逄 寧,黃 金

(中國礦業(yè)大學(xué)安全工程學(xué)院,江蘇徐州 221116)

阻化防滅火的綜合設(shè)計及實踐

逄 寧,黃 金

(中國礦業(yè)大學(xué)安全工程學(xué)院,江蘇徐州 221116)

為了預(yù)防石港煤礦 15108綜采面自然發(fā)火,對采空區(qū)遺煤狀況進行分析,選擇適合15108綜采面阻化劑,通過高抽巷噴撒MgCl2阻化處理采空區(qū)后部浮煤,內(nèi)錯尾巷和防滅火措施巷鉆孔壓注MEA泡沫控制 14號和 15號采空區(qū)浮煤。實踐表明采空區(qū)阻化防滅火綜合措施能有效控制較為嚴(yán)重的采空區(qū)浮煤自燃現(xiàn)象。

阻化防滅火;綜采面;自然發(fā)火

Comprehensive Design for Fire Prevention and D istinguishing

礦井火災(zāi)是煤炭生產(chǎn)過程中主要災(zāi)害之一。在大中型煤礦中,自然發(fā)火嚴(yán)重或較嚴(yán)重的占72.86%;國有重點煤礦中,具有自然發(fā)火危險的占 47.29%。45戶重點監(jiān)控企業(yè)中,329處煤礦的煤層具有自燃傾向性,占 79.5%[1]。自燃火災(zāi)發(fā)生時,會產(chǎn)生大量有毒有害氣體,嚴(yán)重危及井下人員的生命安全;常誘發(fā)瓦斯、煤塵爆炸,進一步擴大其災(zāi)難性。近年來,我國廣泛采用綜采放頂煤開采技術(shù),在瓦斯治理中大力推行瓦斯抽放技術(shù),在生產(chǎn)效率大幅提高和瓦斯涌出量大大減少的同時,造成采空區(qū)遺留殘煤多、漏風(fēng)嚴(yán)重,使得自燃火災(zāi)發(fā)生頻繁。給煤炭生產(chǎn)帶來巨大的經(jīng)濟損失和重大的事故隱患。礦井火災(zāi)已成為制約礦井安全高效開采的主要因素之一[2]。

1 工作面概況

石港煤礦 15108綜采面位于南翼回風(fēng)巷及火藥庫南側(cè),西部為 15107工作面 (未掘),南部為劉家莊保護煤柱。工作面主采 15號煤,其含硫量為2.43%,為Ⅱ級容易自燃性煤層。工作面標(biāo)高 866～936m。埋藏深度 469～484m。

煤層賦存穩(wěn)定,結(jié)構(gòu)復(fù)雜,煤層總厚度最大7.40m,最小 6.75m,平均煤厚 6.41m。煤層中一般含夾矸 2層,頂板向下 2.1m處有一層 0.23m厚夾矸,底板向上 0.66m處是一層 0.32m厚砂質(zhì)泥巖,中下部有一層呈條帶狀結(jié)構(gòu)的煤與夾矸層,厚度 0.40m。直接頂中 14號煤厚 1.03m。

煤層總體呈一沿南西方向傾斜的單斜構(gòu)造,局部波狀起伏,發(fā)育次一級的褶曲構(gòu)造,煤層傾斜最大 28°,最小 5°,平均傾角 18°。14號煤層瓦斯尾巷掘進中共揭露 5條斷裂構(gòu)造。

工作面沿走向布置,傾斜長 157m。工作面進、回風(fēng)巷均沿 15號煤層底板布置,防火措施巷布置在距 15號煤層上部 6.55m的巖層中,走向高抽巷布置在距 15號煤層上部 57.36m的巖層中,內(nèi)錯尾巷布置在距 15號煤層上部 6.55m的巖層中。

2 采空區(qū)遺煤狀況分析

15108綜放面進回風(fēng)巷兩端約 4.4m不放頂煤,綜放面平均采高 6.41m,割煤高度 2.2m,工作面中部采出率 87%。采空區(qū)內(nèi)部空隙率約為 30%,停采前 10m不放頂煤。據(jù)此可推斷出采空區(qū)浮煤厚度。

