周 平，邢立杰，范向軍，劉 芬

(徐礦集團(tuán)郭家河煤業(yè)有限責(zé)任公司，陜西 寶雞721500)

0 引 言

高產(chǎn)高效集約化礦井已成為現(xiàn)代礦井發(fā)展的趨勢(shì)［1-3］，在神華、淮南、晉城、同煤等礦區(qū)，一些礦井的生產(chǎn)能力已達(dá)10 Mt/a 以上，并且礦井工作面數(shù)量縮減至1 -2 個(gè)，基本達(dá)到一礦一面或者一礦兩面就可以完成生產(chǎn)任務(wù)［4-6］。由于綜合機(jī)械化釆煤開釆強(qiáng)度大、生產(chǎn)集中、推進(jìn)速度快，勢(shì)必使得工作面煤炭外運(yùn)速度加快，外運(yùn)時(shí)間縮短，直接送入礦井地面儲(chǔ)煤倉(cāng)［7-9］。綜合對(duì)煤質(zhì)、管理、環(huán)境等方面的考慮，儲(chǔ)煤倉(cāng)被設(shè)計(jì)成封閉的筒倉(cāng)結(jié)構(gòu)。郭家河煤礦儲(chǔ)煤倉(cāng)就是筒倉(cāng)結(jié)構(gòu)，其容量為3.3 萬t，居國(guó)內(nèi)前列。

煤倉(cāng)內(nèi)松散煤體的蓄熱條件好，儲(chǔ)存熱量大，難以釋放，高溫范圍大，滅火難度大。大量的可燃可爆氣體在煤倉(cāng)內(nèi)積聚，遇火源極易發(fā)生爆炸，滅火危險(xiǎn)性大［10-11］。礦井儲(chǔ)煤倉(cāng)發(fā)生事故，勢(shì)必影響礦井生產(chǎn)的整體運(yùn)行，對(duì)礦井安全高效生產(chǎn)產(chǎn)生嚴(yán)重影響。近幾年礦井機(jī)械化水平不斷提高，煤炭產(chǎn)量持續(xù)增加，儲(chǔ)煤倉(cāng)發(fā)火現(xiàn)象頻發(fā)，己經(jīng)成為郭家河煤礦安全、高效生產(chǎn)的嚴(yán)重問題之一。

1 郭家河儲(chǔ)煤倉(cāng)簡(jiǎn)介

太陽能儲(chǔ)煤倉(cāng):高度76 m，內(nèi)徑35 m，3 個(gè)原煤倉(cāng)可儲(chǔ)原煤10 萬余噸，原煤倉(cāng)安裝了太陽能光伏面板，發(fā)電量滿足了礦區(qū)道路的照明，既降低倉(cāng)壁溫度及發(fā)火的風(fēng)險(xiǎn)，又美化了礦區(qū)環(huán)境。

煤炭在儲(chǔ)存過程中自燃現(xiàn)象經(jīng)常發(fā)生，如地面煤堆、煤倉(cāng)自燃著火，產(chǎn)生大量的有毒有害氣體，造成了巨大的資源浪費(fèi)和嚴(yán)重的環(huán)境污染。郭家河煤礦儲(chǔ)煤倉(cāng)為圓桶型封密閉式鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，直徑為35 m，高度為76 m，在國(guó)內(nèi)屬大型地面儲(chǔ)煤倉(cāng)之一，倉(cāng)頂有入煤口4 個(gè)，自然通風(fēng)孔10個(gè)，倉(cāng)底有放煤口9 個(gè)，單個(gè)儲(chǔ)煤倉(cāng)設(shè)計(jì)儲(chǔ)煤量3.3 萬t. 在早期投產(chǎn)時(shí)，因經(jīng)驗(yàn)不足，煤倉(cāng)內(nèi)煤未能放空，造成內(nèi)部熱量積聚，導(dǎo)致煤自燃著火，煤倉(cāng)頂部出現(xiàn)冒煙，受到煤倉(cāng)的“煙囪效應(yīng)”，冒煙的情況越來越嚴(yán)重，最后出現(xiàn)明火，導(dǎo)致放煤口出現(xiàn)燒紅結(jié)焦，給安全生產(chǎn)帶來了極大的隱患，儲(chǔ)煤倉(cāng)照片如圖1 所示。

圖1 儲(chǔ)煤倉(cāng)照片F(xiàn)ig.1 Coal storage

2 儲(chǔ)煤倉(cāng)發(fā)火原因

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，結(jié)合煤的特性和儲(chǔ)煤倉(cāng)的結(jié)構(gòu)，現(xiàn)對(duì)儲(chǔ)煤倉(cāng)發(fā)火原因分析如下。

1)儲(chǔ)煤倉(cāng)容量大，居國(guó)內(nèi)前列，易儲(chǔ)存熱量。

2)煤的自燃特性。郭家河煤礦3#煤層，1305工作面煤樣自燃傾向性等級(jí)屬Ⅰ類，容易自燃，最短自燃發(fā)火期為37 d.

