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许厂煤矿创新防自燃技术,大倾角易燃特厚煤层倾斜分层开采矿井综合防灭火技术

□陈鹤令 翟乃斌 报道

[摘要]东峡煤矿煤层属大倾角特厚煤层,矿井火灾防治是东峡煤矿“一通三防”管理的重点和难点,本文着重从化学物理方法防治矿井内因火灾方面,介绍了东峡煤矿特定自然生产条件下综合防灭火技术的应用情况。

据统计,我国煤矿有50%以上的综合机械化放顶煤开采工作面存在着自燃发火危险,严重威胁着矿井的安全生产。因此,防灭火技术的研究工作也是综合机械化放顶煤开采工作面安全生产的关键之一。近几年来,兖州矿业有限责任公司及其下属各矿针对以前在矿井防灭火方面存在的问题进行了认真分析和归纳,并且与有关单位共同开展了科技攻关,积极应用当前已有的矿井防灭火适用新技术,提出解决方案并进行了实施,有效地保障了矿井的安全,取得了良好的效果。

1 自然发火的原因及规律

本报淄博讯 山东能源淄矿集团许厂煤矿3311工作面自燃发火期仅20多天,但至今停产70多天,发火征兆却完全消失。该矿采取向采空区注入二氧化碳方法防自燃,起到显著效果,

[关键词]大倾角;易燃煤层;综合防灭火

1红外探测技术在煤层自燃发火早期预报的应用

1.1 煤体自然发火的条件 煤炭自身具有自燃倾向性且以破碎状态存在; 对煤炭有连续的供氧条件(漏风风速为1.2 ~ 2.0m/ min、漏风量为0. 1 ~ 0. 24m3/ min) ; 煤炭氧化生成的热量易于积聚; 上述条件持续稳定足够的时间;

“工作面停产后曾出现自燃发火征兆,我们先后采取了注泥浆、向面后喷注凝胶、打设阻燃墙等方法,煤炭自燃现象虽然得到了控制,但未达到预期效果。”该矿通防副总工程师翟召湖说。

1 概述

兖州矿业公司救护大队和山东科技大学将红外探测技术应用于煤层自燃发火早期预报中,为确定井下高温火点的位置、及时采取防灭火措施、消除火灾隐患及保证矿井安全生产提供了有效的技术手段。

1.2矿井自然发火的分布规律 所有的自然发火点都分布在采煤工作面的“两道两线”(即进风道、回风道、停采线、开采线) 、地质构造带和护巷煤柱间。 工作面回采结束后,停采线前方有煤壁支承,不易冒实,易形成漏风通道。 地质构造复杂、断层多的地带因煤质松软、破碎,煤体吸附氧的能力增强,煤层层理、节理高度发育,易漏风。 布置在煤层的集中进回风联络巷因多次掘进,保护煤柱反复承受采动压力的影响,煤体变形、破碎,不易密封。 在风压变化较大、较频繁的区域,因风压变化使采空区形成的“负压喘息”加剧了自燃和自燃征兆的显现。 分层巷道掘进期间,因巷道内风压增高,加之顶板一般较为破碎,易通过其假顶上的裂隙和采空区形成复杂漏风通道。 分层巷道内错,易形成漏风隅角带;分层巷道外错,易使采空区内的遗煤破碎,二者均可为煤炭自燃创造便利的条件。

3月下旬,3311工作面一氧化碳浓度一度接近了临界点,该矿及时采取了创新技术。在该矿注浆站,EDM1000二氧化碳惰性灭火装置将槽车内的液态二氧化碳转化为气体,通过注浆管路源源不断地向3311工作面输入。

东峡煤矿开拓方式为片盘斜井,煤层属大倾角特厚煤层,煤层厚度主采煤层煤6—1m,煤6—2,煤层倾角28~42°。目前矿井采用走向长壁倾斜分层全部跨落法采煤,炮采工作面使用荆芭假项,留设0.5~0.8m厚的煤皮回采,无黄泥再生项板。

