封閉式注氮防滅火技術(shù)的應(yīng)用研究

梁衛(wèi)公,范軍霞，梁志遠(yuǎn)

(1.晉能集團(tuán)呂梁有限公司,山西 孝義 032300;2.太原嘉瑞信科技有限公司,太原 030000;3.太原理工大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，太原 030021)

封閉式注氮防滅火技術(shù)的應(yīng)用研究

梁衛(wèi)公1,范軍霞2，梁志遠(yuǎn)3

(1.晉能集團(tuán)呂梁有限公司,山西 孝義 032300;2.太原嘉瑞信科技有限公司,太原 030000;3.太原理工大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，太原 030021)

為了解決客觀因素導(dǎo)致長期停工的綜采工作面發(fā)生煤炭自燃的防滅火問題,在金達(dá)煤礦10103工作面采用了封閉式注氮防滅火技術(shù)。通過技術(shù)應(yīng)用研究,對礦井存在容易自燃、自燃煤層的采空區(qū)火區(qū)、長期停采工作面發(fā)生煤炭自燃的防滅火技術(shù)方案的制定提供借鑒,為礦井回采工作面的安全管理提供有力保障。

封閉式注氮;礦井火災(zāi);防滅火技術(shù)

礦井火災(zāi)按熱源不同劃分為內(nèi)因火災(zāi)和外因火災(zāi)。外因火災(zāi)是由于明火、爆破、電氣、摩擦等外來熱源造成的火災(zāi)。內(nèi)因火災(zāi)是指一些易燃物質(zhì)在一定條件和環(huán)境下自身發(fā)生物理化學(xué)變化聚集熱量而導(dǎo)致著火形成的火災(zāi)。內(nèi)因火災(zāi)大多數(shù)發(fā)生在采空區(qū)停采線、遺留的煤柱、破裂的煤壁、煤巷的高冒處、長期停采的工作面上隅角、假頂下及巷道中任何有浮煤堆積的地方。從破壞供氧條件入手是預(yù)防內(nèi)因火災(zāi)最主要的方法,主要有杜絕漏風(fēng)或避免煤氧接觸,其措施有隔絕采空區(qū)、均壓通風(fēng)、黃泥灌漿、噴灑阻化劑、壓注凝膠、注惰性氣體等。注氮防滅火技術(shù)主要表現(xiàn)在降低氧氣濃度、提高采空區(qū)內(nèi)氣體的靜壓減少漏風(fēng)量、氮氣吸熱、縮小瓦斯爆炸的界限。

注氮方式分為開放式和封閉式注氮。封閉式注氮對已封閉的采空區(qū)或火區(qū)具有針對性。金達(dá)煤礦10103綜采工作面為首采驗收工作面,走向長度850 m,工作面傾向長度120 m。由于建井期間安全設(shè)施“三同時”滯后建設(shè),10103綜采工作面在推進(jìn)剩余200 m處長期停工停產(chǎn)等待驗收,導(dǎo)致該工作面上隅角出現(xiàn)煤炭自燃現(xiàn)象的發(fā)生。針對上述問題,提出采用封閉式墻內(nèi)注氮防滅火技術(shù),解決長期停工停采工作面上隅角煤炭自燃火災(zāi)隱患,確保礦井安全生產(chǎn)。

1 工作面概況

金達(dá)煤業(yè)批準(zhǔn)開采9#、10#、11#煤層。10103綜采工作面井下標(biāo)高720 m～740 m,走向長度850 m,傾向長度120 m。該工作面煤層西側(cè)比東部薄,西側(cè)10#厚1.5 m,東部10#局部厚1.9 m,大部分在1.5 m～1.8 m之間,10#與11#間夾石在局部變厚為0.5 m～0.9 m,而大部分厚為0.2 m～0.3 m。該煤層呈塊狀,半亮型煤穩(wěn)定可采。大部為10#、11#合并層。工作面?zhèn)雾敒槟噘|(zhì)頁巖,厚度0.2 m隨采隨落;直接頂為頁巖,3 m～5 m,灰色易垮落;老頂為K2灰?guī)r6.11 m,致密堅硬,不易垮落。直接底板為泥巖0.24 m,粉砂巖透鏡狀水平層理發(fā)育,具有裂隙。最大涌水量為0.04 m3/min,正常涌水量為0.02 m3/min。