3)倉(cāng)內(nèi)煤炭滯留時(shí)間過長(zhǎng)，煤堆內(nèi)部氧化反應(yīng)產(chǎn)生的熱量得不到很好散失，長(zhǎng)期積聚升溫，導(dǎo)致煤炭“自燃”。

4)倉(cāng)壁的粘壁現(xiàn)象。由于煤中含有一定的水分，在倉(cāng)壁或漏口壁的積煤，受存煤壓實(shí)的影響被擠壓在倉(cāng)壁上，與倉(cāng)壁緊密粘在一起，就出現(xiàn)了粘壁現(xiàn)象。

5)空氣炮增加了供氧量。現(xiàn)在多數(shù)儲(chǔ)煤倉(cāng)運(yùn)用了空氣炮破拱防堵裝置，對(duì)解決儲(chǔ)煤倉(cāng)堵煤?jiǎn)栴}收到了明顯的效果，起到效果的同時(shí)也增加了煤倉(cāng)內(nèi)部的供氧量，對(duì)儲(chǔ)煤倉(cāng)防滅火十分不利。

預(yù)防和消除圓筒煤倉(cāng)煤炭自燃:一是減少倉(cāng)內(nèi)漏風(fēng)量;二是縮短倉(cāng)內(nèi)煤炭的滯留時(shí)間。實(shí)際生產(chǎn)管理，要做到這兩點(diǎn)有一定難度。這就需要從技術(shù)上設(shè)計(jì)出更加科學(xué)合理的圓筒儲(chǔ)煤倉(cāng)，并從管理上掌握倉(cāng)內(nèi)煤炭的狀況。

3 儲(chǔ)煤倉(cāng)滅火處理方案

郭家河煤礦在儲(chǔ)煤倉(cāng)發(fā)火技術(shù)研究吸取了國(guó)內(nèi)先進(jìn)做法，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，提出2 種方案對(duì)儲(chǔ)煤倉(cāng)進(jìn)行處理，方案如下。

方案1:用高速水霧噴頭在放煤口放煤滅火。

在擋箱上安裝噴頭，此噴頭角度對(duì)準(zhǔn)給煤機(jī)出煤位置，并在每個(gè)放煤口的皮帶上加設(shè)噴霧架桿，每個(gè)腳桿上安裝2 個(gè)噴頭，架桿數(shù)量根據(jù)發(fā)火情況增加。

優(yōu)點(diǎn):需要人員少，材料成本低，操作簡(jiǎn)單，速度快。

缺點(diǎn):受儲(chǔ)煤倉(cāng)內(nèi)煤量限制。

方案2:用惰化性能好的液態(tài)二氧化碳滅火。

根據(jù)發(fā)火位置，在放煤口向儲(chǔ)煤倉(cāng)內(nèi)打眼，插入花管，再用高壓膠管與儲(chǔ)存液態(tài)二氧化碳槽車直接連接，向儲(chǔ)煤倉(cāng)內(nèi)壓注液態(tài)二氧化碳滅火。

優(yōu)點(diǎn):降溫效果好、不受儲(chǔ)煤倉(cāng)內(nèi)煤量限制。

缺點(diǎn):成本較高、工序較復(fù)雜、需要人員多。

3.1 方案確定

通過從成本、工藝、倉(cāng)位、人員3 方面對(duì)方案1與方案2 進(jìn)行比較，采用高速水霧噴頭在放煤口放煤滅火為主防滅火措施，迅速放煤，從而控制火區(qū)的進(jìn)一步發(fā)展，同時(shí)根據(jù)儲(chǔ)煤倉(cāng)實(shí)際情況和火區(qū)治理的緊迫性與安全性，將儲(chǔ)煤倉(cāng)上方的噴淋降溫和放煤口放煤高速水霧噴頭滅火同時(shí)進(jìn)行。

3.2 方案具體實(shí)施過程

在擋箱上加設(shè)一個(gè)霧化角度為120°的噴頭，此噴頭角度對(duì)準(zhǔn)給煤機(jī)出煤位置，并分別在每個(gè)放煤口前的134#，135#，136#皮帶上加設(shè)噴霧架桿，每個(gè)腳桿上安裝2 個(gè)霧化角度為60°的噴頭，噴霧架桿數(shù)量根據(jù)發(fā)火情況增加，并在放煤口安全范圍內(nèi)放置一定數(shù)量的滅火器材，以上工作就緒后，放煤口開始放煤，嚴(yán)格控制各個(gè)放煤口的放煤量。噴霧和噴霧架桿安裝示意圖如圖2，3 和4 所示。

