趙兵文魏文柱

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)資源與安全工程學(xué)院,北京市海淀區(qū),100083;2.冀中能源股份有限公司,河北省邢臺(tái)市,054021)

邢臺(tái)礦區(qū)下組煤開采綜放工作面防滅火技術(shù)

趙兵文1,2魏文柱2

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)資源與安全工程學(xué)院,北京市海淀區(qū),100083;2.冀中能源股份有限公司,河北省邢臺(tái)市,054021)

針對(duì)邢臺(tái)礦區(qū)采用綜采放頂煤工藝開采的高硫易自燃下組煤層自然發(fā)火的問(wèn)題,進(jìn)行了煤層自燃特性、指標(biāo)氣體的分析,建立了以束管監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)、三相泡沫防滅火、復(fù)合漿體沿空巷道噴涂隔風(fēng)以及均壓防滅火為主體的綜合防滅火技術(shù)體系,取得了明顯效果。

下組煤 防滅火 指標(biāo)氣體 三相泡沫 沿巷噴涂 綜放工作面

1 邢臺(tái)礦區(qū)下組煤開采及自燃概況

1.1 下組煤開采概況

邢臺(tái)礦區(qū)下組煤主采煤層是9#煤層,煤層厚度5～9 m,采用綜采放頂煤技術(shù)開采,煤層含硫一般在3%以上,由于下組煤自然發(fā)火期短,開采期間自燃火災(zāi)防治困難。

1.2 自燃原因分析

經(jīng)分析,9#煤層自燃的主要原因?yàn)槿缦?個(gè)方面。

(1)采用沿空掘巷方式掘進(jìn)巷道,造成采空區(qū)漏風(fēng)加大,增大了煤炭自燃的風(fēng)險(xiǎn)。

(2)煤層底板為奧灰含水層,難以布置巖巷,礦井的主要巷道均為煤巷,巷道裂隙長(zhǎng)時(shí)間氧化易造成自燃。

(3)采用放頂煤工藝采煤,采空區(qū)遺煤量相對(duì)較多,自燃危險(xiǎn)性較大。

(4)9#煤層為高含硫自然發(fā)火煤層,煤層平均含硫量達(dá)4.18%,由于硫?qū)γ旱难趸龠M(jìn)作用,增加了煤炭自燃傾向性,客觀上縮短了煤層自然發(fā)火期。

2 煤自燃的指標(biāo)氣體分析

對(duì)葛泉礦東井煤層取樣進(jìn)行煤自燃的指標(biāo)氣體分析,找到了氣體與溫度的關(guān)系,見(jiàn)圖1。

圖1 9#煤層自燃指標(biāo)氣體與溫度的關(guān)系

由圖1可以看出,煤樣在30℃到200℃的氧化過(guò)程中都有規(guī)律地出現(xiàn) CO、CO2、CH4、C2H6、C2H4、C2H2,其產(chǎn)生率隨煤溫上升基本呈指數(shù)上升趨勢(shì)。30℃時(shí)出現(xiàn) CO、CH4、C3H8氣體,50℃時(shí)出現(xiàn) C2H6、C3H8氣體,120℃時(shí)出現(xiàn)C2H4氣體,190℃時(shí)出現(xiàn)C2H2氣體。說(shuō)明此煤樣發(fā)生更為強(qiáng)烈的氧化反應(yīng),高溫發(fā)熱區(qū)進(jìn)一步擴(kuò)大,可視為煤自燃氧化進(jìn)入燃燒期的標(biāo)志,即出現(xiàn)明火。CO在30℃時(shí)開始出現(xiàn),在低溫階段其生成量較小,至 110℃只有 0.0068%,但在 120～130℃時(shí)CO量迅速增加,說(shuō)明此時(shí)煤已經(jīng)開始迅速氧化。因此,葛泉礦東井的自燃火災(zāi)隱蔽性較強(qiáng),不能單純的以CO為火災(zāi)預(yù)測(cè)指標(biāo)。

將煤氧化過(guò)程中生成的C2H6與C3H8求比值得鏈烷比H,結(jié)果如圖1(d)所示。由圖可知,在70～110℃時(shí),H值由0.133快速增大至0.613,對(duì)區(qū)間擬合可得方程:

相關(guān)性系數(shù)R2=0.9845。該方程式可作為低溫階段,CO濃度不敏感條件下預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)煤自燃的重要參數(shù)。通過(guò)對(duì)煤炭低溫氧化實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析,可初步選擇以CO和 H作為對(duì)葛泉礦東井煤炭自燃的預(yù)報(bào)指標(biāo),C2H4、C2H2分別作為高溫發(fā)熱區(qū)和明火出現(xiàn)的標(biāo)志。

3 綜合防滅火技術(shù)體系

3.1 建立全方位自燃早期預(yù)報(bào)系統(tǒng)

利用人工檢測(cè)、安全監(jiān)控和礦井火災(zāi)束管色譜監(jiān)測(cè)3種手段相結(jié)合,建立起“三位一體”的全方位煤炭自燃早期預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)系統(tǒng)。

3.1.1 人工檢測(cè)

工作面瓦斯員每班用紅外線測(cè)溫儀、O2和CO等便攜式氣體分析儀,在回風(fēng)隅角和后刮板輸送機(jī)機(jī)頭等防火觀測(cè)點(diǎn)進(jìn)行氣體檢測(cè)。同時(shí),在工作面液壓支架間采取氣樣,進(jìn)行氣相色譜儀分析,根據(jù)指標(biāo)氣體的成份與濃度,分析煤的自然發(fā)火程度。

3.1.2 安全監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)

利用煤礦安全監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng),加強(qiáng)對(duì)CO濃度的連續(xù)在線自動(dòng)監(jiān)測(cè)。在工作面回風(fēng)巷內(nèi)和上隅角安設(shè)CO傳感器、溫度傳感器等監(jiān)控探頭,實(shí)現(xiàn)對(duì)煤層自燃情況的連續(xù)自動(dòng)監(jiān)測(cè)。

3.1.3 束管監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

利用 KSS-200煤礦自燃火災(zāi)束管監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)礦井自燃火災(zāi)進(jìn)行預(yù)報(bào)工作。系統(tǒng)可對(duì)井下防火觀測(cè)點(diǎn)的 O2、N2、CO、CH4、CO2、C2H4、C2H6和C2H2等氣體實(shí)現(xiàn)24 h的連續(xù)循環(huán)監(jiān)測(cè),通過(guò)計(jì)算機(jī)鏈烷比的計(jì)算,及時(shí)分析、預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)發(fā)火點(diǎn)的溫度變化。

3.2 三相泡沫防滅火技術(shù)

工作面遇斷層或地質(zhì)構(gòu)造異常區(qū)時(shí),由于推進(jìn)速度降低或停采,采空區(qū)內(nèi)同一地點(diǎn)的遺煤氧化蓄熱時(shí)間加長(zhǎng),氧化升溫速度加快。這時(shí),除進(jìn)一步減少配風(fēng)量,提前加大上、下隅角、采空區(qū)灌漿量外,利用工作面后部預(yù)埋注漿管及工作面內(nèi)煤壁一側(cè)地點(diǎn)施工鉆場(chǎng),通過(guò)施工鉆孔向整個(gè)工作面架后3～5 m范圍采空區(qū)反復(fù)注“三相泡沫”防滅火材料,使“三相泡沫”在采空區(qū)內(nèi)擴(kuò)散、滲透,向高處堆積,降低高溫浮煤的溫度,見(jiàn)圖2。

圖2 工作面管路布置示意圖

3.3 沿空巷道的噴涂技術(shù)

為節(jié)約煤炭資源,提高煤炭采出率,9#煤層開采采用沿空掘巷方式布置巷道。由于巷道周圍的煤體因承受地壓作用而產(chǎn)生大量的裂隙,造成采空區(qū)和巷道煤柱的漏風(fēng)量加大,風(fēng)流滲流至采空區(qū),客觀上為煤炭自燃提供了條件,增大了煤炭自燃的風(fēng)險(xiǎn)。為減少沿空巷道的漏風(fēng)問(wèn)題,結(jié)合傳統(tǒng)的黃泥注漿工藝,研制了復(fù)合漿體材料及噴涂工藝,通過(guò)對(duì)巷道頂、幫及頂板破碎的巷道段進(jìn)行噴漿,有效防止了漏風(fēng)。

