生氧化自燃的临界氧气浓度。所述的步骤S1中，确定上部煤层的煤样发生二次氧化自燃的临界氧气浓度的方法为：对旋磨好的上部煤层的煤样进行程序升温二次氧化实验，具体过程为：(1)将旋磨好上部煤层的煤样放入程序升温炉内，通入体积浓度为21％的氧气，程序升温至120～170℃，停止加热，通入100％氮气，自然冷却至室温状态，完成初次氧化，然后排空氮气，分别通入体积浓度为12％、10％、8％、6％、4％的氧气，进行多组程序升温二次氧化实验；(2)分别进行不同氧气浓度的程序升温二次氧化实验，从20℃开始升温至200℃，温度每上升10℃抽取一次气样，由气相色谱分析仪分析气样成分浓度；(3)以C2H4作为指标性气体，监测通入不同氧气浓度条件下，C2H4气体首次出现时的温度，以温度为纵坐标、氧气浓度为横坐标，作出C2H4气体首次出现的温度与氧气浓度的关系曲线，分析随着氧气浓度降低对应的温度增加的突变点，该突变点对应的氧气浓度即确定为煤样发生氧化自燃的临界氧气浓度。所述的步骤S2中，所述的确定下部煤层开采后导致上部煤层采空区遗煤的下移距离，按下式计算：H＝hm-hl+hj(1-Kp)式中，H—上部煤层采空区遗煤的下移距离，hm—下部煤层的厚度，hl—下部煤层采空区遗煤的厚度，hj—上、下部煤层的间距；Kp—岩层垮落的碎胀系数。所述的步骤S3中，所述的上位采空区为上部煤层采空区；中位采空区为受下部煤层开采扰动影响而下移一定距离的遗煤采空区；下位采空区为下部煤层采空区。所述的步骤S4中，进风巷、回风巷中布置的钻场，距离采煤作业面150～250m，每个钻场内布置2～4个通向上位采空区的高位钻孔，通向上位采空区的高位钻孔始端位于进风巷或回风巷，通向上位采空区的高位钻孔终端连通至上位采空区，钻孔内布置采气束管；随采煤作业面推进，各通向上位采空区的高位钻孔与采煤作业面的距离不断减小。所述的步骤S5中，通向中位采空区的高位钻孔，位于采煤作业面向下位采空区的方向，距离采煤作业面10～20m，通向中位采空区的高位钻孔始端位于下部煤层工作面的邻近接续巷道内，通向中位采空区的高位钻孔终端连通至中位采空区，钻孔内布置采气束管；随采煤作业面推进，通向中位采空区的高位钻孔与采煤作业面的距离不断增加。所述的步骤S6中，所述的多个采样头的束管包含4～6个采样头，按线性均匀分布在下位采空区内，且采样头为花管形式；随采煤作业面推进，各采样头与采煤作业面距离不断增加。所述的步骤S7中，上位采空区自燃危险区域的判定指标为：Cs>C2，其中，Cs表示实测氧气浓度，C2表示上部煤层煤样二次氧化自燃的临界氧气浓度，由实验确定；中位采空区自燃危险区域的判定指标为：Cs＞C2，其中，Cs表示实测氧气浓度，C2表示上部煤层煤样二次氧化自燃的临界氧气浓度，由实验确定；下位采空区自燃危险区域的判定指标为：Cf＞Cs＞C1，其中，Cf表示下位采空区散热区域与自燃危险区域划分的临界氧气浓度，具体取18％，Cs表示实测氧气浓度，C1表示下部煤层煤样氧化自燃的临界氧气浓度，由实验确定。以上方法中，所述的浓度，除特殊说明，均是指体积浓度。本专利技术的一种煤层群多层采空区立体自燃危险区域判定方法，其有益效果为：(1)以采空区遗煤所本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种煤层群多层采空区立体自燃危险区域判定方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、采集煤层群上部和下部煤层的煤样，进行煤样程序升温氧化实验，以不同供氧条件下，煤样氧化产生的指标性气体参数变化曲线为依据，确定下部煤层的煤样发生初次氧化自燃的临界氧气浓度、上部煤层的煤样发生二次氧化自燃的临界氧气浓度；S2、根据煤层群赋存与实际开采的条件，分析确定下部煤层开采后导致上部煤层采空区遗煤的下移距离；S3、以采空区遗煤所在高度位置为依据，将煤层群开采形成的多层采空区划分为：上位采空区、中位采空区与下位采空区；S4、在下部煤层工作面的进风巷、回风巷中分别布置钻场，每个钻场内布置一组通向上位采空区的高位钻孔，通向上位采空区的高位钻孔终端与上位采空区连通，用于监测上位采空区的氧气浓度参数；S5、在下部煤层工作面的邻近接续巷道内布置一个通向中位采空区的高位钻孔，通向中位采空区的高位钻孔终端与中位采空区连通，用于监测中位采空区的氧气浓度参数；S6、在下部煤层采煤作业面向下位采空区的方向，布置多个采样头的束管，随采煤作业面的开采不断深入下位采空区，用于监测下位采空区氧气浓度参数；S7、根据步骤S1实验结果与步骤S4、S5、S6综合实测参数，确定煤层群上位采空区、中位采空区和下位采空区形成的立体自燃危险区域分布范围。...