自从采用综合机械化放顶煤开采技术以来,兖州矿区已经发生煤层自燃发火或者隐患26次,其中巷道顶煤及相邻采矿区松散煤体发火或者隐患20次,占发火总次数的77%。因此,煤巷煤炭的自燃成为兖州矿区煤炭自燃的重点防患区域。虽然他们在防治煤巷煤炭自燃方面投入了大量人力、物力,但是由于隐蔽高温点难于准确定位和自燃温度难于确定,给矿区煤炭自燃的预防带来了许多不利的影响,因此寻求煤巷隐蔽高温点的早期预测预报技术是矿区安全生产中亟待解决的重大课题。将红外探测技术应用于煤层自燃发火的早期预报,较好地解决了这一技术难题。红外探测法的实质是自然界的任何物体只要处于绝对零度之上就会产生分子振动和晶格振动,都会自行向外发射红外电磁波,并形成红外辐射场。

2 抓住重点 综合治理

“该装置转化效率高,可达到每小时1000立方米以上的组合,实现每小时300至1000立方米流量范围内的分段调节,技术人员可根据回风流中二氧化碳含量控制注入流量。”翟召湖介绍,液态二氧化碳在气化过程中需要吸收大量热量,不仅能起到惰化和抑爆作用,还能降低采空区温度,防灭火效果良好。

矿井为低沼气矿井,沼气绝对涌出量1.64m3/min,相对涌出量为1.93m3/t。煤质属于低灰、低硫、高挥发份长焰煤,挥发份高达43.5%,煤尘具有强爆炸性,煤层易自燃发火,自燃发火期3~6个月,最短为37d,采用综合防灭火技术防治自燃发火.

近年来,通过在济宁二号煤矿4301轨道顺槽和南屯煤矿1300综合机械化放顶煤开采工作面运输顺槽的实际应用,表明利用红外测温仪基本能够测出高温区区域位置;从测试数据来看,无论哪个矿井其上帮红外电磁场强度一般高于下帮。从理论和实际情况来看,这一探测方法是可行的。红外探测法通过能量场综合判断煤炭的自燃区域,具有简单、迅速、精确的特点,其操作方法较为简便、容易为现场职工所掌握。当然,现场应用也发现一些问题,要进一步提高对煤层自燃发火早期预报的精度必须对红外探测的有关基础数据进行观测和测定,如煤体的辐射系数及其影响因素、煤体的导热系数和比热、煤体的原始温度等,得出易氧化区段和高温区段红外电磁场强度的变化规律。

防治自燃的对策和基本原则:

矿井通风方式为中央并列式,总进风量为2070m3/min,总回风量为2170m3/min,使用BD-II-6NO.16型高效节能对旋式轴流风机,配套电机75*2kw,矿井负压42mmH2O,有效风量率89.4%。回采工作面采用一源一汇的U型通风方式。

2易燃中厚煤层孤岛综合机械化放顶煤开采工作面综合防灭火技术

2.1 延长自然发火期 针对分层开采的特点,实行集中生产,加快推进速度,并采取以阻燃为主的预防措施,延长自然发火周期。 将首层开采的煤层进行注水。 对2、3、4 分层“两道两线”各20m的范围内采前预打浅孔密集钻进行控制注浆。 在开采线预埋注浆管路,待工作面推采适当距离(一般为40m) 后,集中注浆。 在开采线以内、停采线以外各自30m的范围内,集中遍撒阻化剂,工作面回采完毕后,密闭后集中大量注浆。

2 矿井自燃发火情况

兖州矿业公司东滩煤矿通过对4303孤岛综合机械化开采放顶煤工作面“两巷”、相邻采空区及自身采空区采取了综合防灭火的措施,从准备生产、开始生产至安全撤出设备历时两年,同时该矿综采工区在该面创出了年单产501万吨的全国第一好成绩,为兖州矿区及其它易燃中厚煤层孤岛综采放顶煤工作面的安全回采积累了经验。

2.2 在堵漏上采取措施 对通风系统进行优化,减少通风阻力。 分层开采首层铺设金属网,保证注浆质量,以利于顶板再生,减少漏风。 工作面回采完后,及时密封,两帮及顶板附近5m 的范围内,通过注凝胶封严。 对采空区注入浓度较大的浆液,以提高密封质量。 在断层及破碎煤层的附近注入凝胶堵塞漏风通道。

