邢臺礦區下組煤開采綜放工作面防滅火技術

趙兵文魏文柱

(1.中國礦業大學(北京)資源與安全工程學院,北京市海淀區,100083;2.冀中能源股份有限公司,河北省邢臺市,054021)

邢臺礦區下組煤開采綜放工作面防滅火技術

趙兵文1,2魏文柱2

(1.中國礦業大學(北京)資源與安全工程學院,北京市海淀區,100083;2.冀中能源股份有限公司,河北省邢臺市,054021)

針對邢臺礦區采用綜采放頂煤工藝開采的高硫易自燃下組煤層自然發火的問題,進行了煤層自燃特性、指標氣體的分析,建立了以束管監測預報、三相泡沫防滅火、復合漿體沿空巷道噴涂隔風以及均壓防滅火為主體的綜合防滅火技術體系,取得了明顯效果。

下組煤 防滅火 指標氣體 三相泡沫 沿巷噴涂 綜放工作面

1 邢臺礦區下組煤開采及自燃概況

1.1 下組煤開采概況

邢臺礦區下組煤主采煤層是9#煤層,煤層厚度5～9 m,采用綜采放頂煤技術開采,煤層含硫一般在3%以上,由于下組煤自然發火期短,開采期間自燃火災防治困難。

1.2 自燃原因分析

經分析,9#煤層自燃的主要原因為如下4個方面。

(1)采用沿空掘巷方式掘進巷道,造成采空區漏風加大,增大了煤炭自燃的風險。

(2)煤層底板為奧灰含水層,難以布置巖巷,礦井的主要巷道均為煤巷,巷道裂隙長時間氧化易造成自燃。

(3)采用放頂煤工藝采煤,采空區遺煤量相對較多,自燃危險性較大。

(4)9#煤層為高含硫自然發火煤層,煤層平均含硫量達4.18%,由于硫對煤的氧化促進作用,增加了煤炭自燃傾向性,客觀上縮短了煤層自然發火期。

2 煤自燃的指標氣體分析

對葛泉礦東井煤層取樣進行煤自燃的指標氣體分析,找到了氣體與溫度的關系,見圖1。

圖1 9#煤層自燃指標氣體與溫度的關系

由圖1可以看出,煤樣在30℃到200℃的氧化過程中都有規律地出現 CO、CO2、CH4、C2H6、C2H4、C2H2,其產生率隨煤溫上升基本呈指數上升趨勢。30℃時出現 CO、CH4、C3H8氣體,50℃時出現 C2H6、C3H8氣體,120℃時出現C2H4氣體,190℃時出現C2H2氣體。說明此煤樣發生更為強烈的氧化反應,高溫發熱區進一步擴大,可視為煤自燃氧化進入燃燒期的標志,即出現明火。CO在30℃時開始出現,在低溫階段其生成量較小,至 110℃只有 0.0068%,但在 120～130℃時CO量迅速增加,說明此時煤已經開始迅速氧化。因此,葛泉礦東井的自燃火災隱蔽性較強,不能單純的以CO為火災預測指標。

將煤氧化過程中生成的C2H6與C3H8求比值得鏈烷比H,結果如圖1(d)所示。由圖可知,在70～110℃時,H值由0.133快速增大至0.613,對區間擬合可得方程:

相關性系數R2=0.9845。該方程式可作為低溫階段,CO濃度不敏感條件下預測預報煤自燃的重要參數。通過對煤炭低溫氧化實驗結果的分析,可初步選擇以CO和 H作為對葛泉礦東井煤炭自燃的預報指標,C2H4、C2H2分別作為高溫發熱區和明火出現的標志。

3 綜合防滅火技術體系

3.1 建立全方位自燃早期預報系統

利用人工檢測、安全監控和礦井火災束管色譜監測3種手段相結合,建立起“三位一體”的全方位煤炭自燃早期預測預報系統。

3.1.1 人工檢測

工作面瓦斯員每班用紅外線測溫儀、O2和CO等便攜式氣體分析儀,在回風隅角和后刮板輸送機機頭等防火觀測點進行氣體檢測。同時,在工作面液壓支架間采取氣樣,進行氣相色譜儀分析,根據指標氣體的成份與濃度,分析煤的自然發火程度。

