三軟煤層工作面回撤期間綜合防滅火對策

呂兆海趙長紅李立波張志智張小剛黎勁東（1.西安科技大學(xué)能源學(xué)院,陜西省西安市,710054; .神華寧夏煤業(yè)集團有限責(zé)任公司,寧夏回族自治區(qū)銀川市,750004）

?

三軟煤層工作面回撤期間綜合防滅火對策

呂兆海1,2趙長紅2李立波2張志智2張小剛2黎勁東2
（1.西安科技大學(xué)能源學(xué)院,陜西省西安市,710054; 2.神華寧夏煤業(yè)集團有限責(zé)任公司,寧夏回族自治區(qū)銀川市,750004）

摘要以110205回撤工作面自然發(fā)火為研究對象,綜合分析發(fā)火原因,確定火區(qū)重點區(qū)域,采取地面裂縫掩埋回填、井下構(gòu)筑均壓通風(fēng)設(shè)施、整體注液態(tài)N2、CO2、局部鉆孔注膠的綜合方案,使回撤空間溫度由38℃降到18℃、CO濃度從0.012%降到0.0005%,控制了工作面火災(zāi)。

關(guān)鍵詞回撤工作面 自然發(fā)火 綜合防滅火工藝 液態(tài)N2液態(tài)CO2均壓通風(fēng)局部注膠

1　回撤面概況

清水營煤礦地質(zhì)賦存條件復(fù)雜,巖體節(jié)理,裂隙發(fā)育,屬典型三軟煤層特征,煤層頂板由滲透性強、導(dǎo)水性好、松軟易風(fēng)化的厚砂巖構(gòu)成;底板由強度低,穩(wěn)定性差、遇水易膨脹、泥化的粉砂巖構(gòu)成。110205回撤面所采煤層為二煤,煤層厚度4.8 m,屬于Ⅰ類易自燃煤層,發(fā)火期42 d。回撤面斜長296 m,采高3.4 m,由于頂板巖性破碎、底板遇水易膠結(jié)泥化,為控制頂?shù)装逋暾?便于安全回撤,采取預(yù)留頂煤0.6 m、底煤0.8 m的措施。由于施工回撤通道耗時較長、煤巖體松散度較高,當(dāng)工作面下部回收2個端頭支架后,回撤面出現(xiàn)了煤層自然發(fā)火、有害氣體嚴重超限現(xiàn)象,其中98＃支架段出現(xiàn)明火,141＃支架段CO濃度達到0.012%,采空區(qū)溫度局部最高達到38℃。

2　綜合防滅火工藝

針對三軟回撤面防滅火的不利因素,制定先地面后井下、先系統(tǒng)后環(huán)節(jié)、先整體后局部的綜合滅火方案,即對地表裂縫進行充填,隔絕漏風(fēng)通道;調(diào)整通風(fēng)系統(tǒng),實施均壓通風(fēng);注液態(tài)N2、CO2,降低采空區(qū)溫度和氧氣濃度;對局部火源注射高分子凝膠,包裹隔離火源。

2.1采空區(qū)“三帶”劃分

在綜合防滅火過程中,應(yīng)根據(jù)“三帶”寬度合理確定注液態(tài)氣體的間距、時間和注入量,使氧化自燃帶始終處于被惰化覆蓋的狀態(tài),從而有效抑制采空區(qū)自然發(fā)火。工作面開采末期,在回風(fēng)巷、進風(fēng)巷向采空區(qū)每隔50 m、100 m、150 m分別設(shè)置采樣點;施工回撤通道期間,在回風(fēng)巷、進風(fēng)巷每隔60 m、90 m、120 m分別設(shè)置采樣點,通過束管監(jiān)測系統(tǒng)抽樣分析氧氣濃度。以氧氣含量10% ～18%作為氧化帶的劃分依據(jù),利用煤自燃性試驗參數(shù)和井下實際,判斷采空區(qū)遺煤自燃的必要條件:

式中:hmin——采空區(qū)最小浮煤厚度,m;

Cmin——采空區(qū)下限氧濃度,%;

圖1　采空區(qū)“三帶”劃分

將式（1）中相關(guān)結(jié)果代入圖1,經(jīng)氧氣濃度監(jiān)測及“三帶”劃分區(qū)域綜合測定,散熱帶寬度為40～60 m,氧化升溫帶寬度為130～200 m,窒息帶寬度為距工作面200 m以外區(qū)域。

2.2注液態(tài)N2、CO2

液態(tài)N2、CO2能吸收回撤空間熱能,降低火源溫度、氧氣含量。由于N2與空氣密度接近,受火區(qū)標高影響較小,對回撤空間中上部區(qū)域惰化、降溫、隔離效果好;CO2相對密度較大,在火區(qū)內(nèi)氣化擴散后,迅速沉入采空區(qū)底部,對回撤空間中下部區(qū)域惰化、降溫、隔離效果較好。為保證滅火效果,采取連續(xù)性注液態(tài)N2、CO2,使火區(qū)內(nèi)溫度得到有效控制,氧氣濃度降至煤層自然發(fā)火下限。

火區(qū)封閉空間體積計算公式為:

式中:V——封閉火區(qū)的總體積,m3;

V1——工作面封閉體積,m3;

V2——采空區(qū)封閉空間體積,m3;

h——回撤通道高度,取3.4 m;

L1——回撤通道寬度,取3.4 m;

L——回撤通道長度,取296 m;

H——回采煤層厚度,取4.8 m;

L2——氧化升溫帶寬度,取200 m;

λ——采空區(qū)巖石松散系數(shù),取0.8?；饏^(qū)惰性氣體注入量計算公式為:

式中:Q——火區(qū)滅火注入惰性氣體總量,m3;

K——注入惰性氣體備用系數(shù),取1.6;

C1——注入惰性氣體前火區(qū)平均氧氣濃度, 取14%;

C2——火區(qū)滅火臨界氧氣濃度,取5%。

經(jīng)理論計算,為達到滅火效果,注入惰性氣體需達到73.8萬m3。在工作面支架前端位置鋪設(shè)注液氮管路,支架尾梁上方頂板處施工鉆孔15個,鉆孔直徑50 mm,仰角35°,鉆孔深度4.3 m,先后連續(xù)注射液態(tài)N2、CO2,其中1號液氮管分別與170＃、163＃、158＃支架后側(cè)的注液氮鉆孔連接,2號液氮管分別與107＃、104＃、103＃、98＃、95＃支架后側(cè)的注液氮鉆孔連接;3號液氮管分別與120＃、116＃、113＃、131＃支架后側(cè)的注液氮鉆孔連接,4號液氮管分別與151＃、150＃、140＃支架后側(cè)的注液氮鉆孔連接。2月15日—3月4日注氮768.3 t,2月27日—3月4日累計注液態(tài)CO2548.8 t,約88.9萬m3。注液態(tài)N2、CO2管路布置如圖2所示。注液態(tài)N2（CO2）線路:地面槽車→地面下料孔→＋1065 m水平車場→風(fēng)巷輸液氮管路（DN50）→高壓軟管→回風(fēng)巷密閉外預(yù)留管路→采空區(qū)。

2.3均壓通風(fēng)

均壓防滅火技術(shù)采取調(diào)整通風(fēng)系統(tǒng),改變氣壓分布狀態(tài),減少漏風(fēng)區(qū)域壓差,起到堵風(fēng)防漏,管風(fēng)防火,以風(fēng)防火。根據(jù)通風(fēng)阻力定律:

式中:M——漏風(fēng)量,m3;

Δh——漏風(fēng)風(fēng)路起點與終點的壓差,Pa;

