周春山 鄔劍明 王俊峰 吳玉國

(太原理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院,山西省太原市,030024)

CO2滅火技術(shù)在高瓦斯封閉火區(qū)的應(yīng)用

周春山 鄔劍明 王俊峰 吳玉國

(太原理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院,山西省太原市,030024)

通過對和順一緣煤礦150105工作面采空區(qū)自燃火災(zāi)狀況的分析,提出了注CO2滅火的方法,論述了CO2滅火的機(jī)理、特點(diǎn)、制取方法和施工工藝。結(jié)果表明,隨著CO2的注入,150105回風(fēng)巷斜下密閉墻觀測孔內(nèi)CO濃度由0.8243%降至0.0056%,O2濃度由6.5%降至1.2%,C2H4和C2H2均降為0,火區(qū)治理效果顯著。

煤炭自燃 CO2滅火 高瓦斯礦井 封閉火區(qū)

山西潞安集團(tuán)和順一緣煤業(yè)有限責(zé)任公司由原山西和順鳳臺一緣煤業(yè)有限公司整合而成,礦井設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力90萬t/a,現(xiàn)開采15#煤層。2010年3月22日12∶30,一緣煤業(yè)150105采空區(qū)瓦斯抽放系統(tǒng) CO探頭測值出現(xiàn)變化,由日常0.0001～0.0002%上升至0.0008%,隨后停止了抽放,至25日整個風(fēng)流系統(tǒng)正常。但從26日04∶30開始,總回風(fēng)巷CO探頭出現(xiàn)異常,如圖1所示。在發(fā)生CO異常后,礦方對整個通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行了排查,發(fā)現(xiàn)在150105工作面進(jìn)、回風(fēng)巷繞道密閉前均有CO滲漏,其觀察孔內(nèi)CO濃度高達(dá)0.8%,并有C2H4和C2H2出現(xiàn),而其余地方均未發(fā)現(xiàn)異常。初步判定150105工作面停采線附近浮煤在長期漏風(fēng)供氧的條件下發(fā)生自燃,從而造成CO異常涌出。

圖1 總回風(fēng)巷CO濃度隨時間變化曲線圖

1 封閉采空區(qū)自燃原因分析

(1)礦井開采的15#煤層含硫量高,自燃傾向性為Ⅰ級,屬容易自燃煤層,煤層最短自然發(fā)火期為54天;該工作面在回采撤架過程中,52#架附近曾經(jīng)發(fā)生冒青煙現(xiàn)象,后經(jīng)注膠處理后于2009年8月進(jìn)行了封閉。

(2)礦井開采的15#煤層平均厚5.5 m,采用走向長壁式綜采放頂煤采煤法,全部垮落法管理頂板,采空區(qū)特別是“兩道兩線”遺煤較多。

(3)礦井為高瓦斯礦井,在工作面回采完畢后安裝了瓦斯抽放系統(tǒng)抽放采空區(qū)瓦斯,由于密閉不嚴(yán),封閉后停采線附近浮煤暴露在空氣中的時間約6個月,超過煤自然發(fā)火期,具備自然發(fā)火的潛在危險性。

2 應(yīng)急處理措施

2.1 加強(qiáng)監(jiān)測監(jiān)控

(1)在150105工作面進(jìn)、回風(fēng)巷繞道密閉口、150105回風(fēng)巷與總回風(fēng)橋處增設(shè)CO傳感器,并重點(diǎn)監(jiān)測。

(2)安排專人每天9∶00和21∶00對150105上進(jìn)風(fēng)巷繞道密閉觀測孔采集氣樣送至地面進(jìn)行色譜分析,以掌握有害氣體及火區(qū)變化趨勢。

2.2 查明150105工作面與150103工作面連通性

應(yīng)用瞬時釋放SF6示蹤氣體技術(shù)在150105工作面運(yùn)輸巷密閉觀測孔將99.98%的SF6氣體(20kg)一次性瞬時釋放,同時在150103工作面進(jìn)回風(fēng)隅角處、回風(fēng)巷和總回風(fēng)巷4個采樣點(diǎn)按規(guī)定時間進(jìn)行接收,并用帶電子俘獲的氣相色譜儀進(jìn)行分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,150103工作面4個接收點(diǎn)均沒有檢測到SF6氣體,說明150105工作面與150103工作面之間沒有漏風(fēng)通道,產(chǎn)生的CO氣體不會突然涌入150103工作面。

