正益煤業(yè)火災(zāi)監(jiān)測與防滅火技術(shù)研究

王家福

(山西焦煤集團(tuán)介休正益煤業(yè)有限公司,山西 介休 032000)

1 工程概況

正益煤業(yè)批準(zhǔn)開采2-11號煤層,生產(chǎn)能力6×105t/a,礦區(qū)面積1.982 3 km2.礦井利用主斜井、副斜井、回風(fēng)立井3個井筒開拓全井田?，F(xiàn)階段主采的11號煤層位于太原組下段中部,下距12號煤層1.40～14.57 m,平均6.13 m.11號煤層厚度2.19～3.65 m,平均3.19 m,為井田內(nèi)穩(wěn)定可采煤層。煤層頂板為砂質(zhì)泥巖、泥巖;底板為泥巖、砂質(zhì)泥巖。正益煤業(yè)11號煤層采用長壁式采煤方法,一進(jìn)一回“U”型通風(fēng)系統(tǒng),工作面回采率高、采空區(qū)丟煤少,有利于防止煤層自然發(fā)火。由于回采的11號煤層存在自燃危險性,必須采取綜合防滅火措施,防止煤層自燃。

2 煤層自然發(fā)火監(jiān)測

2.1 自然發(fā)火氣體確定

2.1.1 取樣分析

2020年3月18日,山西省煤炭工業(yè)廳綜合測試中心技術(shù)人員對正益煤業(yè)11號煤層按照《GB482-2008煤層煤樣采取方法》進(jìn)行了現(xiàn)場采樣經(jīng)密封儲存運(yùn)送至實(shí)驗(yàn)室,并按照《GB474-2008煤樣的制備方法》制備出40～80目的500 g實(shí)驗(yàn)煤樣,進(jìn)行煤自燃標(biāo)志氣體測試。具體結(jié)果如表1所示。

從表1中看出:煤樣在35～226 ℃溫度范圍有規(guī)律出現(xiàn)CH4、C2H4、C2H6、C2H2、CO和CO2氣體。C2H4、C2H2、CO及CO2氣體最低產(chǎn)生溫度分別為58.6 ℃、181.3 ℃、35 ℃、35 ℃.

表1 11號煤層煤樣升溫氧化過程氣體產(chǎn)物分析結(jié)果 單位:×10-6

2.1.2 CO、CO2體積分?jǐn)?shù)隨溫度變化

統(tǒng)計(jì)11號煤層煤樣在35～226 ℃間CO、CO2產(chǎn)生量,并分析氣體體積分?jǐn)?shù)隨溫度變化情況,具體如圖1所示。

圖1 11號煤層CO、CO2體積分?jǐn)?shù)隨溫度變化趨勢圖

由圖1可知,①在35～226 ℃實(shí)驗(yàn)溫度區(qū)間11號煤層煤樣CO、CO2氣體發(fā)生規(guī)律基本一致,CO、CO2體積分?jǐn)?shù)與隨煤溫的升高不斷增加;②在35 ℃時,CO、CO2即開始出現(xiàn),初始含量較小,但隨溫度的升高,氣體發(fā)生體積分?jǐn)?shù)逐漸升高;③在煤溫達(dá)到58.6 ℃時,CO氣體發(fā)生體積分?jǐn)?shù)曲線出現(xiàn)拐點(diǎn),CO氣體生成量迅速增加,表明一旦煤體溫度大于58.6 ℃后,煤樣處于快速氧化階段。

2.1.3 烷烴體積分?jǐn)?shù)隨溫度變化

煤氧化過程中,烷烯烴氣體組份有CH4、C2H4、C2H6和C2H2,氣體體積分?jǐn)?shù)隨溫度變化情況如圖2所示。

圖2 烷烴體積分?jǐn)?shù)隨溫度的變化曲線

由圖2可知:

1) 11號煤層實(shí)驗(yàn)煤樣在35～156 ℃之間,CH4隨溫度升高,其體積分?jǐn)?shù)變化不大,156 ℃之后快速增大。在實(shí)驗(yàn)初期CH4就開始出現(xiàn),表明采集煤樣含殘存CH4,隨溫度的進(jìn)一步升高,殘存瓦斯逐漸解析。

2) 11號煤層煤樣在30～156 ℃之間,C2H6隨溫度升高,其體積分?jǐn)?shù)變化不大,在溫度大于156 ℃后發(fā)生速度快速加大,但在210 ℃之后其體積分?jǐn)?shù)增加減緩。在實(shí)驗(yàn)初期C2H6就開始出現(xiàn),表明采集煤樣含原生C2H6,隨溫度的進(jìn)一步升高,原生C2H6逐漸解析。

3) 11號煤層的實(shí)驗(yàn)煤樣溫度在 58.6 ℃時C2H4開始出現(xiàn),隨溫度升高,其體積分?jǐn)?shù)逐漸增大,在溫度大于120 ℃后發(fā)生速度加快。在實(shí)驗(yàn)初期35～ 58.6 ℃之間C2H4并未出現(xiàn),其發(fā)生的臨界溫度點(diǎn)為 58.6 ℃.

