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        綜合防滅火技術(shù)在巷道高冒區(qū)火災(zāi)中的應(yīng)用

        2019-08-05 01:44:50孫令超
        煤礦安全 2019年6期

        孫令超,王 斌

        (1.瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗室,重慶 400037;2.中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司,重慶 400037;3.內(nèi)蒙古福城礦業(yè)有限公司,內(nèi)蒙古 鄂托克前旗 016217)

        煤層自燃是常見的礦井火災(zāi)之一,它不僅會燒掉大量的煤炭資源,嚴(yán)重破壞正常的生產(chǎn)秩序;還會消耗掉風(fēng)流中氧氣,產(chǎn)生大量的熱能、有毒有害氣體和粉塵,甚至引發(fā)爆炸等其他事故[1]。煤層自燃不同于其他類型的火災(zāi),具有陰燃、火源隱蔽、貧氧氧化、易復(fù)燃、防控極難等特點(diǎn),常發(fā)生在采空區(qū)、巷道高冒區(qū)等地方[2]。在礦井巷道掘進(jìn)過程中,受地質(zhì)構(gòu)造應(yīng)力、煤層瓦斯壓力、地應(yīng)力等影響煤巖體會拋向巷道,繼而形成高冒區(qū)[3-5]。由于高冒區(qū)孔洞周圍存在大量孔裂隙,煤體極為破碎,若巷道有大量風(fēng)流通過,在漏風(fēng)供氧和蓄熱持續(xù)一定時間的情況下,易引發(fā)巷道高冒區(qū)煤層自燃[6-7]。巷道高冒區(qū)煤層自燃產(chǎn)生大量的煙塵、CO等有毒有害氣體會迅速進(jìn)入其他巷道,嚴(yán)重威脅礦井安全生產(chǎn)。然而高冒區(qū)煤體高溫點(diǎn)極其隱蔽且易復(fù)燃,若采用單一的滅火措施難以有效撲滅火災(zāi)[8-9]。特別對于高瓦斯礦井,研究適合巷道高冒區(qū)自燃火災(zāi)治理方法意義重大。針對玉舍煤礦1260運(yùn)輸巷高冒區(qū)自燃火災(zāi),在分析火災(zāi)成因基礎(chǔ)上提出采用噴漿堵漏、注水降溫、注漿阻化相結(jié)合的綜合滅火技術(shù)進(jìn)行滅火,取得了良好的效果。

        1 火區(qū)概況

        貴州格目底礦業(yè)有限公司玉舍煤礦一期設(shè)計能力90萬t/a,采用斜井開拓方式,布置有1260運(yùn)輸石門、1260軌道石門、1260回風(fēng)石門以作為采區(qū)生產(chǎn)巷道。3條石門通過聯(lián)絡(luò)巷連通,且設(shè)有雙向防突風(fēng)門。其中,1260運(yùn)輸巷在揭露k9煤層過程中發(fā)生煤巖體垮落,形成φ2 m×2.6 m的斜錐形高冒區(qū)。揭露點(diǎn)處k9煤層結(jié)構(gòu)較復(fù)雜,其上部夾1~3層隱晶高嶺石泥巖夾矸,煤層厚度為2.4 m,傾角為22°,為II類自燃煤層。受地質(zhì)構(gòu)造應(yīng)力影響煤層頂?shù)装鍘r石極其破碎,該破碎帶總長度約20 m,巖石呈魚鱗狀。該高冒區(qū)內(nèi)部堆砌木料,并按0.7 m的間距架設(shè)U型鋼棚進(jìn)行支護(hù)。高冒區(qū)形成72 d后,在定期高冒區(qū)檢查中發(fā)現(xiàn)CO高達(dá)56×10-6,2 d內(nèi)急增至1 800×10-6,并探查到C2H4的出現(xiàn)。該巷道濃煙滾滾,嚴(yán)重威脅礦井生產(chǎn)安全。

        2 高冒區(qū)煤體自燃原因分析

        2.1 煤體自燃條件

        目前為止,為大部分學(xué)者所認(rèn)可的煤氧復(fù)合作用學(xué)說認(rèn)為,煤體自燃必須具備4個條件:①有自燃傾向性的煤以破碎狀態(tài)存在;②有氧含量大于12%的空氣通過破碎煤體;③破碎煤體有聚集氧化熱的條件;④上述條件同時具備且持續(xù)較長一段時間的,使煤體達(dá)到著火點(diǎn)溫度。