2.3 地表裂隙填埋

組織人員對150105回采工作面對應(yīng)地表進(jìn)行裂隙情況排查,對出現(xiàn)塌陷裂隙處檢測氣體情況和風(fēng)流方向,之后用黃土填埋并壓實(shí),以減少地表裂隙漏風(fēng)。

2.4 密閉間充填

對150105工作面進(jìn)、回風(fēng)巷繞道口臨時密閉及繞道永久密閉之間以及150105工作面進(jìn)、回風(fēng)巷口臨時密閉和永久密閉之間(共4個地點(diǎn))充填庫爾拜,一方面減少漏風(fēng),另一方面起隔爆作用。

3 滅火方法選擇

由于該礦井為高瓦斯礦井,根據(jù)150105工作面進(jìn)、回風(fēng)巷繞道密閉口觀測孔氣體檢測結(jié)果顯示,采空區(qū)CH4濃度在6%～11%,O2濃度在4%～7%,加之存在高溫火區(qū),當(dāng)外界條件發(fā)生改變時采空區(qū)存在瓦斯爆炸的可能性。注入惰性氣體既可使火區(qū)環(huán)境中氧氣濃度下降抑制煤的自燃,又能縮小瓦斯爆炸的界限,防止瓦斯爆炸的發(fā)生,同時能提高注入?yún)^(qū)域的壓力,可減少空氣的漏入。因此選用向150105工作面采空區(qū)注入惰性氣體滅火的方法。

目前礦井常用的惰性氣體主要有CO2和N2,在實(shí)際煤層自燃火災(zāi)處理過程中,CO2比N2存在以下幾個方面優(yōu)點(diǎn)。

(1)在井下多種氣體共存的條件下,煤炭吸附CO2的能力和速度大于N2,即CO2可以更多、更快的吸附于煤炭,對煤體形成包裹,進(jìn)而阻止煤氧復(fù)合作用,抑制煤炭自燃。

(2)CO2的熱容低于N2,CO2具有更好的吸熱效果。當(dāng)煤體下降相同溫度,CO2吸收的熱量比N2要少,即吸收相同的熱量,CO2降低的溫度更多。

(3)由于火區(qū)一般位于采空區(qū)中下部,N2的密度比空氣輕,N2注入火區(qū)后容易向火區(qū)頂部放頂煤裂隙帶擴(kuò)散,火區(qū)惰化覆蓋率較差;而CO2重于空氣,可快速沉入底部而擠出火區(qū)氧氣,其覆蓋率很高,對火區(qū)滅火和抑爆特別奏效。

(4)CO2制取過程中不會產(chǎn)生氧氣,在向火區(qū)壓注時,可完全避免注入N2過程中可能帶入氧氣而造成的不利影響,可快速降低氧氣濃度。

因此,該滅火工程選擇向150105工作面采空區(qū)注入CO2。

4 CO2滅火施工工藝

4.1 CO2的制取

選用ZR1000型二氧化碳發(fā)生器,按一定的比例將硫酸和碳酸氫銨加入發(fā)生器內(nèi),通過化學(xué)反應(yīng)生成CO2氣體,并依靠反應(yīng)壓力送往火區(qū),抑制火區(qū)爆炸并滅火,其化學(xué)反應(yīng)式為:

圖2 CO2發(fā)生器結(jié)構(gòu)示意圖

發(fā)生器結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示,將其安裝于150105工作面附近的總回風(fēng)巷內(nèi),設(shè)備上CO2輸出閥通過專用的輸氣管路與鉆孔相聯(lián)接,形成灌注系統(tǒng)。設(shè)備參數(shù):產(chǎn)氣速率0～1000 m3/h;出口輸出壓力0～0.55 MPa;產(chǎn)氣濃度大于98%,其余成分為水蒸氣。