4) 11號煤層的實(shí)驗(yàn)煤樣溫度在181.3 ℃時C2H2開始出現(xiàn),C2H2與其他氣體相比,出現(xiàn)較晚,說明當(dāng)煤溫達(dá)到181.3 ℃時,煤已經(jīng)發(fā)生劇烈的化學(xué)反應(yīng)。

2.1.4 煤層自然發(fā)火標(biāo)志氣體優(yōu)選

CO是11號煤自然發(fā)火的指標(biāo)氣體之一。CO的出現(xiàn)表明煤樣開始氧化,CO體積分?jǐn)?shù)越來越高則表明煤樣氧化越來越劇烈。

11號煤樣的自熱臨界溫度為58 ℃;C2H4是煤層進(jìn)入加速氧化的標(biāo)志氣體。11號煤層C2H4出現(xiàn)的臨界溫度分別為 58.6 ℃;只要見到C2H4必須采取切實(shí)有效的防滅火措施;C2H2出現(xiàn)標(biāo)志著煤層局部已發(fā)生劇烈氧化反應(yīng)或可能出現(xiàn)明火。

2.2 監(jiān)測系統(tǒng)

2.2.1 煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)

正益煤業(yè)已有一套KJ90X煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng),采用KJ90X煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行火災(zāi)監(jiān)測。

1) CO傳感器。回采工作面上隅角、緊急避難硐室、采區(qū)回風(fēng)巷、回采工作面巷道膠帶下風(fēng)側(cè)10 m處、掘進(jìn)巷道膠帶下風(fēng)側(cè)10 m處、運(yùn)輸巷膠帶下風(fēng)側(cè)10 m處、主井膠帶下風(fēng)側(cè)10 m處等處設(shè)置CO傳感器。

CO傳感器應(yīng)垂直懸掛,距頂板(頂梁)≤300 mm,距巷壁不得小于200 mm,報警濃度≥0.002 4%.

2) 溫度傳感器?；夭晒ぷ髅婊仫L(fēng)巷距回風(fēng)繞道口10～15 m處或工作面,報警溫度30 ℃;主要機(jī)電硐室等布置溫度傳感器,報警溫度34 ℃.

3) 煙霧傳感器。帶式輸送機(jī)滾筒下風(fēng)側(cè)10～15 m處設(shè)置煙霧傳感器。

2.2.2 束管監(jiān)測系統(tǒng)

正益煤業(yè)采用KSS-200煤礦自燃火災(zāi)束管監(jiān)測預(yù)報系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)井下環(huán)境中氣體成分監(jiān)測。具體井下測點(diǎn)布置方案為[1-3]:

1) 在采面回風(fēng)巷布置束管采樣器,實(shí)現(xiàn)采面后方采空區(qū)內(nèi)90 m范圍監(jiān)測,測點(diǎn)間距約為30 m,待測點(diǎn)深入到采空區(qū)90 m后,可結(jié)束此測點(diǎn)觀測。

2) 采面封閉后,通過進(jìn)、回風(fēng)巷密閉墻以及其他與采空區(qū)連接的密閉墻上分別設(shè)觀測孔布置測點(diǎn),對采空區(qū)氣體成分進(jìn)行監(jiān)測。

3) 沿工作面回風(fēng)巷鋪設(shè)4根單管,進(jìn)入采空區(qū)沿區(qū)段煤柱頂端懸掛,并外套PVC管,每個測點(diǎn)均布置1個采樣器。

2.2.3 人工檢測

根據(jù)井下防滅火的需要,在掘進(jìn)巷道,采面及支架間等位置,重點(diǎn)檢查CO、CH4、O2、溫度,每班至少檢測2次;密閉觀測孔、密閉墻四周等地點(diǎn),每周至少檢測1次。

3 防滅火技術(shù)

在礦井開采過程確保安全監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)和束管監(jiān)測系統(tǒng)的正常運(yùn)行,并輔以人工采樣分析,及時掌握煤自燃發(fā)展進(jìn)程,并啟動相應(yīng)的防滅火系統(tǒng),具體防滅火系統(tǒng)應(yīng)用條件及使用方法如表2所示[4-6]。

表2 正益煤業(yè)防滅火系統(tǒng)的應(yīng)用條件

3.1 灌 漿

由于正益煤業(yè)生產(chǎn)集中,灌漿量較大,因此在副斜井工業(yè)場地設(shè)集中灌漿站。漿站做法:在場地建2個灌漿池,池深4 m,直徑2.5 m,池四周采用MU100機(jī)磚M75砂漿砌筑,墻體厚度370 mm.灌漿站主要設(shè)備和材料投入如表3所示。