【技术特征摘要】
1.一种煤层群多层采空区立体自燃危险区域判定方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、采集煤层群上部和下部煤层的煤样，进行煤样程序升温氧化实验，以不同供氧条件下，煤样氧化产生的指标性气体参数变化曲线为依据，确定下部煤层的煤样发生初次氧化自燃的临界氧气浓度、上部煤层的煤样发生二次氧化自燃的临界氧气浓度；S2、根据煤层群赋存与实际开采的条件，分析确定下部煤层开采后导致上部煤层采空区遗煤的下移距离；S3、以采空区遗煤所在高度位置为依据，将煤层群开采形成的多层采空区划分为：上位采空区、中位采空区与下位采空区；S4、在下部煤层工作面的进风巷、回风巷中分别布置钻场，每个钻场内布置一组通向上位采空区的高位钻孔，通向上位采空区的高位钻孔终端与上位采空区连通，用于监测上位采空区的氧气浓度参数；S5、在下部煤层工作面的邻近接续巷道内布置一个通向中位采空区的高位钻孔，通向中位采空区的高位钻孔终端与中位采空区连通，用于监测中位采空区的氧气浓度参数；S6、在下部煤层采煤作业面向下位采空区的方向，布置多个采样头的束管，随采煤作业面的开采不断深入下位采空区，用于监测下位采空区氧气浓度参数；S7、根据步骤S1实验结果与步骤S4、S5、S6综合实测参数，确定煤层群上位采空区、中位采空区和下位采空区形成的立体自燃危险区域分布范围。2.如权利要求1所述的煤层群多层采空区立体自燃危险区域判定方法，其特征在于，所述的步骤S1中，采集的煤样由多层塑料薄膜密封包装，运输至实验室，旋磨至粒度＜1mm，进行煤样程序升温氧化实验。3.如权利要求1所述的煤层群多层采空区立体自燃危险区域判定方法，其特征在于，所述的步骤S1中，确定下部煤层的煤样发生初次氧化自燃的临界氧气浓度的方法为：分别通入体积浓度为12％、10％、8％、6％、4％的氧气，在不同供氧条件下进行多组程序升温氧化实验；具体实验过程：(1)将旋磨好的下部煤层的煤样放入程序升温炉内，通入一定浓度氧气，从20℃开始升温至200℃，温度每上升10℃抽取一次气样，由气相色谱分析仪分析气样成分浓度；(2)以C2H4作为指标性气体，监测通入不同氧气浓度条件下，C2H4气体首次出现时的温度，以温度为纵坐标、氧气浓度为横坐标，作出C2H4气体首次出现的温度与氧气浓度的关系曲线，分析随着氧气浓度降低对应的温度增加的突变点，该突变点对应的氧气浓度即确定为煤样发生初次氧化自燃的临界氧气浓度。4.如权利要求1所述的煤层群多层采空区立体自燃危险区域判定方法，其特征在于，所述的步骤S1中，确定上部煤层的煤样发生二次氧化自燃的临界氧气浓度的方法为：对旋磨好的上部煤层的煤样进行程序升温二次氧化实验，具体过程为：(1)将旋磨好上部煤层的煤样放入程序升温炉内，通入体积浓度为21％的氧气，程序升温至120～170℃，停止加热，通入100％氮气，自然冷却至室温状态，完成初次氧化，然后排空氮气，分别通入体积浓度为12％、10％、8％、6％、4％的氧气，进行多组程序升温二次氧化实验；(2)分别进行不同氧气浓度的程序升温二次氧...

【专利技术属性】
技术研发人员：张勋，高飞，金智新，王继仁，邓存宝，张大明，戴凤威，
申请(专利权)人：辽宁工程技术大学，
类型：发明
国别省市：辽宁,21