圖2 噴霧和噴霧架桿安裝示意圖Fig.2 Installation schematic diagram of spray and spray stand

圖3 擋箱噴霧安裝剖面圖Fig.3 Installation section diagram of carriage spray

圖4 噴霧架桿剖面圖Fig.4 Section diagram of spray stand

首先將各個(gè)噴霧設(shè)計(jì)要求安裝到指定位置，根據(jù)儲(chǔ)煤倉(cāng)發(fā)火情況，安設(shè)8 個(gè)噴霧架桿，并將消防管路按要求鋪設(shè)到各給煤機(jī)出口備用，以及配備一定數(shù)量的滅火器材，同時(shí)各轉(zhuǎn)載點(diǎn)安排專人警戒，防止倉(cāng)內(nèi)火勢(shì)較大而無法控制及自燃炭在運(yùn)輸走廊彌漫。保持和運(yùn)輸控制臺(tái)通訊聯(lián)絡(luò)，設(shè)專人檢測(cè)工作區(qū)域瓦斯、一氧化碳和溫度，及時(shí)掌握各種氣體和出煤變化情況。

圖5 儲(chǔ)煤倉(cāng)自然升溫過程中指標(biāo)氣體濃度與時(shí)間的關(guān)系曲線Fig.5 Curve of relation between gas concentration and time in the process of natural warming in coal storage

圖6 儲(chǔ)煤倉(cāng)自然升溫過程中放煤口溫度與時(shí)間的關(guān)系曲線Fig.6 Curve of relation between coal exit temperature and time in the process of natural warming in coal storage

4 效果檢驗(yàn)

從圖5 可以看出，9 月22 日開始，儲(chǔ)煤倉(cāng)內(nèi)的CO 濃度不斷升高，同時(shí)取氣樣分析，發(fā)現(xiàn)CO2也有升高趨勢(shì)，在9 月29 日CO 濃度達(dá)到最大值321.7 ×10-7，22 日至30 日持續(xù)9 天發(fā)現(xiàn)有C2H4出現(xiàn)。與此同時(shí)，利用便攜式紅外測(cè)溫儀對(duì)儲(chǔ)煤倉(cāng)的放煤口進(jìn)行溫度監(jiān)測(cè)，從圖6 可以看出，部分儲(chǔ)煤倉(cāng)放煤口溫度從9 月25 日開始持續(xù)升高，到9 月30 日106#給煤機(jī)周圍溫度最高達(dá)到47 ℃，而9 月15 日—9 月25 日區(qū)間段的溫度略高于10 月4日—10 月15 日區(qū)間段的溫度，此現(xiàn)象只要是由于我礦海拔較高，晝夜溫差較大造成的，屬正常現(xiàn)象，整個(gè)溫度曲線呈“牛仔帽”形狀。綜合以上數(shù)據(jù)分析，判斷儲(chǔ)煤倉(cāng)已自然發(fā)火，且在放煤過程中出現(xiàn)火炭，立即采取相關(guān)措施后，于9 月30 日，儲(chǔ)煤倉(cāng)內(nèi)的CO，CO2濃度不斷減少，隨后指標(biāo)氣體C2H4濃度為零，C2H4濃度不斷減少。在10 月7日3#儲(chǔ)煤倉(cāng)各項(xiàng)標(biāo)志氣體指標(biāo)呈正常值，倉(cāng)內(nèi)自然現(xiàn)象消除，確保安全生產(chǎn)。

5 結(jié) 論

通過對(duì)郭家河特大型儲(chǔ)煤倉(cāng)發(fā)火原因進(jìn)行詳細(xì)分析，得出發(fā)火最根本的原因是煤倉(cāng)易儲(chǔ)存熱量，漏風(fēng)量大和倉(cāng)內(nèi)煤炭滯留時(shí)間過長(zhǎng)。針對(duì)儲(chǔ)煤倉(cāng)發(fā)火做出合理的應(yīng)對(duì)方案，及時(shí)將發(fā)火問題得以處理，使儲(chǔ)煤倉(cāng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。郭家河煤礦根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，提出了2 種儲(chǔ)煤倉(cāng)防滅火方案，通過從成本、工藝、倉(cāng)位、人員和周期5 方面對(duì)其比較后，最終采用高速水霧噴頭在放煤口放煤滅火的方案，處理過程發(fā)現(xiàn)該方案滅火周期短、材料消耗少、人員和成本投入少、操作簡(jiǎn)單，能有效解決特大型儲(chǔ)煤倉(cāng)發(fā)火問題。處理結(jié)束后，并對(duì)儲(chǔ)煤倉(cāng)進(jìn)行連續(xù)監(jiān)控，最終儲(chǔ)煤倉(cāng)各項(xiàng)標(biāo)志氣體指標(biāo)呈正常值，倉(cāng)內(nèi)自然現(xiàn)象消除。

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