3.3.1 復(fù)合漿體材料

復(fù)合漿體材料以粘土、水泥為基料,輔以添加劑、玻璃纖維,按照一定工序配制而成,具有懸浮性強(qiáng)、初凝時(shí)間短、凝固后耐沖洗、不易開裂和成本低等優(yōu)點(diǎn)。壓汞試驗(yàn)和電鏡掃描結(jié)果表明,復(fù)合漿體材料中孔體積所占比例高達(dá)76.04%,粗大裂隙不發(fā)育,滲透系數(shù)僅為1.181×10-10mm/s,隔風(fēng)性能優(yōu)良。

3.3.2 制漿系統(tǒng)

制漿系統(tǒng)是地面固定注漿系統(tǒng)的核心子系統(tǒng),其性能決定了地面固定注漿系統(tǒng)的注漿能力和工作效率。制漿系統(tǒng)構(gòu)成如圖3所示,主要包括粘土單漿制漿系統(tǒng)和水泥下料控制裝置,粘土單漿制漿系統(tǒng)可制成一定比重和粘度的粘土單漿液,水泥下料控制裝置通過(guò)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的控制可向粘土單漿制漿系統(tǒng)中加入一定量的水泥粉,通過(guò)攪拌制成復(fù)合漿體材料。

圖3 制漿系統(tǒng)示意圖

3.3.3 井下噴注裝置

噴涂復(fù)合漿體材料的裝置為自制的“人字形”噴槍,采用6分鐵管制成,噴槍及其管路連接見(jiàn)圖4。噴槍設(shè)有2個(gè)進(jìn)口端,通過(guò)軟管分別與注漿管路和壓風(fēng)管路相連,其中在進(jìn)口端處設(shè)有閥門,在噴漿時(shí)工人通過(guò)閥門調(diào)節(jié)漿液和壓風(fēng)的進(jìn)入量。另外,在“人字形”噴槍與壓風(fēng)管路連接的膠管上還裝有止回閥和減壓閥,使壓風(fēng)以一定壓力單向流入噴槍,保證噴涂作業(yè)人員的安全。

圖4 “人字形”噴槍及其管路連接示意圖

3.4 均壓防滅火技術(shù)

當(dāng)工作面回采結(jié)束后,首先拆除工作面運(yùn)輸巷內(nèi)設(shè)備,并對(duì)運(yùn)輸巷進(jìn)行封閉。在靠近工作面運(yùn)料巷的進(jìn)風(fēng)巷道內(nèi)安裝局部通風(fēng)機(jī),將風(fēng)筒通過(guò)運(yùn)料巷接至工作面拆除支架處,進(jìn)行正壓通風(fēng),以減少采空區(qū)的漏風(fēng)。

對(duì)于采區(qū)周圍存在小窯采空區(qū),且有漏風(fēng)通道的工作面,由于小窯通風(fēng)負(fù)壓明顯低于大礦負(fù)壓,存在有小窯漏風(fēng)和有害氣體向大礦侵入的危險(xiǎn)。可在工作面進(jìn)風(fēng)巷設(shè)置帶有調(diào)節(jié)風(fēng)窗的局部通風(fēng)機(jī),局部通風(fēng)機(jī)安裝在風(fēng)窗的進(jìn)風(fēng)側(cè)。同時(shí),在回風(fēng)巷內(nèi)也設(shè)置調(diào)節(jié)風(fēng)窗。通過(guò)調(diào)整兩風(fēng)窗的面積,使工作面空氣的絕對(duì)壓力等于或稍高于采空區(qū)后部小窯漏風(fēng)處的絕對(duì)壓力,減少漏風(fēng),從而達(dá)到防止小窯有害氣體侵入和防止自然發(fā)火的目的。

從有利于調(diào)壓防滅火的角度出發(fā),在有漏風(fēng)源或漏風(fēng)匯附近的風(fēng)路上,通風(fēng)構(gòu)筑物不應(yīng)選擇在漏風(fēng)源和漏風(fēng)匯之間,應(yīng)將其設(shè)在漏風(fēng)源的進(jìn)風(fēng)側(cè),或漏風(fēng)匯的回風(fēng)側(cè)。對(duì)于采用U型通風(fēng)的工作面,工作面回采結(jié)束后,邊眼內(nèi)應(yīng)嚴(yán)禁構(gòu)筑擋風(fēng)墻。

