南屯煤礦煤層預(yù)裂注阻化劑防滅火研究

馬 旭，張延松，李志勇，孫計(jì)全，上官良良

（1.山東科技大學(xué)，山東青島266590；2.山東能源集團(tuán)南屯煤礦，山東鄒城273515；3.山東能源集團(tuán)興隆莊煤礦，山東鄒城272102）

0 引 言

南屯煤礦位于山東省鄒城市西邊，屬于兗州煤業(yè)股份公司。煤層有自燃的傾向，自然發(fā)火期為3~6 個(gè)月。93下09 工作面概況：在2018 年12 月對(duì)該工作面進(jìn)行了預(yù)裂注阻化劑試驗(yàn)。該工作面位于九采二分區(qū)中部，走向長(zhǎng)度為382.3 m，斜坡長(zhǎng)度為118.8 m，西部和南部與3下煤風(fēng)氧化帶相鄰，東部是南漸興村莊保護(hù)性煤柱，北側(cè)是 93下07 工作面，南部 93下09 工作面采空區(qū)1 號(hào)聯(lián)絡(luò)巷。工作面的巷道將分別與原來的93上09 下順通道、93上09 上順通道連接。

物理阻化劑一般有很好的吸水性，在注入之后，水分蒸發(fā)，會(huì)降低煤周邊的溫度，從而應(yīng)用比較廣泛，常見的物理阻化劑有：NH4HCO3、NH4Cl、碳酰二胺、過硫酸鈉、聚乙酸乙烯酯乳液[1-2]。但其熱解會(huì)產(chǎn)生有毒有害氣體，安全性差，不適合預(yù)注；Ca（OH）2成本低、材料易得，對(duì)高硫煤有較好的阻化效果，但其溶解度太低，且水溶液有較強(qiáng)的堿性，對(duì)井下機(jī)械設(shè)備腐蝕嚴(yán)重，不適合預(yù)注；抗氧劑A、MgCl2－抗氧劑A 等阻化劑不溶于水或部分不溶于水，無(wú)法用于預(yù)注；LDHs、DDS 等復(fù)合阻化劑阻化率高、阻化效果好，但成本較高或制備工藝復(fù)雜，不適宜在井下大量使用；MgCl2、CaCl2、NH4H2PO4等傳統(tǒng)阻化劑，阻化效果較好，且價(jià)格便宜、安全性高，適合用于大量預(yù)注[3-4]。因此，本文選擇 MgCl2、CaCl2、NH4H2PO4作為預(yù)注實(shí)驗(yàn)的阻化劑。

1 南屯煤礦93 下09 工作面預(yù)裂注阻化劑試驗(yàn)

1.1 阻化液制備

考慮到成本問題，現(xiàn)場(chǎng)預(yù)注時(shí)決定采用濃度為15%的MgCl2阻化液，阻化液的制備工藝見圖1。

首先，按照阻化液配制濃度的要求將適量的阻化劑加入水箱1 和2 中；其次打開供水管，將水箱1 和2 中的阻化劑配置成濃度為15%的阻化液；然后，打開水箱1 出口處的截止閥，先將水箱1 中的阻化液注入煤體中，當(dāng)水箱1 中的阻化液注完時(shí)，再將水箱2中的阻化液注入煤體中，并同時(shí)配置水箱1 中的阻化液。如此循環(huán)往復(fù)，可保障阻化劑溶液能源源不斷的注入煤層中。

圖1 阻化液制備工藝

1.2 注液系統(tǒng)

注液系統(tǒng)參照表1 配備，注液系統(tǒng)布置如圖2 所示。把工作面的鉆孔分成2 個(gè)組，用2 部ZL—750 型鉆機(jī)打注液孔，1 個(gè)水泵負(fù)責(zé)對(duì)第1～12 號(hào)注液孔預(yù)注阻化液，另外1 臺(tái)水泵負(fù)責(zé)對(duì)第13～24 號(hào)注液孔預(yù)注阻化液。為確保工程進(jìn)度，2 個(gè)水泵可以同時(shí)工作互不干涉。

表1 注液系統(tǒng)主要設(shè)備的數(shù)量及規(guī)格

圖2 注液系統(tǒng)示意圖

2 預(yù)裂后煤層注阻化劑防滅火效果考察

采用KSS－200 型束管監(jiān)控系統(tǒng)，根據(jù)圖3 所示的方式布置溫度測(cè)量點(diǎn)，并對(duì)采空區(qū)內(nèi)的氣體成份濃度和溫度進(jìn)行了測(cè)量。表2、3 給出了進(jìn)風(fēng)側(cè)測(cè)點(diǎn)1#和回風(fēng)側(cè)測(cè)點(diǎn)4#2 個(gè)測(cè)點(diǎn)在未預(yù)注阻化液情況下的測(cè)定結(jié)果。表4、5 給出了進(jìn)風(fēng)側(cè)測(cè)點(diǎn)1#和回風(fēng)側(cè)測(cè)點(diǎn)4#2 個(gè)測(cè)點(diǎn)在預(yù)注阻化液情況下的測(cè)定結(jié)果。