R——漏風(fēng)風(fēng)路的風(fēng)阻,kg/m3。

從式（4）可以看出要使漏風(fēng)M→0,只能使采空區(qū)的密閉阻力無限大,即R→0;或減小采空區(qū)周圍密閉、沙袋隔離墻、隔離煤柱的內(nèi)外差,實現(xiàn)均壓通風(fēng)使火區(qū)內(nèi)外達到平衡狀態(tài),即Δh→0。

（1）構(gòu)筑通風(fēng)設(shè)施。在主通風(fēng)線路上構(gòu)筑永久密閉9道,臨時密閉3道,風(fēng)門4道,擋風(fēng)墻1 道,具體位置如圖3所示。

（2）增設(shè)調(diào)壓通風(fēng)機、風(fēng)窗。在工作面進風(fēng)側(cè)＋1065 m水平車場、運輸下山風(fēng)門外側(cè)分別設(shè)置2×75 k W、2×30 k W調(diào)壓通風(fēng)機,在總回風(fēng)側(cè)＋856 m水平車場設(shè)立調(diào)節(jié)風(fēng)窗,形成均壓系統(tǒng),如圖3所示。

圖2　注液態(tài)N2、CO2管路布置

圖3　工作面均壓通風(fēng)系統(tǒng)圖

2.4局部注膠

凝膠是一種滲透性強、密封性好的新型滅火材料,對有限空間、局部火源滅火效果明顯。凝膠成膠前流動性強,擴散滲透性能好,1 m3凝膠可滲透4～5 m3的散煤中,與散煤粘結(jié)成一個整體,起到堵漏風(fēng)、隔絕氧氣作用。凝膠除了能直接滅火,還能通過其堆積和滲透作用將采空區(qū)隔離,縮短自燃帶長度,減少火區(qū)空間。110205回撤面密閉啟封后,在CO濃度較高、溫度較高的區(qū)域把基料Na2SiO3和促凝劑NH4HCO3按2∶1的比例與水分別攪拌均勻,然后同時啟動兩臺泵,將配比溶液輸送至混合器中,打到鉆孔內(nèi),成膠時間控制在5 ～10 min。如圖4所示,在83＃～90＃支架間施工鉆孔7個,鉆孔直徑15 mm,仰角35°、60°、70°,孔深2.3 m,共注水溶性膠體1160 kg;在92＃、93＃、100＃、108＃、121＃、134＃、135＃、137＃、141＃支架間施工鉆孔10個,鉆孔直徑25 mm,仰角60°,孔深2.3 m,共注水溶性膠體3600 kg。

圖4　注膠體鉆孔布置圖

3　效果評價

3.1CO氣體濃度

在防滅火期間,每天安排專人進行氣體監(jiān)測, 2月4日－2月10日期間監(jiān)測到工作面CO濃度有上升趨勢,2月11日CO濃度嚴重超限,其中112＃支架尾梁處CO濃度高達0.012%,上隅角CO濃度達到0.0096%;2月15日,實施均壓通風(fēng)后,工作面上口密閉內(nèi)標志性氣體濃度整體高于下口密閉內(nèi)濃度,這說明火區(qū)的相對位置仍然偏向于工作面上口且火區(qū)沒有明顯縮小;2月17日注液氮159 t后,CO濃度迅速降低,濃度保持在0.0003%～0.007%,隨著注入液態(tài)N2及CO2量的增加,CO濃度整體下降,變化曲線如圖5所示,工作面、上隅角、回風(fēng)流CO濃度分別由0.012%、0.0096%、0.0085%下降到0.0005%、 0.0004%、0.0003%。