4 工程應(yīng)用

以邢臺(tái)礦區(qū)葛泉礦東井為例,2007年5月5日,1192工作面在出現(xiàn)大范圍的高溫異常區(qū),通過(guò)采取三相泡沫滅火、均壓等技術(shù),5d后就迅速控制了火災(zāi)形勢(shì),工作面回風(fēng)流中CO降為0,C2H4也為0,且這些火災(zāi)標(biāo)志性氣體的濃度一直沒(méi)有再上升。工作面從5月28日開始撤架,6月12日順利拆完封閉,工作面在近45 d未推進(jìn)的情況下,火區(qū)未復(fù)燃,也沒(méi)有再次出現(xiàn)高溫異常區(qū)。

同時(shí)沿巷噴涂隔風(fēng)的效果也非常顯著,由圖5可以看出,葛泉礦東1191運(yùn)料巷噴涂后,1192采空區(qū)的氧氣濃度由12%下降至4.5%,說(shuō)明復(fù)合漿體材料隔風(fēng)性能優(yōu)越,能有效防止采空區(qū)煤炭自燃。

圖5 1191運(yùn)料巷噴涂前后1192采空區(qū)氧氣濃度變化

5 結(jié)論

(1)針對(duì)邢臺(tái)礦區(qū)采用綜采放頂煤開采的高硫自燃下組煤層發(fā)火特點(diǎn),進(jìn)行了自燃指標(biāo)氣體的分析,選擇以CO和H作為對(duì)煤炭自燃的預(yù)報(bào)指標(biāo),C2H4、C2H2分別作為高溫發(fā)熱區(qū)、明火出現(xiàn)的標(biāo)志。

(2)建立了綜合防滅火技術(shù)體系。以束管監(jiān)測(cè)和煤體溫度監(jiān)測(cè)相結(jié)合作為煤炭自然發(fā)火的早期預(yù)報(bào)系統(tǒng);以三相泡沫防滅火技術(shù)撲滅采空區(qū)火災(zāi);沿空巷道噴涂隔風(fēng)復(fù)合漿體防滅火技術(shù)解決了沿空巷道向采空區(qū)漏風(fēng)引起煤層自燃的難題;實(shí)施均壓防滅火技術(shù)合理分配工作面風(fēng)量,減小了采空區(qū)的漏風(fēng)狀況。

[1]梁曉瑜,王德明,秦波濤等.粉煤灰三相泡沫防治煤炭自燃的應(yīng)用研究[J].中國(guó)煤炭,2006(10)

[2]吳超,孟廷讓.高硫礦井內(nèi)因火災(zāi)防治理論與技術(shù)[M].北京:冶金工業(yè)出版社,1995

[3]周福寶,王德明,章永久等.含氮?dú)馊嗯菽杌饏^(qū)的機(jī)理及應(yīng)用研究[J].煤炭學(xué)報(bào),2005(4)

[4]周福寶,李金海,劉應(yīng)科等.復(fù)合漿體噴涂新材料及其隔風(fēng)特性[J].煤炭學(xué)報(bào),2010(7)

(責(zé)任編輯 梁子榮)

Fire prevention and fighting technology at the lower-coal seams’fully mechanized cavingmining face of Xingtaimining area

Zhao Bingwen1,2,Wei Wenzhu2
(1 School of Resources and Safety Engineering,China University of Mining and Technology,Haidian,Beijing 100083,China;2 Jizhong Energy Resources Co.,Ltd,Xingtai,Hebei 054021,China)

Fully mechanized cavingmining method is used in Xingtaimining area tomine the high sulfur content lower-coal seams,and this will cause coal liable to spontaneous ignition.To settle this issue,the author analyzed the characters of coal seams spontaneous ignition and index gas,and a comprehensive technology system for fire prevention and fighting is established through setting up a monitoring and forecasting system,using three-phase foam extinguishing material,making gunniting to roadway by using compounding material to seal oxygen,and using equal-pressure fire prevention technology.A sound result has been achieved based on above.

lower-coal seams,fire prevention and fighting,index gas,three-phase foam,roadway gunniting,fully mechanized swb-level caving coal face

TD752

B

趙兵文(1963-),男,河北任縣人,正高級(jí)工程師,長(zhǎng)期從事煤礦生產(chǎn)技術(shù)管理工作,中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)資源與安全工程學(xué)院博士研究生,現(xiàn)任冀中能源股份有限公司總工程師。