圖3 束管鋪設(shè)示意圖

表2 未預(yù)注阻化液時(shí)進(jìn)風(fēng)側(cè)1#測(cè)點(diǎn)指標(biāo)氣體濃度及溫度

表3 未預(yù)注阻化液時(shí)回風(fēng)側(cè)4#測(cè)點(diǎn)指標(biāo)氣體濃度及溫度

表4 預(yù)注阻化液后進(jìn)風(fēng)側(cè)1#測(cè)點(diǎn)指標(biāo)氣體濃度及溫度

表5 預(yù)注阻化液后回風(fēng)側(cè)4#測(cè)點(diǎn)指標(biāo)氣體濃度及溫度

2.1 預(yù)注阻化液前后CO 體積分?jǐn)?shù)變化規(guī)律分析

圖 4 示為 1#、4#、1 和 4 4 個(gè)測(cè)點(diǎn)的 CO 濃度變化曲線，可以看出：

圖4 阻化液前后測(cè)點(diǎn)CO 濃度變化曲線

1）不管是預(yù)注阻化液前，還是預(yù)注阻化液后，采空區(qū)回風(fēng)側(cè)測(cè)點(diǎn)4#和4#監(jiān)測(cè)到的CO 濃度都遠(yuǎn)超過了距離工作面同距離情況下采空區(qū)進(jìn)風(fēng)側(cè)測(cè)點(diǎn)1#和11#監(jiān)測(cè)到的CO 濃度，這說明南屯礦93下09 工作面采空區(qū)回風(fēng)側(cè)煤的氧化更嚴(yán)重，且預(yù)注阻化液前后采空區(qū)進(jìn)回風(fēng)測(cè)的CO 濃度均隨距離工作面距離的增加而增大。

2）預(yù)注阻化液前，從距離工作面30 m 開始，采空區(qū)回風(fēng)側(cè)煤氧化速度突然加快，CO 濃度迅速增加，當(dāng)距離為80 m 時(shí)，CO 的濃度達(dá)到了最大值，這可以解釋，在回風(fēng)側(cè)，從距采空區(qū)工作面30 m 的距離開始，采空區(qū)采開始具有氧化蓄熱的環(huán)境，煤的氧化才開始慢慢加速。

3）在預(yù)注了阻化液后，在距離工作面采空區(qū)同等距離位置，CO 的濃度明顯降低，且在距離工作面30～100 m 范圍內(nèi)，體積分?jǐn)?shù)明顯降低，但總體變化的趨勢(shì)與預(yù)注阻化液之前的趨勢(shì)一致。預(yù)注阻化液前后，CO 濃度較高的區(qū)域推后了約70 m 左右。

2.2 預(yù)注阻化液前后CO2 體積分?jǐn)?shù)變化規(guī)律分析

在煤逐漸氧化的過程中，CO2的濃度會(huì)隨著CO的濃度增大而相應(yīng)的增大。從圖6 點(diǎn)CO2體積分?jǐn)?shù)變化曲線可知：

1）在預(yù)注阻化液之前，在回風(fēng)側(cè)0~30 m 的工作面采空區(qū)內(nèi)，CO2的濃度變化不是太明顯，在80 ~120 m 的范圍內(nèi)，為CO2濃度較高的區(qū)域，且在回風(fēng)側(cè)CO2的濃度遠(yuǎn)高于進(jìn)風(fēng)側(cè)的濃度。

2）在預(yù)注阻化液之后，在距離工作面同等長(zhǎng)度的采空區(qū)，CO2的濃度明顯下降，且在0~60 m 的范圍之內(nèi)，CO2的濃度變化不是太明顯。這是由于煤層預(yù)裂注阻化液使煤在開采的時(shí)候更容易破碎，對(duì)于破碎的煤，距離工作面不相同，其壓實(shí)程度也各不相同，則其CO2的濃度也會(huì)不一樣。

圖5 阻化液前后測(cè)點(diǎn)CO2 濃度變化曲線

比較圖4、圖5 可以得出以下結(jié)論：在這個(gè)工作面的采空區(qū)，CO 濃度較低，而CO2的濃度較高。這是由于在這個(gè)階段的采空區(qū)浮煤氧化還處于富氧氧化的階段，在此階段氧化中心的溫度還不是很高，在氧化過程中生成的CO2的濃度高于CO 的濃度。

3）預(yù)注阻化液前后溫度變化規(guī)律分析

圖6 阻化液前后測(cè)點(diǎn)溫度變化曲線

測(cè)點(diǎn)的溫度變化曲線如圖6 所示，得出結(jié)論：

1）在注阻化液前后，溫度上較高的區(qū)域基本上在回風(fēng)的一側(cè)，在預(yù)注阻化液之前，在距離工作面70 m位置處稍微的采空區(qū)回風(fēng)側(cè)，溫度達(dá)高35℃；當(dāng)預(yù)注阻化液之后，距離工作面110 m 處的采空區(qū)回風(fēng)測(cè)，其溫度才僅僅為35℃，所以，預(yù)注阻化液對(duì)抑制采空區(qū)浮煤氧化自燃現(xiàn)象的效果很顯著。

2）在0～40 m 內(nèi)的工作面采空區(qū)內(nèi)，進(jìn)回風(fēng)測(cè)的溫度都會(huì)低于27℃，這是由于預(yù)注阻化液，其中水分蒸發(fā)造成的結(jié)果。水汽化會(huì)吸熱，從而將煤氧化產(chǎn)生的一部分熱量及時(shí)地傳導(dǎo)出去，此區(qū)域的溫度就會(huì)明顯降低一些。

3 結(jié)束語(yǔ)

通過對(duì)南屯煤礦93下09 工作面預(yù)裂注阻化劑的測(cè)定和計(jì)算，按照正常采煤進(jìn)度4m/d，預(yù)注阻化液后，CO 較高體積分?jǐn)?shù)區(qū)域向采空區(qū)深部至少推后了70m，這使得煤的氧化進(jìn)程至少推后了15 d，因此在某種程度上降低了工作面采空區(qū)自然發(fā)火的危險(xiǎn)性。