廢棄小煤窯采空區自燃火區治理關鍵技術的應用研究

牛立東 王常興 王俊峰 鄔劍明

(1.臨汾市煤炭工業局,山西省臨汾市,041000;2.太原理工大學,山西省太原市,030024)

廢棄小煤窯采空區自燃火區治理關鍵技術的應用研究

牛立東1王常興1王俊峰2鄔劍明2

(1.臨汾市煤炭工業局,山西省臨汾市,041000;2.太原理工大學,山西省太原市,030024)

在應用同位素測氡法進行火源位置精確探測的基礎上,采用變比例的動態混合漿液,對雪坪煤礦南側小煤窯煤炭自燃隔離帶及火區鉆孔進行充填封堵并加固,同時應用新型阻化凝膠局部消除高溫并根據火區信息的動態檢測結果對滅火參數進行動態調整,以保證滅火效果。

煤炭自燃 采空區火源探測 動態檢測

1 火區概況

雪坪煤礦位于臨汾市堯都區土門鎮(原西頭鄉)雪坪村西北側,1989年建井,1993年投產,礦區距臨汾市35 km。礦井核定生產能力為45萬t/a,礦井服務年限45年。雪坪煤礦批準開采太原統9#、10#、11#煤層,井田面積4.8084 km2。

2009年3月30日零點,井下1#變電所CO氣體超標,3月31日市局安全科、市救護大隊、監察大隊部分人員到礦對井下氣體進行實測,確定井下多個地段CO氣體超標。隨即,礦方立即采取了查漏風、加固井下密閉、封堵等一系列的防滅火措施,初步控制了火情,但從對井下B20密閉氣體分析檢測結果來看,CO濃度達0.5%以上,C2H2濃度為0.001%,O2濃度14.7%,N2濃度78.8%,火區漏風嚴重,火勢并未得到有效的控制。

小煤窯的開采方式一般為短壁開采或掘巷開采,因此在采空區或掘空巷道內產生大量的遺煤和松散的煤柱,而且通風管理及通風設施不完善,漏風嚴重,極易形成煤炭自燃火災。

小煤窯自然發火具有以下特點:(1)火區周邊地質和礦井開采資料不全,一旦火區蔓延至生產礦井,往往突發性地產生冒煙或明火;(2)具有隱蔽性,其火區位置、范圍、發展趨勢難以確定,給防滅火方案的制定帶來了困難。因此,自燃火源位置的精確探測及火區的范圍、發展趨勢準確斷定是火區治理的關鍵。

2 自燃火源位置探測

目前,國內外煤炭自燃火源探測方法主要有溫度(輻射能量)法包括紅外測定法和煤或圍巖溫度測定法、磁探法、電阻率法、氣體測量法、無線電波法、地質雷達探測法、遙感法、計算機數值模擬法和同位素測氡法。近幾年來,同位素測氡法應用于百余個礦井自燃火災火源的探測,證實了它不但能夠準確識別火源中心位置、火區范圍以及火源的發展情況,而且具備探測和數據處理速度快、成本低等優勢,是目前較為理想的地下火源探測技術。

2.1 同位素測氡法的探測原理及工藝

氡為放射性核素,衰變時放出能量,可作為信息被檢測出來,它反映地球體內核素含量及其活動形式與衰變類型。研究表明,氡的析出率隨著介質溫度的升高而增大,火區或高溫點上部氡的離子交換速度加快,使得氡的放射性活度增加而產生氡異常。同位素測氡法是利用氡的運移規律,根據氡及其子體的運移受到火源的影響,測量地表氡及其子體的量來判斷火源位置。根據現場實際情況,結合地表特點,共布測點294個,點距為10 m×10 m,探測面積約26000 m2。探測工藝如圖1。

圖1 探測工藝

2.2 探測結果

將野外所測結果應用測氡探火數據處理系統專用軟件包進行處理可得測值、異常值立體圖,經過軟件再處理,可得到相對應的等值線圖,見圖2、圖3。

圖2 立體圖

在測場內探明溫度異常區2個,分別為A、B,總面積約4100 m2。

(1)A區為一高溫火區,面積約為2700 m2,發展方向為北偏東方向;

(2)B區為一高溫火區,面積約為1400 m2,發展方向為北偏東方向。

A、B二個溫度異常區范圍、位置如圖4所示。

3 火區治理

由于自燃火區與周邊礦井及地面存在較多的角聯漏風通道,自燃發生后很難用單一井下密閉封閉隔離。自燃火區燃燒時間較長,參與燃燒的物質除了遺煤外,還有大量的煤柱,有時高溫火點經常發生在煤體中上部,儲存熱量很大,高溫范圍較大;滅火周期長,不易撲滅,易復燃,故制定“地面打鉆灌(注)漿”的滅火施工方案,確保熄滅并隔離火區。

3.1 灌漿材料的選擇

滅火材料的選擇首先要考慮當地現有的材料,同時要具備經濟實用、易于儲運的特點。灌漿所采用的材料主要有黃土、水泥、粉煤灰、碳銨、水玻璃等。

根據現場的實際施工效果對漿液的濃度進行了相應的調整,改變以往單一濃度注漿的方法,以確保封堵及滅火效果。為了確定粉煤灰凝膠料的性能,在實驗室對粉煤灰凝膠料進行了性能測試。

