煤矿防灭火材料及基于其的煤矿安全开采方法
文献发布时间：2023-06-19 19:04:00
技术领域
本发明属于煤矿开采技术领域，具体涉及一种煤矿防灭火材料及基于其的煤矿安全开采方法。
背景技术
我国煤矿火灾是五大灾害之一，防治对煤矿安全生产意义重大。传统的火灾防治材料及方法有各类化学、物理方法，有少量的生物方法，但仍存在以下问题：
1)各类化学防灭火材料有一定的环境污染问题。
2)物理防灭火材料容易被采矿的应力扰动或者水力冲蚀破坏，是的防灭火效果存在一定的问题。
3)传统的生物防灭火主要通过微生物消耗氧气来达到防灭火的方法，但是这需要微生物持续消耗，这使得微生物的营养液需要连续供给，能耗高。
发明内容
本发明的目的在于克服传统技术中存在的上述问题，提供一种煤矿防灭火材料及基于其的煤矿安全开采方法。
为实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明是通过以下技术方案实现：
本发明提供一种煤矿防灭火材料，该材料由以下质量份数的组分构成：黏土80～200份，巨大芽孢杆菌菌粉10～40份，尿素10～40份，氯化钙20～80份以及高温可溶解微胶囊10～80份；所述材料由各组分按配比混匀后得到。混匀过程中，控制温度低于40℃，避免高温可溶解微胶囊提前溶解。
进一步地，如上所述的煤矿防灭火材料中，所述黏土是指蒙脱石矿物含量≤20％的黏土。
进一步地，如上所述的煤矿防灭火材料中，所述巨大芽孢杆菌菌粉是指活菌浓度达到每克有效活菌为1000亿及以上。
进一步地，如上所述的煤矿防灭火材料中，所述高温可溶解微胶囊由胶囊外衣和填充在其内的内容物构成，所述胶囊外衣是指在45～55℃下能够完全释放内部成份的胶囊外衣，所述内容物包含以下质量份数的原料：牛肉蛋白胨5～20份，酵母提取物2～5份，NaCl5～20份，尿素10～40份以及氯化钙10～40份。
本发明提供一种煤矿安全开采方法，基于上述的煤矿防灭火材料实现包括如下步骤：
S1、煤炭开采前，获取相关地质参数，并取得煤层及顶板煤岩样；地质参数包括采煤的厚度M和开采煤层的顶板岩层的碎涨系数w；其中，采煤的厚度M通过钻孔柱状图获得，碎涨系数w通过取样测试获得。
S2、煤炭开采前，计算采煤工作面的矿井涌水量Q，矿井涌水量Q通过公知的水文地质类比法或者大井法计算获得；
S3、煤炭开采前，获取采煤的周期来压步距D，周期来压步距D通过公知的数值模拟实验获得；
S4、煤炭开采前，通过室内实验获得采矿地质条件下防灭火材料的整体用量；
S5、煤炭开采前，在每个周期来压段内埋设一个温度传感器；
S6、煤炭开始开采，每次周期来压之后，向采空区以步骤S4确定的用量注入防灭火材料，每次采空区注入防灭火材料量为E，E的计算公式为：
其中，N为采煤工作面注入防灭火材料总量；L为采煤工作面走向长度，通过采煤工作面设计图获得；
S7、当步骤S5的温度传感器反馈检测到的温度超过设定温度时，则对温度传感器所在的点区进行防灭火材的补注，每个点区每次的补注量为E；
S8、煤炭开采未发生火灾，实现安全开采。
进一步地，步骤S4中，室内实验的流程包括如下步骤：
1)将步骤S1获得的煤层顶板煤岩样制作成碎涨样品，碎涨样品破碎后的碎涨系数达到w；然后将碎涨样品和煤矿防灭火材料按照体积比1：X混合，煤矿防灭火材料均匀覆盖碎涨样品全表面，并养护3天以上，得到样品；
2)将步骤1)制作的样品在采煤工作面涌水强度p的水冲刷作用下冲刷t小时以上，碎涨样品表面无防灭火材料覆盖面积超过碎涨样品总表面积的10％，则调整X值，重新进行实验，直至碎涨样品表面无防灭火材料覆盖面积不超过碎涨样品总表面积的10％；
采煤工作面涌水强度p的计算公式为：
其中，k为安全系数，取1.1～1.5，S为采煤工作面面积，通过工作面测量获取；