4.2 鉆孔施工

根據(jù)礦井開采特點(diǎn)及火區(qū)監(jiān)測情況,自燃危險區(qū)域位于150105工作面停采線上下隅角,結(jié)合井下巷道實(shí)際布置情況,選擇從總回風(fēng)巷向自燃危險區(qū)域注入CO2,鉆孔終孔位置選擇在距150105工作面運(yùn)輸巷10 m處和回風(fēng)巷40 m處,如圖3所示。鉆孔孔徑設(shè)計(jì)為80mm,選用ZLJ-650型煤礦用坑道鉆機(jī),配備42mm×1.0 m光滑鉆桿、80mm巖石鉆頭進(jìn)行施工。整個施工工藝為:施工放樣→平整機(jī)臺→鉆機(jī)就位→低速開鉆→正常鉆進(jìn)→接鉆→打通前加強(qiáng)監(jiān)測→退鉆(救護(hù)隊(duì)實(shí)施) →埋設(shè)?50mm管→測溫測氣→關(guān)閉閥門→封堵裂隙。

圖3 注CO2鉆孔布置示意圖

4.3 CO2灌注量及材料用量計(jì)算

(1)CO2灌注量。實(shí)驗(yàn)和理論研究表明,當(dāng)混合氣體中CO2濃度達(dá)到22.8%時,瓦斯就不能引起爆炸,著火煤炭就會窒息,因此CO2注入量需大于等于V×22.8%。其中V為預(yù)測火區(qū)空間體積,由式(1)求得:

式中:H——煤層厚度,取5.5 m;

L——工作面長度,取200 m;

W——著火區(qū)域?qū)挾?取20 m。

得出V=22000 m3,則CO2注入量為5016 m3。

(2)材料用量。根據(jù)碳酸氫銨和硫酸的反應(yīng)方程式可得,每產(chǎn)生1 m3的CO2氣體約需3.3 kg碳酸氫銨、2 kg硫酸(濃度為98%)和2.6 kg水。因此,碳酸氫銨用量為16553 kg、硫酸10032 kg、水13042 kg。

4.4 CO2滅火效果分析

2010年3月 30日10∶00開始通過鉆孔向150105工作面采空區(qū)注入CO2氣體,至3月31日18∶00結(jié)束,累計(jì)注入 CO2約 5000 m3。隨著CO2的注入,150105回風(fēng)巷斜下密閉墻觀測孔內(nèi)CO濃度由 0.8243%降至 0.0056%,O2濃度由6.5%降至1.2%,C2H4和 C2H2均降為0,隨后停止了注CO2,加強(qiáng)日常對火區(qū)的觀測。隨著時間的推移,觀測孔內(nèi)CO氣體呈逐漸下降趨勢,4月25日CO濃度降為0.0005%,火勢得到了完全控制并趨于熄滅。

5 結(jié)論

CO2灌注系統(tǒng)簡單、不需接電、無機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn),設(shè)備的安全性和可靠性高;CO2對煤炭氧化自燃有良好的惰化、抑制作用,滅火速度快;CO2注入前,要查明火區(qū)的漏風(fēng)情況并封堵漏風(fēng)通道,保證CO2的滅火效果。

[1]周鳳增.CO2滅火技術(shù)在開灤集團(tuán)公司的應(yīng)用實(shí)踐[J].煤礦安全,2006(5)

[2]康福鈞.CO2滅火技術(shù)的應(yīng)用與評價[J].華北科技學(xué)院學(xué)報,2006(1)

[3]趙忠,王海東,劉永軍.CO2滅火技術(shù)在天祝煤礦的成功實(shí)踐[J].煤礦安全,2005(5)

[4]康福鈞.CO2滅火技術(shù)在忻州窯礦8903下工作面中的成功應(yīng)用[J].煤礦安全,2006(12)

[5]李士戎.二氧化碳抑制煤炭氧化自燃性能的實(shí)驗(yàn)研究[D].西安科技大學(xué),2008(4)

(責(zé)任編輯 梁子榮)

Application of fire extinguishment by CO2in high gas sealed fire zone

Zhou Chunshan,Wu Jianming,Wang Junfeng,Wu Yuguo
(College of Mining Engineering,Taiyuan University of Technology and Engineering,Taiyuan,Shanxi 030024,China)

CO2was used for fire extinguishment in goaf of 150105 working face in Yiyuan coalmine in Heshun city,based on an analysis of situation of coal spontaneous combustion.The mechanism,characteristics and construction process of fire extinguishment by CO2as well as CO2preparation were discussed.The results show that CO concentration in return airway of 150105 working face decreases from 0.8243%to 0.0056%after CO2injection,with O2concentration dropping from 6.5%to 1.2%and no C2H4and C2H2existing,suggesting successful fire extinguishment.

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TD753

B

周春山(1979-),男,助教,主要從事煤礦安全的教學(xué)與科研工作。