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        小莊煤礦液態(tài)CO2防滅火技術實踐

        2020-01-09 03:37:16夏海斌昝軍才林建成
        陜西煤炭 2020年1期
        關鍵詞:上隅角移動式礦用

        夏海斌,昝軍才,林建成,李 可

        (陜西彬長小莊礦業(yè)有限公司,陜西 彬州 713500)

        0 引言

        隨著煤炭企業(yè)兼并重組的實施,我國煤礦數(shù)量已從2015年的1.08萬處減少到2017年的7 000處左右,煤炭產量為35.23億t,占世界總產量的45.6%。但是,煤層自燃火災是礦井主要災害之一,據(jù)統(tǒng)計,全國國有重點煤礦中約56%的礦井有自然發(fā)火危險,煤礦的自燃火災次數(shù)占礦井總火災的90%以上。煤自燃不僅燒毀大量煤炭資源、危及礦井安全生產,造成巨大的經濟損失,同時造成嚴重的環(huán)境及社會影響[1-4]。以陜西彬長小莊礦業(yè)有限公司40203綜放工作面采空區(qū)出現(xiàn)自然發(fā)火隱患為研究對象,實施了液態(tài)CO2防滅火技術的現(xiàn)場應用,以期保證工作面的安全回采,為礦井防滅火提供寶貴經驗。

        1 工作面概況

        陜西彬長小莊礦業(yè)有限公司40203綜放工作面主采4#煤層,可采走向長度1 510.25 m,傾向長度200.5 m。工作面區(qū)域內煤層賦存較為穩(wěn)定,平均煤厚15 m,煤層北厚南薄,埋藏深度499~726 m,底板標高+390~+410 m,采用全部垮落法管理頂板。工作面采用三巷布置,分別為膠帶輸送機順槽、回風順槽、高位瓦斯抽放巷,采用“U”型通風系統(tǒng),工作面配風量1 500 m3/min。

        40203工作面煤層自燃傾向性為Ⅰ類,屬易自燃煤層,最短自然發(fā)火期為22 d,采用以黃泥灌漿、注氮氣為主,汽霧阻化、注三相泡沫、上下隅角封堵以及束管監(jiān)測等相結合的綜合防滅火措施。瓦斯治理主要采用“抽采為主、風排為輔”的方法。瓦斯抽采主要采用本煤層采前預抽鉆孔、上隅角插管及高抽巷進行抽采。

        2 自然發(fā)火原因分析

        2017年8月18日零點班,工作面112#、113#支架后采空區(qū)出水溫度36 ℃,現(xiàn)場檢測工作面氣體濃度情況見表1。從表1可見,推采緩慢期間與正常推采期間相比,采空區(qū)30 m處CO濃度明顯升高,上隅角出水溫度升高約10 ℃。通過以上跡象表明,該工作面雖未見煙霧或明火,但采空區(qū)至少存在高溫區(qū)域,必須采取有效的防滅火措施遏制采空區(qū)遺煤進一步氧化升溫,消除自然發(fā)火隱患。

        表1 工作面監(jiān)測氣體濃度

        分析煤自燃指標氣體及采空區(qū)出水溫度,結合工作面生產實際,導致工作面自然發(fā)火隱患的主要原因有兩方面。一是,2017年7月1日至8月17日,該工作面開采中應因地質條件、設備故障等因素影響,工作面推進較慢,日平均推進速度約1.6 m/d小于極限推進速度4.09 m/d,存在自然發(fā)火的可能性;二是,頂煤回收率偏低,采空區(qū)遺煤較多,進一步加劇了采空區(qū)遺煤氧化和蓄熱升溫。

        3 應用實踐

        3.1 液態(tài)CO2防滅火的機理

        惰化降氧:液態(tài)CO2充注到采空區(qū)并汽化后,使得采空區(qū)氧濃度下降,削弱了煤氧復合作用,使采空區(qū)因缺氧而窒息。實驗表明煤對CO2的吸附量為48 L/kg,而對N2的吸附量僅為8 L/kg[5]。同時,注入CO2在一定程度上可抑制CO等氧化產物的產生,抑制采空區(qū)遺煤氧化自燃。此外,液態(tài)CO2內沒有氧氣,向采空區(qū)灌注時,可完全避免帶入氧氣而造成的不利影響,且CO2比空氣密度大,泄漏流失量小,可快速沉入底部而擠出氧氣,并在采空區(qū)內擴散充滿其空間,使采空區(qū)內氧氣濃度急速下降[6-8]。

        吸熱降溫:CO2可吸熱降溫,當溫度急劇下降到-78.5 ℃時,液態(tài)CO2的汽化潛熱為5.778×105J/kg。注入采空區(qū)的液態(tài)CO2由于自身汽化吸熱,體積急劇膨脹,吸收大量的熱,從而迅速降低采空區(qū)溫度,達到降溫防滅火效果[9-11]。

        3.2 現(xiàn)場實施

        灌注液態(tài)CO2鉆孔設計:在40204運順570 m處(滯后40203切眼30 m)向40203采空區(qū)依次施工3個鉆孔,用于灌注液態(tài)CO2,終孔位置位于煤層頂板上5 m、距離高抽巷5 m處。鉆孔設計參數(shù)見表2,鉆孔布置圖如圖1所示。

        表2 灌注液態(tài)CO2鉆孔設計參數(shù)