东峡煤矿自燃发火情况十分严重,自矿井投产后10年,每年有8~10次自燃发火,近10年因采煤方法的改革和综合防灭火技术的深入开展,矿井百万吨发火率明显减小,平均每年有1~2次的内因火灾。

4303综合机械化开采放顶煤工作面为走向长壁工作面,面长200m,通风方式为U型。该工作面是东滩矿首次开采的“孤岛”工作面,在开采的过程中和开采以后,西翼5个采煤工作面的采空区连接在一起,造成了矿井西翼复杂的采场漏风,防灭火局面极为不利。

2.3 改进巷道布置方式 推广无煤柱开采,保护煤柱可代之以在采空区中注凝胶生成的稳定隔离带。 分层巷道重叠布置,消除隐患。 在分层巷道掘进时,力求一次掘透,以缩短因局扇增压造成采空区漏风的时间。 工作面的集中联络巷由工作面外侧布置改为内侧布置,随工作面的推采逐渐缩小、最终消除穿煤层段的护巷煤柱。 采区和分层工作面实行并联

3防灭火技术

东滩矿的经验表明,10次自燃发火有8次发生在巷道,特别是“两巷”,这就要求在巷道掘进时采取综合防灭火措施。4303工作面上、下顺槽开掘时候的综合防灭火技术措施如下:设置注水管路、巷道喷涂防漏、红外线测温仪探测巷道两帮、顶板温度变化、巷道过断层与冒顶

通风。 用型钢支护替代木棚支护。 采区进、回风巷尽量布置在岩石中;如布置在煤层中,巷道必须锚喷或砌碹,中间用不燃物或加注凝胶充填。

矿井内因火灾的防治方法,按其原理来分,有化学物理方法和技术物理方法两种,前者即利用化学阻化与填充剂,减弱煤的化学活性或阻止氧与煤作用,减少反应面,降低氧化能力,抑制氧化反应进行,如阻化剂防火,灌浆和注水防灭火等。而后者则是应用矿井开采技术知识,在矿井设计、建井和生产管理的各个环节中,采取一系列有效的技术措施,来控制自燃因素的产生和发展,以达到增加矿井先天性的防火能力,如提高回采率和应用无煤柱开采技术减少自燃的物质基础;采用先进的工艺流程和技术管理,提高回采速度,减少采空区自燃带稳定时间等。

处理、测温探头测温、凝胶快速防漏。

2.4 加大均压防灭火的力度 通过对通风系统的优化,减少采空区进、回风侧的压差,以阻止自燃的发展和蔓延。

东峡煤矿在积极采取开采技术防灭火措施的同时,依据矿井自然条件和开采条件,深入开展了化学物理方法进行矿井火灾防治,取得了较好的效果。

为了保证4303综合机械化开采放顶煤工作面在回采期间及相邻的区段不出现自燃发火事故,他们在采取合理开拓布置、开采程序及巷道布置的同时,还积极有效地采取了采面采空区埋管压注黄泥浆、喷洒雾化阻化剂、开采期间的均压、采空区温度探测、均压通风及气体检测预测预报、向邻近采空区的遗煤带及高温点打钻注浆等防灭火技术措施。其中,由于4303综采放顶煤工作面的轨道顺槽东邻4302综采放顶煤工作面的采空区,仅仅间隔3m煤壁,而且在轨道顺槽一侧的采空区有1条完整的遗煤带,宽度为5~6m,在超前压力的影响下,采空区一侧的煤壁被压酥从而引起漏风造成了局部高温火点,他们采用在轨道顺槽打钻,通过测温探头确定了高温区域,然后在轨道顺槽及43运输集中巷打钻注水、注浆,很快就将火点消灭了。