表3 灌漿站主要設(shè)備及材料

礦井回采的11號煤層屬于自燃煤層,在工作面發(fā)生異?；蚬ぷ髅嬗龅刭|(zhì)構(gòu)造推進(jìn)速度緩慢,推進(jìn)速度小于0.52 m/d;或因停產(chǎn)時間超過40 d;或人工或束管監(jiān)測系統(tǒng)檢測到采空區(qū)有自然發(fā)火征兆,通過打鉆灌漿和回采密閉后進(jìn)行閉墻插管灌漿充填,具體方法如下:

1) 打鉆灌漿。在工作面回采巷道布置鉆場,向采空區(qū)打鉆,鉆孔終孔孔徑在89 mm以上鉆孔的布置必須能將火源包圍,能控制火源的發(fā)展,直到工作面恢復(fù)正常生產(chǎn)為止。

2) 回采封閉后進(jìn)行閉墻插管灌漿充填。當(dāng)工作面回采結(jié)束永久封閉后,通過密閉墻預(yù)留注漿孔大量向閉后灌注漿液,同時可以起堵漏作用,灌漿量根據(jù)采空區(qū)自然發(fā)火情況確定。

工作面采空區(qū)是自然發(fā)火最危險的區(qū)域,灌漿管路主要針對11號煤采空區(qū)鋪設(shè)。鋪設(shè)時,管路末端距工作面不得大于50 m.其他地點(diǎn)的灌漿,則根據(jù)需要從主管路上分叉連接。

3.2 阻化劑防滅火

煤礦井下常使用的阻化劑有水玻璃(Na2O·nSiO2)、氫氧化鈣Ca(OH)2、CaCl2等。水玻璃、氫氧化鈣不同程度存在成本高、腐蝕性強(qiáng)等問題,而CaCl2具有來源廣、成本低優(yōu)勢,故選用CaCl2作為防滅火阻化劑[7]。根據(jù)相鄰礦井及本礦防滅火的經(jīng)驗(yàn),選用20%摩爾濃度的工業(yè)氯化鈣(CaCl2)作為阻化劑,其阻化率在60%～80%以上,阻化效果較好。阻化劑噴灑采用BH-40/2.5型煤礦用阻化劑噴射泵,具體技術(shù)參數(shù)如表4所示。

表4 BH-40/2.5型煤礦用阻化劑噴射泵技術(shù)參數(shù)

以11-106綜采工作面為例,對阻化劑噴灑系統(tǒng)布置情況進(jìn)行分析,具體噴灑系統(tǒng)工藝圖如圖3所示。在工作面回風(fēng)巷設(shè)置阻化劑儲藥箱,按需摩爾濃度(20%)將CaCl2、清水?dāng)嚢杈鶆?通過BH-40/2.5噴射泵、D10 mm、噴槍等進(jìn)行阻化劑噴灑。正常回采期間每天噴灑1次,安排在檢修班進(jìn)行。11-106工作面單刀推進(jìn)度為0.6 m,每日6個循環(huán),采面回采期間阻化劑噴灑量如表5所示。

圖3 阻化劑噴灑系統(tǒng)工藝圖

表5 工作面阻化劑噴灑情況

4 結(jié) 語

1) 依據(jù)正益煤業(yè)11號煤層情況,對11號煤層的CO、CO2及烷烴體積分?jǐn)?shù)隨溫度變化情況進(jìn)行分析,并提出將CO作為11號煤層自然發(fā)火的指標(biāo)氣體之一。CO的出現(xiàn)表明煤樣已經(jīng)開始氧化;C2H4是煤層進(jìn)入加速氧化的標(biāo)志氣體,監(jiān)測到C2H4必須采取切實(shí)有效的防滅火措施。

2) 結(jié)合正益煤業(yè)現(xiàn)場情況,確定井下火災(zāi)觀測點(diǎn),并提出綜合使用KJ90X煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)、KSS-200煤礦自然火災(zāi)束管監(jiān)測及人工監(jiān)測方式對井下進(jìn)行監(jiān)測,并具體對測點(diǎn)布置方式進(jìn)行闡述。

3) 提出采用灌漿、噴灑阻化劑方式進(jìn)行防滅火,給出各防滅火系統(tǒng)使用條件以及布置方式?，F(xiàn)場應(yīng)用表明,文中所提礦井火災(zāi)監(jiān)測與防滅火技術(shù)可有效抑制采空區(qū)遺煤自燃,監(jiān)測期間采空區(qū)及采面內(nèi)CO、C2H4等氣體成分均在安全范圍內(nèi),可在一定程度提高井下煤炭生產(chǎn)安全保障能力。