        2.2 煤體自燃發(fā)展過程敘述

        煤的自燃發(fā)展過程分為準(zhǔn)備階段、氧化階段、穩(wěn)定燃燒階段[10]。不同自燃階段煤體溫度不同,產(chǎn)生CO、C2H4等自燃標(biāo)志性氣體的生成量也明顯不同。其中,準(zhǔn)備階段、氧化階段煤體溫度一般低于60℃,這一時期也稱為自熱潛伏期,該階段煤體氧化過程比較緩慢,產(chǎn)生少量的CO。當(dāng)溫度超過臨界溫度60~80℃時,煤溫急劇上升,氧化自動加速,煤開始出現(xiàn)干餾,將會產(chǎn)生C2H4、C2H2等。受地質(zhì)構(gòu)造應(yīng)力作用,1260運(yùn)輸巷揭露k9煤層時形成了高冒區(qū),且煤體極為破碎。由于采用木料無法完全將高冒區(qū)充填密實(shí),且未對高冒區(qū)前后范圍內(nèi)巖石破碎帶進(jìn)行注漿封堵,故空氣通過破碎帶裂隙及高冒區(qū)未封閉裂隙滲透進(jìn)入松散煤體中,形成穩(wěn)定的持續(xù)的供氧條件。在長期不斷聚集氧化熱的情況下,1260運(yùn)輸巷高冒區(qū)煤體發(fā)生了自燃。

        3 綜合滅火技術(shù)方案

        目前,國內(nèi)外常規(guī)防滅火技術(shù)采用破壞煤層燃燒條件的原理來撲滅火災(zāi),即降低煤的氧化自燃特性、減少漏風(fēng)、隔絕供氧、冷卻煤體、減少熱量積聚以及縮短煤炭接觸氧氣的時間。其中,高冒區(qū)滅火技術(shù)主要有控制漏風(fēng)、吸熱降溫、火區(qū)惰化、煤體阻化[1,11-13]。控制漏風(fēng)技術(shù)主要通過減少或杜絕向高冒區(qū)煤體連續(xù)供氧實(shí)現(xiàn)滅火,主要方法有泡沫噴抹、水泥噴漿、高分子材料噴涂。一般情況下,對于已經(jīng)發(fā)生自燃的火區(qū),僅靠該技術(shù)是無法實(shí)現(xiàn)火區(qū)滅火。吸熱降溫主要通過降低火區(qū)煤體溫度實(shí)現(xiàn)滅火,主要方法有注水、注漿等?;饏^(qū)惰化主要通過向火區(qū)輸入高濃度惰化氣體以破壞連續(xù)供氧條件而實(shí)現(xiàn)滅火,主要方法有注入氮?dú)狻⒍趸嫉榷栊詺怏w、注入三相泡沫等。煤體阻化主要通過噴灑阻化劑以降低煤體的氧化活性來實(shí)現(xiàn)防滅火,主要方法有噴灑CaCl2、MgCl2等鹽類等。

        3.1 防滅火技術(shù)措施與方案

        依據(jù)1260運(yùn)輸巷高冒區(qū)煤體自燃災(zāi)害特點(diǎn)及成因,擬定選用噴漿堵漏、注水降溫、注漿阻化相結(jié)合的綜合滅火技術(shù)方案。綜合滅火技術(shù)措施實(shí)施步驟為:首先,向1260運(yùn)輸巷高冒區(qū)注入大量冷水,防止災(zāi)害擴(kuò)大化;其次,對1260運(yùn)輸巷破碎帶進(jìn)行噴漿處理,噴漿長度至少超過破碎帶不低于5 m;最后,施工鉆孔探查火區(qū)范圍,通過鉆孔注水降低煤體溫度、注漿覆蓋破碎煤體,以撲滅高冒區(qū)自然發(fā)火。