3)计算得到采煤工作面注入防灭火材料总量N，N＝X×M×S。
进一步地，步骤2)中，t为采煤工作面涌水量峰值60％及以上持续的时间，通过相似水文地质条件采煤工作面观测获取。
进一步地，步骤S7中，设定温度为55℃。
本发明的有益效果是：
1、本发明针对煤炭开采后会造成地下水或地表水进入采空区，传统的黄泥灌浆防灭火主要是隔绝空气的作用，但不抗水的冲刷的情况，创新在防灭火材料中使用了巨大芽孢杆菌，该类微生物在尿素水解的作用下结合钙源，可以持续产出方解石胶结物，使得黏土与煤粘结在一起，并且这个过程又消耗了一定的氧气。因此，这类材料有较好的防灭火效果。此外，在材料中添加了高温可溶解微胶囊，其中含有微生物的活化成分，这是为了防止涌水量猛然增大导致的极端情况。煤壁裸露后，温度在60度进入快速氧化阶段，因此预警温度选择55度。最后，关于防灭火注浆材料的配方选择及用量，主要根据煤炭开采的水文地质确定。即依据矿山压力岩层移动理论，确定采煤碎胀量，即需要注浆防护的方量，然后结合矿井水涌水量理论计算出涌水的强度，通过室内小型模拟冲刷实验确定配比和用量，达到抗冲刷的效果。
2、本发明煤矿安全开采方法主要包括煤炭开采前获取地质参数、煤炭开采前预测涌水量、煤炭开采前获取周期来压步距、煤炭开采前实验获取防灭火材料配比及用量、煤炭开采前埋设温度传感器、煤炭开采同时向采空区注入防灭火材料、对传感器超出阈值点补注防灭火材料、完成煤炭安全开采等步骤，具有简单易实施、效果更好、能耗更小、更加环保等诸多优点。
当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上的所有优点。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例对技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供一种煤矿防灭火材料，该材料由以下质量份数的组分构成：黏土80～200份，巨大芽孢杆菌菌粉10～40份，尿素10～40份，氯化钙20～80份以及高温可溶解微胶囊10～80份；所述材料由各组分按配比混匀后得到。黏土是指蒙脱石矿物含量≤20％的黏土。巨大芽孢杆菌菌粉是指活菌浓度达到每克有效活菌为1000亿及以上。高温可溶解微胶囊由胶囊外衣和填充在其内的内容物构成，所述胶囊外衣是指在45～55℃下能够完全释放内部成份的胶囊外衣，所述内容物包含以下质量份数的原料：牛肉蛋白胨5～20份，酵母提取物2～5份，NaCl 5～20份，尿素10～40份以及氯化钙10～40份。
本发明提供一种煤矿安全开采方法，包括如下步骤：
S1、煤炭开采前，获取相关地质参数，并取得煤层及顶板煤岩样；地质参数包括采煤的厚度M和开采煤层的顶板岩层的碎涨系数w；其中，采煤的厚度M通过钻孔柱状图获得，碎涨系数w通过取样测试获得。
S2、煤炭开采前，计算采煤工作面的矿井涌水量Q，矿井涌水量Q通过公知的水文地质类比法或者大井法计算获得；
S3、煤炭开采前，获取采煤的周期来压步距D，周期来压步距D通过公知的数值模拟实验获得；
S4、煤炭开采前，通过室内实验获得采矿地质条件下防灭火材料的整体用量；室内实验的流程包括如下步骤：
1)将步骤S1获得的煤层顶板煤岩样制作成碎涨样品，碎涨样品破碎后的碎涨系数达到w；然后将碎涨样品和煤矿防灭火材料按照体积比1：X混合，煤矿防灭火材料均匀覆盖碎涨样品全表面，并养护3天以上，得到样品；
2)将步骤1)制作的样品在采煤工作面涌水强度p的水冲刷作用下冲刷t小时以上，t为采煤工作面涌水量峰值60％及以上持续的时间，通过相似水文地质条件采煤工作面观测获取。碎涨样品表面无防灭火材料覆盖面积超过碎涨样品总表面积的10％，则调整X值，重新进行实验，直至碎涨样品表面无防灭火材料覆盖面积不超过碎涨样品总表面积的10％；