3.2溫度變化

2月12日中班,工作面整體溫度有升高趨勢,其中156＃支架尾梁處溫度達到36℃,回風(fēng)流中溫度達到22℃,實施均壓通風(fēng)后采空區(qū)得到有效控制,但整體偏高;自2月16日注液態(tài)N2、后續(xù)又注入液態(tài)CO2后,采空區(qū)整體溫度明顯降低,表明液態(tài)N2、CO2汽化后使火區(qū)得到明顯的控制,見表1。3月6日工作面啟封后,工作面溫度有所回升,采用注入膠體的方式對局部火區(qū)進行了包裹封閉效果明顯,工作面溫度并始終保持在16℃～18℃,如圖6所示,工作面、上隅角、回風(fēng)流溫度分別從21℃、22℃、20℃下降到18℃、14℃、16℃。

圖5　CO變化曲線

圖6　溫度變化曲線

4　結(jié)論

（1）針對回撤空間發(fā)火特點,采取地面填埋裂縫、隔斷空氣通道;井下施工密閉,實施均壓通風(fēng);注液態(tài)N2、CO2、局部火源注射高分子凝膠的綜合措施,切斷了回撤空間自然發(fā)火條件,使火源點斷氧熄滅。

（2）通過綜合防滅火方案,火區(qū)溫度從38℃降到18℃,CO氣體濃度從0.012%降到0.0005%。實踐證明,在采取一定封堵措施后,連續(xù)性注入惰性氣體有利于降低火區(qū)溫度及氧氣濃度,抑制瓦斯爆炸和熄滅火源。

表1　封閉前后采空區(qū)氣體濃度、溫度變化

參考文獻:

［1］余明高.我國煤礦防滅火技術(shù)的最新發(fā)展及應(yīng)用［J］.礦業(yè)安全與環(huán)保,2000（1）

［2］王學(xué)兵,康新榮,徐耀輝.羊場灣煤礦大采高工作面回收期間的液氮防滅火技術(shù)應(yīng)用［J］.中國煤炭,2013（3）

［3］吳玉國等.綜放工作面連續(xù)注氮下采空區(qū)氣體分布及“三帶”變化規(guī)律［J］.煤炭學(xué)報,2011（6）

［4］宋宜猛.采空區(qū)液態(tài)二氧化碳惰化降溫防滅火技術(shù)研究［J］.中國煤炭,2014（4）

［5］李宗翔,許端平,劉立群.采空區(qū)自然發(fā)火三帶劃分的數(shù)值模擬［J］.遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報,2002（5）

［6］張辛亥,李昊等.補連塔煤礦上覆采空區(qū)大面積火區(qū)綜合治理技術(shù)研究［J］.煤炭工程,2014（2）

（責(zé)任編輯張艷華）

The comprehensive prevention countermeasures of coal spontaneous combustion during the working face recovery operations in＂three soft＂coal seam

Lv Zhaohai1,Zhao Changhong1,Li Libo1,Zhang Zhizhi2,Zhang Xiaogang2,Li Jindong2
（1.College of Energy,Xi＇an University of Science and Technology,Xi＇an,Shaanxi 710054,China; 2.Shenhua Ningxia Coal Industry Group Co.,Ltd.,Yinchuan,Ningxia 750004,China）

AbstractTaking the coal spontaneous combustion of 110205 working face during recovery operations as the research object,the reasons of coal spontaneous combustion were analyzed and the its key areas were determined.The comprehensive countermeasures that included burying and backfilling the surface fractures,constructing the facilities of pressure balance ventilation,injecting the liquid nitrogen and carbon-dioxide into the goaf,local gel injection,which made the temperature of recovery operation space dropping from 38℃to 18℃,the carbon-monoxide concentration dropping from 0.012%to 0.0005%and controlled the coal spontaneous combustion.

Key wordsworking face,spontaneous combustion,comprehensive fire prevention technology,liquid nitrogen,liquid carbon-dioxide,pressure balance ventilation,local gel injection

作者簡介:呂兆海（1980－）,男,寧夏靈武人,工程師,博士研究生,主要從事大采高開采、采空區(qū)衍生動力災(zāi)害防治研究。

中圖分類號TD75

文獻標識碼A