2.5 积极推广新技术 采用凝胶堵漏法,凝胶耐热性能好,凝结速度易于控制,形成的隔离层弹性大,不易破碎,隔热性强,在现场应用时收到了良好的效果。

3.1灌浆防灭火

3复杂构造易燃煤层无煤柱综合机械化放顶煤开采工作面自燃发火防治

3 几点体会

灌浆防灭火是东峡煤矿综合防灭火的一项主要技术,在矿井生产过程中,无论是防火还是灭火,都发挥了积极作用。

兖州矿业公司济宁二号煤矿开展了复杂构造易燃煤层无煤柱综合机械化放顶煤开采工作面自燃发火防治的研究,总结了复杂构造易燃煤层自燃的影响因素,分析了无煤柱综合机械化放顶煤开采工作面的防灭火难点和自燃发火的原因,并且找到了防治的对策。

煤炭自然发火的是有规律可寻的。 在开采和采区设计中,必须首先考虑防灭火,开采系统要符合防灭火的要求。 浅孔密集钻注浆及开、停采线撒布阻化剂是预防采空区自燃和消灭火灾的有效方法。 在均压防灭火中一定要从大处着眼,处理好整体与局部的关系。 要做好自燃发火的预测预报工作,及时发现,把其消灭在萌芽之中。

3.1.1灌浆防火

济二煤矿自从开采综合机械化放顶煤工作面以来,自燃发火1次,为巷道顶煤自燃;发生自燃发火隐患3次,分别出现在停采线、沿空采空区松散煤体和工作面开切眼采空区。此项研究总结煤层自燃发火影响因素有:大巷布置在煤层中;煤层厚度变化大;褶曲多,煤层倾角变化大;断层多,裂隙发育;无煤柱开采。综放工作面的防灭火技术难点在于:煤层自燃发火期缩短,由3~6个月缩短到33天;综放开采丢煤相对集中,特别是工作面采空区周边丢煤量增大;新实行的顺槽及切眼锚网梁加锚索支护,在支护强度加大的同时也为向采区及切眼长时间通风供氧创造了条件;无煤柱开采时,大面积的采空区连成一片,漏风关系复杂且不可避免;综合机械化放顶煤开采工作面两巷沿煤层底板掘进,地质条件变化时,巷道顶煤易破碎、冒顶,极易自燃;生产高效快速,对矿井防灭火工作的安全可靠性提出更高要求。

东峡煤矿属急倾斜特厚煤层倾斜分层开采,因煤层项底板较坚硬,无需灌浆生成再生顶板,加之回采工作面采空区自燃发火不是特别严重,同时,因大倾角工作面采空区注浆时,浆液在采空区内流动情况难以控制,特别是在煤层底板,有起伏变化时,浆液在采空区分布不均匀;当工作面倾斜长度大时,灌浆效果差,并常常发生泥浆或废水泄出,流入工作面,使工作面溜子道变为“流水道”。因此,东峡煤矿灌浆形式采用采后封闭灌浆,即在工作面回采跨过上下部进回风1周内,对石门进行永久封闭,并预埋好注浆管,当工作面推进距石门50~70m时,及时向回风石门沿倾斜方向对采空区进行灌浆,使其形成沿走向的泥浆带。如图1所示:

在对综合机械化放顶煤开采工作面发火原因(包括相邻采空区端头的煤体容易自燃、巷道的顶煤容易自燃、开切眼的遗煤自燃、停采线的遗煤自燃)分析的基础上,他们提出了综合机械化放顶煤开采工作面自燃发火的综合防治技术,诸如喷浆堵漏技术、密集浅孔注凝胶技术、膜分离制氮装置注氮防灭火技术(临面采空区防火、后部采空区防火)、胶体泥浆快速灭火技术、快速堵漏泡沫技术、煤巷近距离红外探测火源技术等防治措施,为无煤柱开采综放面的安全生产提供了保障。

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4超长综合机械化放顶煤开采工作面煤层自燃火灾防治

图1对采空区进行灌浆示意图

西安科技大学和兖州矿业有限责任公司在确定超长综合机械化放顶煤开采工作面煤层自燃危险区域的基础上,提出了有针对性的高效综合防灭火技术体系,建立了超长综合机械化放顶煤开采工作面煤层自燃火灾快速应急防灭火系统,成功地对兴隆庄煤矿4324超长综合机械化放顶煤开采工作面煤层自燃火灾进行治理,为超长综合机械化放顶煤开采工作面的安全生产提供了重要的技术保障。