3.1.2 安全監測監控系統

利用煤礦安全監測監控系統,加強對CO濃度的連續在線自動監測。在工作面回風巷內和上隅角安設CO傳感器、溫度傳感器等監控探頭,實現對煤層自燃情況的連續自動監測。

3.1.3 束管監測系統

利用 KSS-200煤礦自燃火災束管監測系統對礦井自燃火災進行預報工作。系統可對井下防火觀測點的 O2、N2、CO、CH4、CO2、C2H4、C2H6和C2H2等氣體實現24 h的連續循環監測,通過計算機鏈烷比的計算,及時分析、預測預報發火點的溫度變化。

3.2 三相泡沫防滅火技術

工作面遇斷層或地質構造異常區時,由于推進速度降低或停采,采空區內同一地點的遺煤氧化蓄熱時間加長,氧化升溫速度加快。這時,除進一步減少配風量,提前加大上、下隅角、采空區灌漿量外,利用工作面后部預埋注漿管及工作面內煤壁一側地點施工鉆場,通過施工鉆孔向整個工作面架后3～5 m范圍采空區反復注“三相泡沫”防滅火材料,使“三相泡沫”在采空區內擴散、滲透,向高處堆積,降低高溫浮煤的溫度,見圖2。

圖2 工作面管路布置示意圖

3.3 沿空巷道的噴涂技術

為節約煤炭資源,提高煤炭采出率,9#煤層開采采用沿空掘巷方式布置巷道。由于巷道周圍的煤體因承受地壓作用而產生大量的裂隙,造成采空區和巷道煤柱的漏風量加大,風流滲流至采空區,客觀上為煤炭自燃提供了條件,增大了煤炭自燃的風險。為減少沿空巷道的漏風問題,結合傳統的黃泥注漿工藝,研制了復合漿體材料及噴涂工藝,通過對巷道頂、幫及頂板破碎的巷道段進行噴漿,有效防止了漏風。

3.3.1 復合漿體材料

復合漿體材料以粘土、水泥為基料,輔以添加劑、玻璃纖維,按照一定工序配制而成,具有懸浮性強、初凝時間短、凝固后耐沖洗、不易開裂和成本低等優點。壓汞試驗和電鏡掃描結果表明,復合漿體材料中孔體積所占比例高達76.04%,粗大裂隙不發育,滲透系數僅為1.181×10-10mm/s,隔風性能優良。

3.3.2 制漿系統

制漿系統是地面固定注漿系統的核心子系統,其性能決定了地面固定注漿系統的注漿能力和工作效率。制漿系統構成如圖3所示,主要包括粘土單漿制漿系統和水泥下料控制裝置,粘土單漿制漿系統可制成一定比重和粘度的粘土單漿液,水泥下料控制裝置通過計算機控制系統的控制可向粘土單漿制漿系統中加入一定量的水泥粉,通過攪拌制成復合漿體材料。

圖3 制漿系統示意圖

3.3.3 井下噴注裝置

噴涂復合漿體材料的裝置為自制的“人字形”噴槍,采用6分鐵管制成,噴槍及其管路連接見圖4。噴槍設有2個進口端,通過軟管分別與注漿管路和壓風管路相連,其中在進口端處設有閥門,在噴漿時工人通過閥門調節漿液和壓風的進入量。另外,在“人字形”噴槍與壓風管路連接的膠管上還裝有止回閥和減壓閥,使壓風以一定壓力單向流入噴槍,保證噴涂作業人員的安全。

圖4 “人字形”噴槍及其管路連接示意圖

3.4 均壓防滅火技術

當工作面回采結束后,首先拆除工作面運輸巷內設備,并對運輸巷進行封閉。在靠近工作面運料巷的進風巷道內安裝局部通風機,將風筒通過運料巷接至工作面拆除支架處,進行正壓通風,以減少采空區的漏風。