金達(dá)煤業(yè)礦井瓦斯絕對涌出量0.84 m3/min,相對涌出量2.34 m3/T;二氧化碳絕對涌出量1.12 m3/min,相對涌出量3.1 m3/T。屬于低瓦斯礦井。10#揮發(fā)分Vdaf28.63%,11#揮發(fā)分Vdaf28.53%,均具有煤塵爆炸危險。10#、11#煤的吸氧量經(jīng)鑒定均為0.66 m3/g,屬自燃煤層,自燃傾向性為Ⅱ級,發(fā)火期6個月。該工作面選用MG160/380-WD采煤機(jī),ZZP4000-15.5/24L四柱支撐掩護(hù)式鋪網(wǎng)支架,支護(hù)高度1.55 m～2.4 m,最大控頂距4.49 m,最小控頂距3.89 m,設(shè)計采高為2.1 m,采煤工作面的平均斷面積,取8.799 m2。走向長壁后退式一次采全高采煤方法,全部垮落法管理采空區(qū)。運輸、材料巷凈斷面7.04 m2初次來壓步距23 m,周期來壓步距20 m。由于10#、11#煤層大部分為合并層,其間夾矸厚為0.2 m～0.3 m,故在回采過程中采煤機(jī)經(jīng)常在10#、11#煤層之間上下起伏波動,而綜采支架支撐高度有限,造成采空區(qū)大量遺煤。另外,礦井在建設(shè)期間安全設(shè)施“三同時”工程緩慢等客觀因素導(dǎo)致10103首采工作面在推進(jìn)剩余200 m后長期停工等待驗收,致使該工作面上隅角發(fā)生煤炭氧化和自燃發(fā)火現(xiàn)象。

2 封閉式注氮防滅火技術(shù)應(yīng)用

經(jīng)過對10103綜采工作面上隅角出現(xiàn)火災(zāi)隱患的防滅火技術(shù)篩選分析后,采用封閉式注氮工藝消除火災(zāi)隱患具有針對性。封閉式墻內(nèi)注氮是利用防火墻上預(yù)留的注氮管向火區(qū)或火災(zāi)隱患的區(qū)域?qū)嵤┳⒌?。設(shè)計采用DT800-8炭分子篩制氮裝置:氮氣產(chǎn)量800 m3/h,氮氣濃度>97%。輸送管直徑DN80。礦井安裝了KSS200型礦井移動式束管檢測系統(tǒng)。在10103綜采工作面的運輸、回風(fēng)巷道口分別構(gòu)筑一道防火墻,防火墻上均布置有觀察孔。在運輸巷口防火墻上預(yù)留注氮管路連接口,對10103綜采工作面實施連續(xù)封閉式墻內(nèi)注氮工藝技術(shù)。同時,通過觀察孔監(jiān)測兩巷墻內(nèi)氣體變化情況,研究分析封閉式注氮效果檢驗,為封閉式注氮防滅火提供技術(shù)借鑒。

3 注氮防滅火效果分析

通過收集整理運輸巷、回風(fēng)巷兩個防火墻觀測孔在注氮期間各種氣體數(shù)據(jù)變化,繪制10103閉墻氣體隨注氮量變化曲線圖(見圖1),并進(jìn)行防滅火效果分析。

圖1 10103閉墻氣體隨注氮量變化曲線圖Fig.1 Variation of 10103 closed wall gas with injection volume of nitrogen

注氮防滅火數(shù)據(jù)分析:

1)進(jìn)、回風(fēng)閉墻內(nèi)CO觀測值(實測值擴(kuò)大1 000倍在曲線圖中表示)隨注氮量增加衰竭很快,說明該工作面上隅角火災(zāi)隱患得以有效控制,封閉式注氮滅火技術(shù)針對性較強(qiáng)。具有實操性。

2)進(jìn)風(fēng)巷閉墻內(nèi)CH4、CO2峰值隨注氮量變化基本相互對應(yīng),周期性峰值較為明顯,說明在封閉空間內(nèi)氣體流動隨著注氮量的增加、相對壓力的提高發(fā)生周期性擾動。周期性注氮量觀測值為10 000 m3/次。

3)回風(fēng)閉墻內(nèi)CH4、CO2觀測值隨注氮量的增加兩種氣體濃度呈現(xiàn)波浪運行,但振幅不大,說明封閉空間內(nèi)CH4、CO2濃度相對穩(wěn)定,基本無增減量。

4)進(jìn)風(fēng)閉墻內(nèi)CH4、CO2觀測值隨注氮量的增加呈現(xiàn)3個周期性峰值后逐漸衰竭。分析原因,主要是注氮管路輸入接口布置在進(jìn)風(fēng)閉墻上,注氮管路出口位于工作面下隅角,隨著注氮量增加促使注氮管路出口至工作面上隅角逐漸呈現(xiàn)正壓狀態(tài),而注氮管路出口至運輸巷閉墻卻呈現(xiàn)負(fù)壓狀態(tài),導(dǎo)致正壓區(qū)域的CH4、CO2隨著注氮量增加逐漸流向壓力較低區(qū)域,通過觀測在呈現(xiàn)3個周期性擾動峰值后,進(jìn)風(fēng)閉墻內(nèi)CH4、CO2觀測值呈現(xiàn)衰竭狀態(tài)直至穩(wěn)定。

5)計算10103綜采工作面初始所需注氮量(預(yù)計出現(xiàn)效果顯現(xiàn)的所需量):

∑V=V1+V2+V3+V4.