3.1.2灌浆灭火

此项研究指出:根据煤层自然发火的特点,当空间小且火势较小时,利用以高分子复合胶体、轻型压注机和快速打钻机具为主的快速防灭火系统,可以迅速控制及扑灭局部小范围火灾;当空间范围大且火势猛时(如采空区浮煤发生自燃火灾),建立以惰泡压注装置、注氮系统和快速打钻机具为主的快速应急防灭火系统,迅速控制火灾的发展,为确定火源位置以及采用综合治理技术彻底扑灭火灾赢得时间。快速灭火系统的关键是快速有效地向火区施工灭火钻孔。尤其是超长综合机械化放顶煤开采工作面采空区浮煤自然发火后,高温区域广、埋藏深,分布在工作面“两道”,施工钻孔难度很大,应用一次成孔钻具可以解决向采空区松散煤体施工钻孔的技术难题。通常在现场有水、电时,设备和材料到达指定地点10min内就能投入灭火工作。

巷道发火是东峡煤矿矿井主要发火地点,占总发火数的50%以上,而巷道发火尤以回采工作面进风石门端头及石门端头口以里20m范围的运输溜子道最为严重,如图2所示:

火区治理以胶体防灭火技术直接灭火为核心,以压注惰泡及注氮惰化控制火区为关键,以及采取诸如均压、堵漏等防灭火方法相结合的综合治理,分控制火势、直接灭火及封闭灭火三个阶段。控制火势主要采取控制漏风、注胶灭火与注氮惰化控制采空区相结合的灭火措施;直接灭火主要通过快速向火区打钻,向火区压注胶体泥浆封堵灭火,如果火势有所发展,则必须对工作面进行封闭;封闭灭火主要采用均压降低工作面上下头两侧风压差减少漏风

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,注氮与注惰泡相结合惰化并控制火区,压注胶体泥浆充填采空区的直接灭火区等综合治理措施。

图2石门端头及溜子道发火点示意图

5短壁轻型综合机械化放顶煤开采工作面的综合防火

当石门端头或以里溜子道已经出现高温,冒烟等发火征兆及形成火区时,采用封闭火区反灌浆法进行灭火,如图3所示,在石门端头做一道密闭,

兖州矿业公司杨村煤矿通过对防灭火的综合研究与应用,确定了工作面的最佳通风和防灭火技术方案,保证了短壁轻型综合机械化放顶煤开采工作面的安全回采。

然后根据火区位置及范围,在运输机石门适当位置打钻注浆。这种灭火方法只要找准火区位置,灭火速度相当快,大大缩短了影响生产的时间。

由于短壁轻型综合机械化放顶煤开采工作面采空区内的氧化带宽度大,加之该煤层自燃发火期较短,所以预防自燃发火工作的难度很大。

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他们根据现场的观测研究结果,对不同区域有针对性地采取防火措施。工作面“两道两线”的防火以泥浆为主要原料,并添加少量的化学药剂形成不易脱水的胶体材料,既能阻止残煤氧化又能充填堵漏。利用现有注浆站,在地面注浆站的泥浆池中加入一种辅助材料,然后利用井下辅助材料供给系统(距工作面100m)加入另一种辅助材料,形成胶体泥浆防火系统。辅助材料选择成胶效果好、成本较低的水玻璃和铝酸钠,使用浓度分别为5%和2%,成胶时间2~3min。正常开采期间的采空区防火,采用提高工作面推进速度和合理的通风量来实现。如果推进速度低,则实施汽雾阻化、在进风隅角堆放沙袋堵漏等措施。阻化剂以工作面漏风风流为载体,随风流漂移到采空区中,附着在残煤表面,阻止煤的氧化,达到抑制或延迟煤炭自燃的目的。根据现场条件在进风顺槽设立移动式雾化泵站,随着回采工作面的推进不断移动。雾化器布置在工作面进风侧隅角,沿途布置Φ25高压胶管。通过对阻化率测定,采用氯化镁做阻化剂,浓度15%~20%,残煤用液量为30~50kg/t。由于该工作面长度短,顶板不易冒落,必然增加向采空区的漏风量,故选用炉渣作为堵漏风材料,在工作面后的轨道顺槽和胶带顺槽内每隔60m用炉渣袋设立隔离墙,有利于采空区的防火。