對于采區周圍存在小窯采空區,且有漏風通道的工作面,由于小窯通風負壓明顯低于大礦負壓,存在有小窯漏風和有害氣體向大礦侵入的危險。可在工作面進風巷設置帶有調節風窗的局部通風機,局部通風機安裝在風窗的進風側。同時,在回風巷內也設置調節風窗。通過調整兩風窗的面積,使工作面空氣的絕對壓力等于或稍高于采空區后部小窯漏風處的絕對壓力,減少漏風,從而達到防止小窯有害氣體侵入和防止自然發火的目的。

從有利于調壓防滅火的角度出發,在有漏風源或漏風匯附近的風路上,通風構筑物不應選擇在漏風源和漏風匯之間,應將其設在漏風源的進風側,或漏風匯的回風側。對于采用U型通風的工作面,工作面回采結束后,邊眼內應嚴禁構筑擋風墻。

4 工程應用

以邢臺礦區葛泉礦東井為例,2007年5月5日,1192工作面在出現大范圍的高溫異常區,通過采取三相泡沫滅火、均壓等技術,5d后就迅速控制了火災形勢,工作面回風流中CO降為0,C2H4也為0,且這些火災標志性氣體的濃度一直沒有再上升。工作面從5月28日開始撤架,6月12日順利拆完封閉,工作面在近45 d未推進的情況下,火區未復燃,也沒有再次出現高溫異常區。

同時沿巷噴涂隔風的效果也非常顯著,由圖5可以看出,葛泉礦東1191運料巷噴涂后,1192采空區的氧氣濃度由12%下降至4.5%,說明復合漿體材料隔風性能優越,能有效防止采空區煤炭自燃。

圖5 1191運料巷噴涂前后1192采空區氧氣濃度變化

5 結論

(1)針對邢臺礦區采用綜采放頂煤開采的高硫自燃下組煤層發火特點,進行了自燃指標氣體的分析,選擇以CO和H作為對煤炭自燃的預報指標,C2H4、C2H2分別作為高溫發熱區、明火出現的標志。

(2)建立了綜合防滅火技術體系。以束管監測和煤體溫度監測相結合作為煤炭自然發火的早期預報系統;以三相泡沫防滅火技術撲滅采空區火災;沿空巷道噴涂隔風復合漿體防滅火技術解決了沿空巷道向采空區漏風引起煤層自燃的難題;實施均壓防滅火技術合理分配工作面風量,減小了采空區的漏風狀況。

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[2]吳超,孟廷讓.高硫礦井內因火災防治理論與技術[M].北京:冶金工業出版社,1995

[3]周福寶,王德明,章永久等.含氮氣三相泡沫惰化火區的機理及應用研究[J].煤炭學報,2005(4)

[4]周福寶,李金海,劉應科等.復合漿體噴涂新材料及其隔風特性[J].煤炭學報,2010(7)

(責任編輯 梁子榮)

Fire prevention and fighting technology at the lower-coal seams’fully mechanized cavingmining face of Xingtaimining area

Zhao Bingwen1,2,Wei Wenzhu2
(1 School of Resources and Safety Engineering,China University of Mining and Technology,Haidian,Beijing 100083,China;2 Jizhong Energy Resources Co.,Ltd,Xingtai,Hebei 054021,China)

Fully mechanized cavingmining method is used in Xingtaimining area tomine the high sulfur content lower-coal seams,and this will cause coal liable to spontaneous ignition.To settle this issue,the author analyzed the characters of coal seams spontaneous ignition and index gas,and a comprehensive technology system for fire prevention and fighting is established through setting up a monitoring and forecasting system,using three-phase foam extinguishing material,making gunniting to roadway by using compounding material to seal oxygen,and using equal-pressure fire prevention technology.A sound result has been achieved based on above.

lower-coal seams,fire prevention and fighting,index gas,three-phase foam,roadway gunniting,fully mechanized swb-level caving coal face

TD752

B

趙兵文(1963-),男,河北任縣人,正高級工程師,長期從事煤礦生產技術管理工作,中國礦業大學(北京)資源與安全工程學院博士研究生,現任冀中能源股份有限公司總工程師。