        液態(tài)CO2灌注裝備:液態(tài)CO2直接灌注系統(tǒng)主要由地面液態(tài)CO2槽車、礦用移動式液態(tài)CO2防滅火裝置和輸送管路等構成。礦用移動式液態(tài)CO2防滅火裝置出口壓力為0.8~2.0 MPa;出口流量為0.5~4.0 t/h;出口溫度為-30~-20 ℃,技術參數(shù)見表3。

        a-平面圖;b-剖面圖圖1 灌注鉆孔布置示意圖

        表3 礦用移動式液態(tài)CO2防滅火裝置技術參數(shù)

        灌注流程:用車輛將CPW-2.0礦用移動式液態(tài)CO2防滅火裝置運至地面液態(tài)CO2灌注站,將液態(tài)CO2灌注到CPW-2.0礦用移動式液態(tài)CO2防滅火裝置,然后由專用的液態(tài)CO2槽車運送至井口,換裝后下井運送至40204運順壓注地點處100 m范圍內,連接高壓膠管經鉆孔注入40203采空區(qū),工藝流程如圖2所示。

        圖2 40203采空區(qū)灌注液態(tài)CO2工藝圖

        實施過程:使用ZDY3500LP型煤礦用履帶液壓鉆機在40204運順570 m處按照灌注液態(tài)CO2鉆孔設計參數(shù),完成3個灌注鉆孔的施工。鉆孔實際施工情況見表4。從表4中3個灌注鉆孔施工過程中的見巖及返水情況可以看出,3個鉆孔被成功的施工到設計層位,進入采空區(qū)頂板冒落的裂隙空間,為液態(tài)CO2汽化擴散創(chuàng)造了有利條件。

        表4 鉆孔實際施工情況表

        鉆孔施工完成后,8月20日零點班液態(tài)CO2槽車到礦,隨即依次對1#、2#CPW-2.0型礦用移動式液態(tài)CO2防滅火裝置進行充裝,充裝完畢后立即入井,運送至40204運順灌注地點,使用φ25 mm高壓膠管連接鉆桿與CPW-2.0型礦用移動式液態(tài)CO2防滅火裝置,開啟閥門進行灌注。

        8月20日0:40~8:00,向40203采空區(qū)共灌注4儲氣罐,累計灌注8.1 T,液態(tài)CO2膨脹比例約為1∶640,CO2灌注量按公式(1)計算[12]。

        (1)

        式中:Q—火區(qū)滅火CO2注入強度,m3/h;T—預計注入CO2的時間,h;α—富裕系數(shù),取1.2~1.5;V—封閉火區(qū)空間總體積,m3;Q0—火區(qū)漏風量,m3/h;τ1—注CO2前火區(qū)內平均氧濃度,取10%~18%;τ0—火區(qū)周邊巷道空氣中的氧濃度,取20%;τ2—火區(qū)內滅火臨界氧濃度,取3%~5%。經計算共計充注CO2氣體5 184 m3,具體灌注情況見表5。

        表5 地面充灌及井下灌注液態(tài)CO2情況統(tǒng)計表

        3.3 防滅火效果分析

        防滅火效果:灌注期間每2 h檢測1次采空區(qū)出水溫度、袋子墻內CO氣體濃度及上隅角采空區(qū)19 m處的CO濃度。灌注后繼續(xù)每2 h檢測1次出水溫度和CO濃度,并取每班檢測數(shù)據(jù)最大值。所得采空區(qū)出水溫度變化如圖4所示,袋子墻內CO濃度變化見表6,上隅角采空區(qū)19 m處CO濃度變化見表7。

        表6 地面充灌及井下灌注液態(tài)CO2情況統(tǒng)計表 %

        效果分析:由圖4、表6和表7可見,40203采空區(qū)出水溫度由灌注前36 ℃降至26.5 ℃,上隅角袋子墻內CO濃度由灌注前0.006 7%降至0.005 1%,上隅角采空區(qū)19 m處CO濃度由灌注前0.007 2%降至0.005 3%。40203工作面上隅角出水溫度及CO濃度均顯著下降,且維持穩(wěn)定,充分證明向40203采空區(qū)灌注液態(tài)CO2,成功的利用液態(tài)CO2汽化吸熱、惰性降氧的特點,有效實現(xiàn)采空區(qū)降溫、隔絕氧氣的目的,達到了預期防滅火效果,成功遏制了采空區(qū)遺煤進一步氧化升溫,消除了采空區(qū)自然發(fā)火隱患。

        表7 灌注前后上隅角采空區(qū)19 m處各類氣體濃度 %

        4 結語

        由于日平均推進速度小于極限推進速度,40203采空區(qū)開始出現(xiàn)自然發(fā)火隱患。通過分析40203采空區(qū)工作面自然發(fā)火原因、液態(tài)CO2防滅火機理及施工工藝,利用液態(tài)CO2具有惰化降氧、吸熱降溫等特點,提出向該采空區(qū)施工鉆孔灌注液態(tài)CO2的方案。灌注液態(tài)CO2后,采空區(qū)出水溫度由灌注前的36 ℃降至26.5 ℃,上隅角袋子墻內CO濃度由灌注前的0.006 7%降至0.005 1%,上隅角采空區(qū)19 m處CO濃度由灌注前的0.007 2%降至0.005 3%,迅速遏制了采空區(qū)遺煤進一步氧化升溫,消除了采空區(qū)自然發(fā)火隱患。液態(tài)CO2防滅火技術在小莊煤礦的應用實踐,增加了礦井防滅火措施,積累了寶貴的實踐經驗,也再次證明這種操作簡單、針對性強、見效迅速的防滅火技術適用于自燃、易自燃煤層采空區(qū)自燃火災的防治。

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