图3封闭火区反灌浆灭火

6综合机械化放顶煤开采工作面撤面期间的防火措施

3.2阻化剂预防采空区自燃发火

兖州矿业公司杨村煤矿307综合机械化开采放顶煤工作面可采范围内的地质构造非常复杂,煤层自然发火期3~6个月,为易自燃发火煤层,煤尘本身具有爆炸性。由于该面停采线中间有落差3.5m的断层,严重地影响了液压支架回撤的速度和防灭火安全。为此,他们采取了一系列措施,有效地防治了撤面期间的采空区自然发火,保证了307综放工作面设备的顺利撤除。

阻化剂是国内普遍采用的一种防灭火材料,对其阻化效果的评价主要有两个指标,一是阻化率,二是阻化寿命。东峡煤矿煤质属长焰低硫煤,自燃发火期3~6个月,最短37d,因此阻化剂选用氯化镁。

首先是在工作面距停采线100m的时候提前做好预防性措施,在进风顺槽安设阻化多用泵以实施汽雾阻化,在采煤面的后部采空区埋设束管对有害气体实施连续监测,有效地阻止了采空区浮煤的氧化;由于工作面的风量大使得采空区的漏风量增加和氧化带的范围变宽,因此在保证有害气体和温度不超限、风速符合《煤矿安全规程》的前提下尽可能及时降低工作面的风量;停采以后,在上下隅角的液压支架尾梁处分别砌筑370mm的密闭墙,墙体的上部预留注浆管路,通过注浆钢管向下隅角灌注胶体泥浆,有效地堵塞了采空区的漏风通道;根据断层处顶板破碎、漏风严重的特点,对断层及其前后10m范围内进行喷涂,共喷涂原料600kg,有效地封闭了断层及其周围的漏风通道;随撤架随对液压支架处及停采线其余空间均匀地撒洒阻化剂,一般撒洒量为2.5kg/,起到了比较好的预防作用;为了防止浮煤氧化,停采以后尽可能清理底板及架内的浮煤,技术部门认真地绘制停采线剖面,以便封闭以后合理地安排注浆;在两顺槽高的一侧沿着停采线的煤壁敷设注浆管路至另一侧,中间每隔10m设一个三通,及时浇注阻化泥浆,撤面结束以后尽快于停采线5~10m处砌筑永久密闭墙,可以比较好地封闭停采线;沿着307联络巷垂直于停采线每隔20m打一个直径为40mm的钻孔,钻孔的最前端为1m的花管,保证了注浆扩散的范围。

东峡煤矿工作面长度较长,一般为85~110m,因工作面中段顶板跨落程度好,而上下老塘15m范围内顶板跨落不及时,空顶距离大,且该地点也是工作面采空区漏风源及漏风点,因此其发火的机率较大,为了提高阻化剂预防采空区自燃发火的效果和做好重点区域防范,将移动式汽雾阻化设备安装在工作面下巷,利用漏风将雾化的阻化剂雾气送入采空区。其优点是,阻化剂的雾粒能随漏风深入采空区内部,在漏风范围内阻化剂分布均匀,能够使采空区在较长时间保持空气温度,因而具有较好的阻化效果;同时喷雾点在下老塘,沉落的大量阻化剂对工作面下老塘的自燃发火做到了重点防范。

7综合机械化放顶煤开采工作面及相邻采空区煤炭自燃防治

东峡煤矿这种工艺方法施工组织简单,防灭火成本低,突出重点,防灭火效果良好。

兖州矿业公司兴隆庄煤矿实行以防为主和综合治理的防灭火措施,连续多年杜绝了综合机械化放顶煤开采工作面及相邻采空区煤炭自燃发火现象。

3.3注氮防灭火

①为了防治自燃发火,首先采取一些超前预防措施,比如向有发火的隐患点打钻孔,进行注水、注浆、MEA、罗可休、粉煤灰和喷洒阻化剂等。

东峡煤矿由于防灭火方法和手段比较单一,防灭火装备相对落后,并受灌浆土源不足的限制,工作面跨石门灌浆防灭火在一定程度上受到限制,加之矿井开采规模的不断扩大,工作面的接替速度相当快,给工作面分层开采防治自燃发火带来更大的困难。此外,由于矿井综采放项煤开采方法的实现,必将为矿井防灭火提出更高的要求,所以东峡煤矿建立了注氮防灭火系统。