采煤工作面涌水强度p的计算公式为：
其中，k为安全系数，取1.1～1.5，S为采煤工作面面积，通过工作面测量获取；
3)计算得到采煤工作面注入防灭火材料总量N，N＝X×M×S。
S5、煤炭开采前，在每个周期来压段内埋设一个温度传感器；
S6、煤炭开始开采，每次周期来压之后，向采空区以步骤S4确定的用量注入防灭火材料，每次采空区注入防灭火材料量为E，E的计算公式为：
其中，N为采煤工作面注入防灭火材料总量；L为采煤工作面走向长度，通过采煤工作面设计图获得；
S7、当步骤S5的温度传感器反馈检测到的温度超过设定温度55℃时，则对温度传感器所在的点区进行防灭火材的补注，每个点区每次的补注量为E；
S8、煤炭开采未发生火灾，实现安全开采。
本发明的相关具体实施例如下：
实施例1
某煤矿煤层有自燃倾向性，需要进入防灭火工作。同时该煤矿上覆涌水量为静态涌水量，短时间涌水量较大，容易将传统的黏土浆液冲刷，后期涌水量较少时大量的煤渣暴露在空气中，引起火灾。为达到防灭火的目的，采用以下材料及方法，具体如下：
本实施例提供一种煤矿防灭火材料，包括黏土100份，巨大芽孢杆菌菌粉30份，尿素20份，氯化钙40份，高温可溶解微胶囊40份。所述黏土是指蒙脱石矿物含量小于20％的黏土。所述巨大芽孢杆菌菌粉是指活菌浓度达到每克有效活菌是1000亿及以上。所述高温可溶解微胶囊是指45～55℃可完全释放内部成份的胶囊外衣，高温可溶解微胶囊的内容物含有牛肉蛋白胨15份，酵母提取物4份，NaCl 10份，尿素20份，氯化钙20份。胶囊外衣的质量相对于内容物的质量可忽略不计。
本实施例提供煤矿安全开采方法，包括下述步骤：
步骤一：煤炭开采前，获取相关地质参数，并取得煤层及顶板煤岩样。地质参数包括采煤的厚度M＝3米和开采煤层的顶板岩层的碎涨系数w＝1.04。其中，M通过钻孔柱状图获得。w通过取样测试获得。
步骤二：煤炭开采前，计算采煤工作面的矿井涌水量Q＝143m
步骤三：煤炭开采前，获取采煤的周期来压步距D＝12米。所述采煤的周期来压步距，是指通过公知的数值模拟实验获得。
步骤四：煤炭开采前，通过室内实验获得采矿地质条件下防灭火材料中黏土、巨大芽孢杆菌菌粉、尿素、氯化钙的配比和注入防灭火材料量。
室内实验流程为：
①制作样品。步骤一获得的煤层顶板煤岩样制作成碎涨样品与煤矿防灭火材料按照体积比例1：0.3混合，防灭火材料均匀覆盖碎涨样品全表面，并养护3天以上，碎涨样品是指获取的样品破碎后碎涨系数达到w＝1.04。
②实验过程。将制作的样品，在采煤工作面涌水强度p的水冲刷作用下，冲刷24小时以上，碎涨样品表面无防灭火材料覆盖面积超过碎涨样品总表面积的10％则调整防灭火材料中黏土、巨大芽孢杆菌菌粉、尿素、氯化钙的配比或X值，重新进行实验，直至碎涨样品表面无防灭火材料覆盖面积不超过碎涨样品总表面积的10％，最终确定的配方为黏土100份，巨大芽孢杆菌菌粉30份，尿素20份，氯化钙40份，高温可溶解微胶囊40份，X为0.3。
采煤工作面涌水强度
③计算得到采煤工作面注入防灭火材料总量N＝X×M×S＝6.3万m
步骤五：煤炭开采前在每个周期来压段内埋设一个温度传感器。
步骤六：煤炭开始开采，每次周期来压之后，向采空区以步骤四确定的防灭火材料配方注入防灭火材料，每次采空区注入防灭火材料量
步骤七：当步骤五的温度传感器点反应温度超过55℃，则对温度传感器点进行补注。补注的材料仍然为步骤四的配方，每个点的补注量为E。共有8个点发生了预警，每个点补注75.6m
步骤八：煤炭开采未发生火灾，实现安全开采。
以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。