        1)高冒區(qū)孔洞內(nèi)注水。高冒區(qū)煤體自燃產(chǎn)生的CO、碳?xì)浠衔锏瓤扇伎杀瑲怏w與CH4混合,會降低其爆炸濃度下限;在供氧充足且存在著火點(diǎn)的情況下易引發(fā)爆炸,嚴(yán)重威脅礦井生產(chǎn)安全。為此擬定將3根φ38 mm的鐵管送入高冒區(qū)頂部,并通過該管向高冒區(qū)內(nèi)部注水,總水量為0.9 m3/min。通過注入冷水,將充填的木料濕潤,防止引發(fā)木料火災(zāi)。同時,利用水受熱蒸發(fā)產(chǎn)生水蒸氣的特性,可排除孔洞內(nèi)的氧氣并阻止大量新鮮空氣通過木料縫隙進(jìn)入高冒區(qū),同時在煤體表面形成水膜,阻止氧氣與煤體直接接觸,破壞高冒區(qū)可燃?xì)怏w爆炸條件,防止災(zāi)害擴(kuò)大化。

        2)噴漿堵漏。噴漿堵漏,是以壓縮空氣為動力,用噴射機(jī)將細(xì)骨料混凝土以噴射方法覆蓋到破碎帶上,從而凝結(jié)硬化后形成混凝土結(jié)構(gòu)。該技術(shù)既能減少空氣通過破碎帶滲透入高溫煤體,又形成牢固的支護(hù),并改善圍巖應(yīng)力狀態(tài),提高圍巖強(qiáng)度,避免產(chǎn)生大量裂隙。為此擬定對巷道高冒區(qū)附近30 m范圍及高冒區(qū)孔洞內(nèi)噴射混凝土,噴漿厚度不低于50 m,從而阻止空氣通過巖石破碎帶裂隙滲透至高溫煤體。

        3)探明火區(qū)范圍。對于發(fā)生在巷道高冒區(qū)的自然發(fā)火,根據(jù)CO等指標(biāo)氣體出現(xiàn)位置、濃度及附近煤炭破碎情況,很容易判定火源點(diǎn)的位置。1260運(yùn)輸巷揭露k9煤層處附近存在巖體破碎帶,且附近30 m范圍內(nèi)無其他煤層,高冒區(qū)內(nèi)易自燃煤體破碎,故初步判斷該高冒區(qū)已發(fā)生煤層自燃。但是,火區(qū)的范圍無法確定,需要施工鉆孔進(jìn)行探查。因此,在聯(lián)絡(luò)巷中設(shè)置2臺ZY750D鉆機(jī),向高冒區(qū)附近煤體施工鉆孔,對火區(qū)的范圍進(jìn)行準(zhǔn)確的判定。鉆孔施工的技術(shù)要求:T1、T2列探查鉆孔位于1260東聯(lián)絡(luò)巷中,其開孔點(diǎn)位置分別距巷道交叉點(diǎn)13、11 m;T1、T2列探查鉆孔位于1260西聯(lián)絡(luò)巷中,其開孔點(diǎn)位置分別距巷道交叉點(diǎn)11、9 m;相鄰鉆孔間距為0.4 m,鉆孔直徑75 mm,孔深以穿過煤層頂板為止;鉆孔施工參數(shù)見表1。鉆孔施工過程中,觀察返水溫度情況;若返水溫度高于進(jìn)水溫度,則說明該鉆孔位于高溫煤體中。最終探明火區(qū)的范圍為1260運(yùn)輸巷道西側(cè)9 m、東側(cè)11 m。同時,探查鉆孔兼用于注水、注漿,鉆孔施工布置如圖1。

        表1 探查火區(qū)鉆孔施工參數(shù)

        圖1 注漿鉆孔布置示意圖

        4)注水注漿方案。不同的液體在煤巖體孔隙中滲透速度及范圍是不同的;一般情況下,相對于其他非可溶性漿液、純賓漢流體、黏度隨時間變化的牛頓流體、黏度隨時間變化的賓漢流體來說,水的滲透速率要快,滲透范圍要廣[14-16]。因此,通過向高溫煤體內(nèi)注入大量冷水,利用水在煤層孔裂隙的快速滲透擴(kuò)散作用,降低煤體溫度,控制火災(zāi)蔓延。注漿降溫主要通過向高溫煤體內(nèi)壓入大量漿液,充填煤體孔裂隙,堵塞漏風(fēng)供氧通道,水分和稠化劑滲入煤層內(nèi),在煤體表面形成一層阻氧膜,從而實(shí)現(xiàn)滅火。該方法具有工藝簡單、成本低廉、材料來源廣泛等優(yōu)點(diǎn)。注水與注漿方法的結(jié)合,可迅速降低煤體溫度并及時控制火災(zāi)發(fā)展,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)滅火。在聯(lián)絡(luò)巷中設(shè)置2臺ZY750D鉆機(jī),向高冒區(qū)附近煤體施工注漿鉆孔,鉆孔施工的技術(shù)要求:鉆孔開孔點(diǎn)位于聯(lián)絡(luò)巷中,開孔水平間距為1 m,鉛錘方向間距為0.5 m,分為5排施工,鉆孔直徑75 mm,孔深以穿過煤層頂板為止。根據(jù)礦井實(shí)際情況,選用BFZ-10/1.2(2.4)型礦用注漿封孔泵進(jìn)行注漿、注水。注漿選用水泥砂漿灌注工藝,該工藝直接將水泥按水土比例1∶2.5在攪拌桶混合,然后通過注漿泵將漿液壓入煤體中。注漿鉆孔施工參數(shù)見表2。