進回風(fēng)兩巷端頭 (4.4m未放頂煤)采空區(qū)浮煤厚度：

(6.41-2.2)/(1-30%) =6.01(m)

工作面采空區(qū)中部浮煤厚度：

(6.41-2.2)×(1-87%)/(1-30%)=0.78(m)

同時,15號煤層上 5.11m處 1.03m厚的 14號煤不進行開采,隨頂板冒落于采空區(qū)中,使得采空區(qū)含有 2層浮煤。14號煤與 15號煤之間最小夾矸0.23m左右,造成采空區(qū)某個位置兩層浮煤重疊,浮煤厚度變大,在此位置自然發(fā)火危險增大。通過對 15108綜采面煤層賦存條件和采煤工藝分析,發(fā)現(xiàn)兩巷浮煤厚度比較大,自然發(fā)火危險較大。

3 阻化劑

3.1 阻化劑的使用現(xiàn)狀

阻化劑在煤炭自燃的防治中起著重要的作用。我國常用的阻化劑主要有 CaCl2,MgCl2,NaCl,Ca(HO)2,水玻璃等[3]。目前還出現(xiàn)各種新型復(fù)合阻化劑、高聚物阻化劑。

3.2 阻化劑的選擇

針對 15108工作面的具體情況,選取對褐煤具有較好阻化效果的MgCl2及MEA新型阻化劑作為防滅火材料,通過不同濃度阻化劑處理煤樣的氧化升溫實驗,進行對比選擇,優(yōu)選適合 15108工作面防滅火需要的阻化劑。

實驗中,MgCl2濃度選取 10%,20%,MEA濃度選取 1%。

用 10ml濃度為 20%的雙氧水,按照上述濃度分別配好 3種阻化劑。將原煤樣和使用 3種不同阻化劑的煤樣進行氧化升溫實驗。記錄溫度隨時間的變化,最后進行阻化效果的分析,見表 1。

表1 不同濃度阻化劑的阻化率

在實際應(yīng)用中,除了對阻化劑的性能進行評價外,還必須考慮使用地點的特點,阻化劑的成本、毒性、滲透性、粘附性、有效作用時間、材料來源、制備工藝等方面進行綜合評價,選擇一種最適合使用地點的阻化材料。用無機鹽氯化物防滅火操作簡單,材料來源廣泛,但氯化物的用量大,成本高,阻化效果差,不適宜大面積采空區(qū)防滅火,可選擇 20%的MgCl2用于高抽巷的噴灑阻化。MEA阻化效果好,用量少,運輸貯存方便,成本相對較低,適用防滅火地點較廣,可用于內(nèi)錯尾巷和防滅火巷注漿阻化。

4 采空區(qū)阻化處理

4.1 高抽巷MgCl2阻化處理

在回采期間,利用在高抽巷布置的 50.8mm管,利用阻化溶液的流動性、阻化性,利用高抽立體破裂圍巖的裂隙及巖層破壞發(fā)育,通過靜壓壓注MgCl2阻化,處理接近漏風(fēng)匯處周圍區(qū)域的下方可能自燃氧化煤體。

選擇濃度為 20%的MgC12溶液為阻化劑。而霧化量的大小則與采空區(qū)丟煤量成正比。其計算公式為：

式中,V為日噴霧量,t/d;n為日循環(huán)數(shù),個;q為噸煤用液量 (通過實驗或現(xiàn)場經(jīng)驗確定),L/t;L為工作面長度,m;H為工作面采高,m;l為循環(huán)進尺,m;y為煤的密度,t/m3;C為工作面采出率,%;R為霧化率,%。

4.2 內(nèi)錯尾巷、防滅火巷MEA高分子阻化處理

立足于防滅火的技術(shù)需要,在工作面巷道布置上,15108綜采面開拓出專用防滅火巷,用于MEA高分子阻化泡沫對采空區(qū)實施阻化處理,同時利用內(nèi)錯尾巷處理回風(fēng)隅角的采空區(qū)遺煤。通過改善鉆孔設(shè)計等措施,盡可能全面地阻化處理采空區(qū)浮煤,最大限度降低采空區(qū)自然發(fā)火危險性。

