高瓦斯易燃煤層綜放工作面的防滅火研究

昝 平

(大同煤礦集團(tuán)公司 云岡礦, 山西 大同 037003)

煤層自燃火災(zāi)是礦井的主要災(zāi)害之一。煤層自燃是礦井安全生產(chǎn)的重要威脅因素，其不僅會(huì)影響到煤礦的正常生產(chǎn)，更有可能對(duì)煤炭資源及礦井設(shè)備造成嚴(yán)重?fù)p害，甚至可能造成人員傷亡等重大安全事故。

目前，國(guó)內(nèi)外防滅火技術(shù)主要包括均壓技術(shù)、預(yù)防性灌漿技術(shù)、阻化劑技術(shù)、注水技術(shù)、惰性氣體技術(shù)等。通過(guò)對(duì)各種防滅火技術(shù)的應(yīng)用分析對(duì)比，得出應(yīng)著重推廣應(yīng)用三相泡沫防滅火技術(shù)的結(jié)論。

1 放頂煤工作面自然發(fā)火規(guī)律特點(diǎn)及影響因素

放頂煤工作面自然發(fā)火規(guī)律突出表現(xiàn)在采空區(qū)遺煤自燃，特別是礦井深部的容易自燃厚煤層開采。采空區(qū)遺煤自燃影響因素主要有：1)放頂煤工作面回采率為65％～80％，采空區(qū)不同程度地留有遺煤，遺煤越多越易自燃。2)漏風(fēng)供氧：深部煤層頂板壓力較大，封閉采空區(qū)的密閉存在被壓炸的現(xiàn)象，不及時(shí)維護(hù)，極易造成漏風(fēng)。一旦存在漏風(fēng)供氧條件，極易發(fā)生煤炭自燃。所以，只要回采速度緩慢或采后采空區(qū)存在漏風(fēng)，都極易發(fā)生遺煤自燃。

2 低位放頂煤開采防火技術(shù)

以某礦12#層408盤區(qū)低位放頂煤綜采工作面8826為例，工作面設(shè)計(jì)傾向長(zhǎng)139.4 m，走向長(zhǎng)1 600 m，工作面地質(zhì)儲(chǔ)量約217萬(wàn)t，可采儲(chǔ)量約171萬(wàn)t。采煤方法選用單一長(zhǎng)壁式低位放頂煤開采，工作面整體回采率可達(dá)80％。其中，機(jī)采率可達(dá)98％，放頂回采率可達(dá)65％。工作面采高3 m，放煤高度為3.68 m。

結(jié)合該礦8826工作面的生產(chǎn)條件，確定采用以下三步對(duì)該工作面進(jìn)行防滅火：1)向采空區(qū)噴灑阻化劑。該技術(shù)是工作面在回采期間防止采空區(qū)遺留煤炭自燃的主要途徑。2)向采空區(qū)注氮。該技術(shù)需在回采工作結(jié)束后對(duì)采空區(qū)封閉前進(jìn)行。3)構(gòu)建局部的均壓防火系統(tǒng)。該技術(shù)用來(lái)封閉采空區(qū)。具體技術(shù)方案如下：

2.1 阻化劑防火

在8826工作面采空區(qū)噴灑阻化劑(工業(yè)氯化鈣CaCl2·5H2O)一般選在工作面正常開采以及停采搬家階段。噴灑阻化劑前須在工作面皮帶巷與回風(fēng)巷建立移動(dòng)式噴灑阻化劑泵站，然后利用水槍及噴嘴向采空區(qū)內(nèi)噴灑阻化劑，對(duì)采空區(qū)易自然煤層起到隔氧作用，達(dá)到防止煤炭自燃的效果。

1)噴灑阻化劑的位置。

工作面正常開采期間，對(duì)工作面開采線、煤柱線、停采線與采空區(qū)易自燃帶噴灑阻化劑可達(dá)到較好的防滅火效果，即俗稱的加強(qiáng)工作面“三線一帶”的管理。

2)噴灑阻化劑的相關(guān)參數(shù)。

a)阻化劑的一次性噴灑量：

V=K1×K2×L×S×H×A×γ

(1)