式中:V1為封閉區(qū)域兩條巷道體積,m3;V1=SHDLHD×2=7.04×260×2=3 660 m3;V2為綜采工作面有效空間體積,m3;V2=SGZMLGZM=8.79×120=1 055 m3;V3為采空區(qū)周期來壓步距有效空間體積,m3;V3=20×2.1×120=5 040 m3;V4為上覆9#煤層采空區(qū)空間體積,m3;V4=20×1.4×120=3 360 m3。

上述理論計算:在注氮量達(dá)到9 755 m3時,氮氣量將充滿該工作面兩條巷道、工作面及采空區(qū)(周期來壓步距)范圍,在進(jìn)、回風(fēng)巷道閉墻觀測點CO應(yīng)逐步衰竭消失。實際觀測:回風(fēng)閉墻測點注氮量8 888 m3時,CO測值為0;進(jìn)風(fēng)閉墻內(nèi)在注氮量達(dá)10 398 m3時, CO滯后逐步衰竭為0值。理論計算量與實際觀測量誤差率為6%～8%基本相符。分析原因:主要是注氮管路出口位于工作面下隅角,隨著注氮量增加初始位于工作面上隅角CO部分氣體在注氮出口負(fù)壓的作用下逆流向進(jìn)風(fēng)閉墻處,由于,工作面上隅角到進(jìn)風(fēng)閉墻距離比到回風(fēng)閉墻距離長,因此,進(jìn)風(fēng)閉墻內(nèi)CO觀測值呈現(xiàn)滯后衰竭狀態(tài)。

理論計算注入量假設(shè)達(dá)13 115 m3時,氮氣量將進(jìn)一步充滿上覆9#煤層采空區(qū)(與10#煤層間距4.3 m)。實際觀測當(dāng)注入量13 740 m3時,進(jìn)風(fēng)閉墻內(nèi)CH4、CO2曲線先后出現(xiàn)峰值,并且呈現(xiàn)3個周期性峰值時注入量差值基本在10 000 m3左右,隨之,進(jìn)風(fēng)閉墻內(nèi) CH4、CO2觀測值趨于穩(wěn)定在0.08、0.04。但回風(fēng)閉墻始終處于壓力增高區(qū)CH4、CO2曲線呈現(xiàn)基本平穩(wěn)運行狀態(tài)。分析原因:注氮管路出口位于機(jī)頭處,進(jìn)風(fēng)閉墻始終處于負(fù)壓狀態(tài);隨著注氮量不斷增加,封閉區(qū)域氣體出現(xiàn)周期性擾動可能與采空區(qū)周期來壓冒落巖石形成波浪堆砌相關(guān)。

4 結(jié)論

1)封閉式注氮防滅火技術(shù)對長期停工的回采工作面、已封閉采空區(qū)發(fā)生煤層自燃火災(zāi)隱患具有針對性,效果明顯。

2)注氮管路出口位置對觀測點氣體變化在一段時間內(nèi)有影響,隨著注氮量的增加,在經(jīng)過3個周期的變化后,進(jìn)、回風(fēng)閉墻觀測點各種氣體濃度漸趨穩(wěn)定。

3)分析觀測點曲線變化可知:對封閉的采空區(qū)注氮,隨著注氮量的增加,在經(jīng)過3個周期擾動后,可以確認(rèn),采空區(qū)有煤層自燃隱患即可消除。每個周期注氮量基本等于采空區(qū)周期來壓步距的空間體積量。

4)在對封閉區(qū)間進(jìn)行注氮各種氣體趨于穩(wěn)定后,由于注氮采空區(qū)存在與相鄰采空區(qū)的導(dǎo)通現(xiàn)象,因此,封閉空間內(nèi)可能發(fā)生氣體緩慢泄露、內(nèi)壓逐漸降低的情況,必須進(jìn)一步觀測封閉空間壓力、氣體濃度變化規(guī)律,確保及時采取間隙注氮方式防止煤層自燃現(xiàn)象重復(fù)發(fā)生。

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ApplicationofClosedNitrogenInjectionTechnologyinFireControl

LIANGWeigong1,FANJunxia2,LIANGZhiyuan3

(1.LvliangCo.,Ltd.,JinnengGroup,Xiaoyi032300,China;2.TaiyuanJiaruixinTechnologyCo.,Ltd.,Taiyuan030000,China;3.CollegeofMiningEngineering,TaiyuanUniversityofTechnology,Taiyuan030021,China)

To control the spontaneous combustion of coal on the long-term shutdown fully-mechanized working face caused by objective factors,the fire control technology with closed nitrogen injection was used on 10103 working face in Jinda Mine.On the analysis of application, the study could provide guidance for the mine prone to the spontaneous combustion,the fire zones in goaf in combustible coal seam,and the long-term shutdown working faces to ensure the safety management in the mining face.

closed nitrogen injection; fine in mines; fire control technology

1672-5050(2017)04-0066-03

10.3919/j.cnki.issn1672-5050sxmt.2017.08.019

2017-06-05

梁衛(wèi)公(1968-),男,山西永濟(jì)人,大學(xué)本科,工程師,從事一通三防管理工作。

TD752

A

(編輯:薄小玲)