(1)阻化性能。阻化率的大小是衡量煤氧化強弱的重要指標。阻化率大則表明氧化性弱;反之,則氧化性強。采集有自然發火傾向性煤層煤樣,經過粉碎并篩分成一定粒度后分成若干等份,其中一部分煤樣用不同配比的粉煤灰凝膠浸透處理,裝入試驗管封閉嚴密。然后將未處理的煤樣和已處理的煤樣分別裝入反應管,并把反應管放入恒溫水浴中,加熱一定溫度后恒溫(60℃、80℃),煤樣在這一恒溫過程中氧化產生CO,恒溫一定時間后取樣分析各試管中的CO含量。

在相同的試驗條件下,被阻化劑處理過的煤樣與未經過任何處理的原煤樣在恒溫過程中所產生的CO相對含量不相同,并以此來計算阻化率,阻化率計算公式如下:

3.2 地面鉆孔布置方式

根據火源探測結果及已知采空巷道分布狀況,在火區內部和周圍進行鉆孔布置。在火區邊界布置密集圍幕鉆孔,并灌注永久性封堵材料,以便形成火區隔離帶,同時可避免灌漿時產生的高溫蒸汽擴散造成火區轉移。

火區中心高溫火區布置注凝膠鉆孔,凝膠可對火源起到快速降溫、隔絕氧氣的作用。火區內部布置灌漿鉆孔,可灌注粉煤灰、黃泥漿液對火區進行封堵。其鉆孔間距主要考慮了漿液的有效擴散距離,根據理論計算參照采空區經驗確定鉆孔間距為10 m,孔徑定為108 mm,下套管至基巖。

3.3 灌漿施工

在滅火施工現場建區域性的移動式灌(注)漿系統,根據鉆探揭露及孔底檢測信息資料灌注不同材料和不同配比的漿液。首先對邊界帷幕隔離帶進行施工,以達到預先封堵、阻斷火源蔓延的目的。然后對火區按先周邊后中心的順序進行注(灌)漿、注膠。注漿過程中,實施了“初始注漿—漿液自然沉積—補充注漿—打壓—檢測”等一系列步驟。

4 治理效果分析

注漿滅火期間,共向火區開鑿注膠鉆孔63個,注漿量32675 m3。根據對觀測孔B2、西風井進行連續監測的結果表明(見圖5、圖6),CO的濃度逐漸降低,溫度也逐漸下降,表明火區已基本得到了有效的控制。

測試表明:60℃時,粉煤灰凝膠料的阻化率均達到50%以上;80℃時,粉煤灰凝膠料的阻化率均達到70%以上,說明其阻化性能良好。

(2)收縮性。將不同材料配比的粉煤灰凝膠料用100 mm×100 mm×100 mm的模具制作試樣,在室溫(15～36℃)、濕度60%～80%的環境下,放置一段時間后測試。測試表明:粉煤灰凝膠試塊無開裂現象,但試塊收縮,收縮率為5%～10%,其收縮原因為環境濕度低,致使膠體脫水。

(3)抗壓性。將6組試塊在室溫(15～36℃)、濕度60%～80%的環境下,放置一段時間后在壓力測試機上進行抗壓測試。測試結果表明:抗壓強度達到5.8 MPa。通過對所用粉煤灰凝膠材料的性能檢測,能滿足滅火需要。

5 結語

利用同位素測氡法對火源位置的精確探測是火區治理工程的基礎,在此基礎上采用變比例的動態混合漿液,對隔離帶及火區鉆孔進行充填封堵并加固,改變了傳統單一黃泥灌漿封堵效果差的狀況,同時應用新型阻化凝膠局部消除高溫點的綜合滅火技術和火區信息檢測技術,科學評價治理效果,縮短了滅火時間,降低了滅火成本,保證了滅火效果。

[1] 鄔劍明,劉艷,周春山.同位素測氡法在柳灣礦自燃火源位置探測中的應用[J].太原理工大學學報,2006(9)

[2] 隋濤,潘躍飛,鄔劍明.同位素測氡法探測火源位置在柴里煤礦火區治理中的應用[J].山西煤炭,2006(3)

[3] 鄔劍明,高尚青.煤層自燃火區溫度檢測技術的研究與應用[J].中國安全科學學報,2004(10)

[4] 隋濤.粉煤灰凝膠防滅火技術在煤礦中的研究應用[J].太原:太原理工大學,2007

A research on the application of key technology for coal spontaneous combustion control in gob areas of an abandoned small coal mine

Niu Lidong1,Wang Changxing1,Wang Junfeng2,Wu Jianming2

(1.Linfen Municipal Coal Industry Bureau,Linfen,Shanxi province 041000,China;2.Taiyuan University of Technology,Taiyuan,Shanxi province 030024,China)

On the basis of the application of isotope for measuring radon to determine the accurate location of fire sources,varying proportion dynamic mixing grout is used to fill,block and seal the fire zone boreholes in the zone of coal spontaneous combustion zones of a small coal mine south of Xueping coal mine.Parallel to this,fire retarding gel of novel type is used to eliminate high temperature points locally.In addition,in the process of this,dynamic adjustment is carried out on the fire fighting parameters according to the dynamic monitoring of fire zone information.All these combine to achieve a positive result of fire fighting.

spontaneous combustion of caol,gob area fire source probe,dynamic testing

TD753

A

牛立東(1965-),山西太原人,大學本科,高級工程師,主要從事煤炭生產安全的管理與技術工作。

(責任編輯 梁子榮)