式中：

V—阻化劑每日一次性噴灑量，t；

K1—阻化劑藥液加量的系數(shù)，取1.2；

K2—采空區(qū)遺留煤的容重，t/m3，取1.3；

L—噴灑長(zhǎng)度，m,取 40(上下隅角各20)；

S—噴灑寬度，m，按日推進(jìn)距離計(jì)，取3.5；

H—遺留煤炭的厚度，m，取1.0；

A—遺留煤炭的吸藥量，t/t，取0.03；

γ—所裝藥液的容重，t/m3，取1.15。

將8826工作面相關(guān)噴灑參數(shù)代入式(1)，得：

V=7.5 t

b)對(duì)阻化率的測(cè)試:

E=(A-B)/A×100％

(2)

式中：

E—煤的阻化率，％；

A—阻化處理前的煤樣在100℃條件下放出CO的數(shù)量，×10-6；

B—阻化處理后的煤樣在100℃條件下放出CO的數(shù)量，×10-6。

由8826工作面現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)條件可知，該工作面幾乎沒有發(fā)現(xiàn)CO。因此，8826工作面噴灑阻化劑的阻化率是無(wú)法計(jì)算的，故可不做參考。

c)噴灑阻化劑的設(shè)備。

8826工作面噴灑阻化劑的設(shè)備使用的是型號(hào)為KMB-36-3的防火阻化多用泵。該多用泵共布置2臺(tái)，噴嘴共計(jì)10個(gè)，直徑為13 mm的高壓管長(zhǎng)度約300 m。皮帶巷與回風(fēng)巷各布置3輛礦車，其中：兩輛用來(lái)盛放液體阻化劑，交替使用；一輛用來(lái)存放固體阻化劑。

d)阻化劑防火注意事項(xiàng)。

阻化劑防火重點(diǎn)在超前預(yù)防，特別是在工作面停采搬家期間，要加大工作面尾部阻化劑的噴灑量，充分發(fā)揮阻化效果，同時(shí)保證噴灑質(zhì)量和時(shí)間的連續(xù)性。

2.2 注氮防火

考慮到8826工作面西高東低(即呈下坡走勢(shì))，在未封閉前如采取注漿或注水等其它措施，其防火材料不能積存在采空區(qū)或覆蓋、包裹在可燃物表面上，所以選取注氮防火措施。

2.2.1制氮方式

因膜式制氮機(jī)安裝、維護(hù)、操作方便、安全可靠，無(wú)需預(yù)制氮時(shí)間，且成本較低，故選取膜式制氮機(jī)。

2.2.2注氮工藝

注氮防火主要是通過(guò)空分設(shè)備分離出氮?dú)?，再通過(guò)低壓儲(chǔ)氣罐經(jīng)加壓機(jī)送至輸?shù)苈罚ㄟ^(guò)管路連續(xù)不斷送到防火區(qū)域，進(jìn)行注氮防火。就8826工作面而言，將注氮設(shè)備穩(wěn)放在8826巷口寬敞的地點(diǎn)，通過(guò)管路將氮?dú)庾⑷氩煽諈^(qū)。

2.2.3注氮參數(shù)的確定

1)采空區(qū)注氮量的確定。

選用的注氮方式是采空區(qū)埋管注氮，可按如下方法計(jì)算：

a)按采空區(qū)內(nèi)氧化帶含氧量計(jì)算：

q=60×Q漏(C1-C2-C3)/C3

(3)

經(jīng)計(jì)算，q=1 800 m3/h

b)按作業(yè)場(chǎng)所氧含量計(jì)算允許最大注氮量：

(4)

經(jīng)計(jì)算，q≤5 684 m3/h

(5)

從上述計(jì)算可知：作業(yè)場(chǎng)所氧含量計(jì)算允許最大注氮量大于兩種方法計(jì)算的采空區(qū)注氮量，即能滿足注氮要求。

2)輸?shù)苈废到y(tǒng)選型。

因工作面埋管將丟棄在采空區(qū)內(nèi)，不能回收復(fù)用，故選用小直徑管子有利，但如選太小直徑支管，阻力過(guò)大，故選用6英寸抗靜電塑鋼管。

通過(guò)上述兩種防滅火技術(shù)的應(yīng)用，該工作面安全順利采出，但仍存在諸多不足之處。

由于放頂煤工作面防火技術(shù)的工藝復(fù)雜，遺煤較多，防火仍然很難做到萬(wàn)無(wú)一失。如2005年3月該礦在第三個(gè)低位放頂煤工作面12#8828封閉時(shí)出現(xiàn)了一氧化碳，其后最高濃度達(dá)0.11％，后采取多項(xiàng)措施，投入大量的人力和物力才將一氧化碳降到零。