        表2 注漿鉆孔施工參數(shù)

        5)氣體濃度監(jiān)測方案。巷道高冒區(qū)空間狹小、其高溫點(diǎn)具有隱蔽性,故采用人工插管取樣檢測方法監(jiān)測氣體濃度變化。為了進(jìn)行跟蹤高冒區(qū)火災(zāi)發(fā)展情況,在高冒區(qū)內(nèi)部設(shè)置了監(jiān)測點(diǎn)1個,用以監(jiān)測CO、CH4、C2H4、O2濃度變化情況;其中,監(jiān)測點(diǎn)距離高冒區(qū)頂部約1 m。取樣人員每隔30 min使用取樣泵先將探管內(nèi)的殘存氣體排凈,然后抽取新鮮氣樣,用氣體檢定管直接現(xiàn)場測定氣體濃度。

        3.2 滅火措施效果

        自采取噴漿堵漏、注水降溫、注漿阻化相結(jié)合的綜合滅火技術(shù)開始,采用人工插管取樣方式取氣樣來檢測 CO、CH4、C2H4、O2濃度,滅火期間高冒區(qū) O2、CH4、C2H4、CO氣體濃度滅火變化曲線如圖2、圖3。由圖2、圖3可知,向1260運(yùn)輸巷高冒區(qū)孔洞內(nèi)注入的水受熱后產(chǎn)生了水蒸氣,可排除孔洞內(nèi)積聚的氣體,并阻止新鮮空氣進(jìn)入孔洞,從而快速降低該區(qū)域氧氣及甲烷濃度,破壞高冒區(qū)可燃?xì)怏w爆炸條件,防止災(zāi)害擴(kuò)大化;在向高溫煤體注水降溫過程中,會擠壓煤層孔裂隙中的甲烷,導(dǎo)致高冒區(qū)甲烷濃度會小幅度增長;在采用噴漿、注漿措施后,漿液會填充煤體孔裂隙并覆蓋煤體,逐漸阻止空氣向火區(qū)滲透,同時也阻止氧氣與煤體直接接觸,破壞火區(qū)煤體燃燒條件,使得高冒區(qū)內(nèi)CO、C2H4濃度快速降低到8×10-6以下并呈現(xiàn)平穩(wěn)態(tài)勢。

        圖2 滅火期間高冒區(qū)氧氣及甲烷濃度變化

        圖3 滅火期間高冒區(qū)自燃標(biāo)志性氣體濃度變化

        4 結(jié)語

        據(jù)1260運(yùn)輸巷高冒區(qū)現(xiàn)場實(shí)際條件,提出了噴漿堵漏、注水降溫、注漿阻化相結(jié)合的綜合滅火的現(xiàn)場試驗方案,布置了采氣系統(tǒng)監(jiān)測高冒區(qū)內(nèi)CO、CH4、C2H4、O2濃度變化情況。結(jié)果表明:巷道圍巖破碎帶噴漿處理后有效阻止了新鮮空氣向高冒區(qū)高溫煤體的滲透,高冒區(qū)孔洞內(nèi)注水能有效排除孔洞內(nèi)積聚氣體并抑制空氣滲入高溫煤體,火區(qū)內(nèi)注水能快速降低火區(qū)煤體溫度,火區(qū)注漿能有效覆蓋高溫煤體,使得高冒區(qū)中CO等自燃標(biāo)志性氣體快速降低到8×10-6以下并維持穩(wěn)定。

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