通過打鉆注MEA高分子阻化泡沫,在采空區(qū)形成一條長 L=30m、寬 B=40m、高 H=2.5m的封堵帶,封堵漏風(fēng)、覆蓋浮煤,設(shè)計鉆場灌注MEA高分子阻化泡沫的注漿量為：

采空區(qū)覆蓋空間為：V=LBH=3000m3

發(fā)泡倍數(shù)按照 10倍計算,得到漿液體積為：3000m3/10=300 m3

則MEA的用量 (MEA的配比為千分之五)：300 m3×0.5% ×1000=1500(kg)

發(fā)泡劑用量：300×1% ×1000=3000(kg)

4.3 MEA注漿鉆孔參數(shù)設(shè)計

為了全面處理采空區(qū)的 14號、15號浮煤,在防滅火措施巷和內(nèi)錯尾巷提前施工鉆孔,通過鉆孔控制的范圍,使MEA阻化泡沫全面包裹覆蓋采空區(qū)的浮煤。根據(jù)判斷 15108工作面氧化帶的范圍為25m。14號和 15號煤體間距為 5.11m,考慮冒落以后的碎狀因素影響,以空隙率 30%計算,14號浮煤頂板與 15號煤體底板距離為 6.64m,工作面的長度為 157m。通過計算,鉆孔參數(shù)為：平行工作面底板走向,深 25～30m;鉆孔與底板走向夾角14.5°,深 25.87m。

15108的內(nèi)錯尾巷鉆孔參數(shù)如圖 1所示,相鄰鉆場間距 30m,鉆場超前工作面 6～10m。

圖1 內(nèi)錯尾巷鉆孔參數(shù)

在 ni鉆場,往 15108綜采面的 14號煤層打順層孔 5號孔,鉆孔前期施工長度為 30～50m,下套管為 20～30m,主要處理 14號煤體;同時實施鉆孔 1,2,3,4號,1號鉆孔控制回風(fēng)巷頂部 15號煤體及上部 14號煤體,控制范圍為 15108回風(fēng)巷煤壁,走向 5～10m;2號,3號,4號鉆孔,沿一定角度實施,控制回風(fēng)隅角后部 5～10m以及傾向20～30m的空間區(qū)域。鉆孔形成后,進行了MEA的灌注,通過對 5個鉆孔大量的注入MEA阻化泡沫,實施浮煤阻化處理。

防滅火措施巷鉆孔參數(shù)和內(nèi)錯尾巷相同。

15108綜采面阻化防滅火綜合措施如圖 2。

圖2 15108綜采面阻化防滅火綜合措施

5 效果檢驗

15108綜采面開采條件比較復(fù)雜,特別是采空區(qū)遺煤狀況較其他綜采面嚴(yán)重,因此,采空區(qū)遺煤阻化處理顯得尤為重要。根據(jù)采空區(qū)束管系統(tǒng)的氣體檢測分析,在實施阻化防滅火的綜合措施后,采空區(qū) CO濃度有明顯下降,見表 2。采空區(qū)也沒有發(fā)生自燃。

表2 采空區(qū) CO濃度變化

6 結(jié)束語

15108綜采面實施MgCl2及 EMA阻化防滅火處理后,CO濃度明顯下降,有效解決了復(fù)雜條件下采空區(qū)遺煤自燃問題。措施的實施取得了顯著的經(jīng)濟效益和社會效益。

[1]范維唐,盧鑒章,申寶宏,等 .煤礦災(zāi)害防治的技術(shù)與對策[M].徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社,2007.

[2]王德明 .礦井火災(zāi)學(xué) [M].徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社,2008.

[3]秦波濤,王德明 .礦井防滅火技術(shù)現(xiàn)狀及研究進展 [J].中國安全科學(xué)學(xué)報,2007(12)：80-85.

TD752.2

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1006-6225(2010)04-0118-03

2010-04-21

逄 寧 (1989-),男,河南鄭州人,中國礦業(yè)大學(xué)安全工程學(xué)院安全技術(shù)工程專業(yè)本科在讀。

王興庫]