2.3 三相泡沫防滅火

針對(duì)發(fā)生的問題，應(yīng)用三相泡沫防滅火技術(shù)。三相泡沫防滅火的原理主要是隔熱、封閉、窒息氧氣。

1)三相泡沫注漿流程。

在三相泡沫的注漿系統(tǒng)改造完成之后，就可以順利進(jìn)行三相泡沫的灌注。三相泡沫具有優(yōu)良防滅火性能時(shí)，其技術(shù)參數(shù)滿足如下條件：水灰質(zhì)量比2∶1～4∶1，產(chǎn)生泡沫量為450～900 m3/h，發(fā)泡倍數(shù)大于30倍且穩(wěn)定的時(shí)間高于8 h，發(fā)泡劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于0.2％，耗漿量一般為15～30 m3/h。

由以上分析可知，在制作三相泡沫的過(guò)程中，必須嚴(yán)格控制發(fā)泡劑量、黃泥漿流量、水土比例、氮?dú)獾牧髁恳约凹兌葏?shù)等。除此之外，必須清晰說(shuō)明整個(gè)管路系統(tǒng)的布置與注漿點(diǎn)的埋管布置等問題。

2)制漿工藝。

黃泥制漿的工藝過(guò)程如下：高壓水槍直接向黃土山坡沖擊，利用水的沖力將黃土沖出，然后隨水流流下，在流下的過(guò)程中混合初步形成泥漿；沖下的泥漿流入集漿溝，經(jīng)過(guò)一道過(guò)濾網(wǎng)過(guò)濾，除去雜物后流入泥漿攪拌池，經(jīng)攪拌機(jī)攪拌，形成均勻的泥漿水，然后按一定的水土比成漿后再次通過(guò)泥漿池底部的過(guò)濾網(wǎng)，利用閥門調(diào)節(jié)流量，使其流量控制在20 m3/h，然后流入井下注漿干管，通過(guò)風(fēng)井進(jìn)入井下巷道。

3)管路系統(tǒng)的布置。

黃泥漿在井下管道的輸送，一般利用其自身重力便可運(yùn)送到井下相應(yīng)的滅火地點(diǎn)?；仫L(fēng)巷中預(yù)埋鐵管與支架后方沿支架方向預(yù)埋的4英寸管路相連。工作面正常開采期間每推進(jìn)30 m就利用預(yù)埋管路向采空區(qū)灌注三相泡沫約12 h。

3 結(jié) 論

1)通過(guò)對(duì)礦井歷年發(fā)火情況進(jìn)行分析和生產(chǎn)實(shí)踐證明，采空區(qū)遺煤由于頂板裂隙發(fā)育、漏風(fēng)等原因，造成了氧氣在破碎煤體表面聚集引起溫度的上升，最終導(dǎo)致煤的自然發(fā)火。

2)放頂煤工作面防火工程量大，工藝復(fù)雜，投資大，搬家封閉時(shí)間較長(zhǎng)，各項(xiàng)防火技術(shù)應(yīng)用稍有不慎就可能造成采空區(qū)遺煤自燃。一旦發(fā)生火災(zāi)，將投入更大的人力和物力，同時(shí)造成安全隱患。

3)三相泡沫防滅火技術(shù)利用現(xiàn)有常規(guī)防滅火技術(shù)與手段，同時(shí)又克服目前注漿、注惰氣、注惰氣泡沫、注阻化劑等防滅火技術(shù)的不足，防滅火效果顯著。

因此，對(duì)特殊的地質(zhì)條件以及特殊的煤層賦存條件，應(yīng)推廣應(yīng)用三相泡沫防滅火技術(shù)。

參 考 文 獻(xiàn)

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