②综合机械化放顶煤开采工作面生产时两端头液压支架难以放落顶煤而在相邻采空区造成一定厚度的丢煤带,钻孔沿用巷道靠采空区侧上、下布置,每组打2个钻孔,每组相邻钻孔间隔5~10m。钻孔深度和角度应能使浆液将丢煤带全部覆盖,以此隔断供氧通道,防止煤炭继续氧化。

东峡煤矿通过对目前国内各种注氮设备技术性能参数比较分析,结合开采水平下移速度快的特点,选用井下移动式变压吸符碳分子筛注氮机。

③如果在生产的工作面上有氧化聚热的煤体,则要采取打钻孔下套管的措施。套管为1″钢管,长度1.5~2m。套管头部有便于插入钻孔的钢锥。前部钻杆设有若干0.2~0.3mm小孔。钻孔用快速水泥加棉纱封堵,防止注防火材料时泄出。钻杆尾部焊有高压快速接头与注浆系统连接,利用高压泵压注防火材料和降温堵漏,阻止煤炭连续供氧过程,达到防火的目的。

3.3.1采空区注氮防火

④为防止生产中的工作面发火,采用随采随注的方法。在综合机械化放顶煤开采工作面上、下隅角每隔30m打隔离沙袋垛墙,铺设一路3″注浆管。根据工作面推进速度随时注浆、粉煤灰或其它防火材料,有效解决工作面后方采空区的自燃发火隐患。

工作面采空区注氮防火的关键技术在于准确测定工作面采空区“三带”分布,合理确定注氮参数和注氮工艺,及时掌握注氮时机,将采空区自燃发火消除在萌芽状态。

⑤该矿采用综合机械化放顶煤开采技术,采空区在生产开始阶段留下很多浮煤,氧化聚热比较快。如果推进速度慢,采空区后部空间较大并有足够时间,给防灭火工作带来很大隐患,所以要进行喷洒阻化剂。喷洒阻化剂主要在自燃煤层回采的开始及停采线50m范围内实施。阻化剂必须严格按照设计配制,要均匀喷洒。喷洒量根据遗煤的温度和丢失的煤量而定,对新工作面顺利开采起到了防灭火的好效果。

东峡煤矿注氮方式选用非连续性注氮,即待采空区出现自燃发火征兆后再向采空区注氮。这主要源于东峡煤矿火灾柬管监测系统性能稳定,可靠,能及时、准确地进行自燃早期预报,根据历年发火统计情况来看,回采工作面采空区发火率较小,综采面推进速度较快,因此采用非连续性注氮方式。

8易燃厚煤层机械化放顶煤开采工作面采空

注氮参数选择 ①注氮方法根据巷道布置方式,回采工作面采空区采用钻孔注氮的局限性较大,不易实现,故采用压管注氮方法,即注氮管口由进风顺槽压埋在采空区,借助漏风将注入的氮气散布在采空区内。 ②注氮口的位置注氮口位置选择至关重要,依据对综采面特定条件下的采区“三带”测定结果,采空区漏风带宽度为40m,因此注氮口位置选择在氧化带的中部最为合理,即选在距工作面煤壁30m处。 ③埋管布置、移动方式工作面注氮管路布置如图4所示。 图4工作面注氮管路布置由注氮方式、注氮方法的选择确定:注氮管由工作面进风顺槽接至采空区25m深处,采空区外露出的钢管为15m并随工作面的前移,在钢管的进气口端焊上拉钩,用进风顺槽的回柱绞车将采空区埋管拖动前移,始终保持钢管出气口距工作面煤壁25m,保证注氮口位于采空区氧化带中心部位,待注氮时机成熟时,接通注氮管路向采空区注入氮气进行灭火。由于拖管压在采空区的深度较长,用回柱绞车拉动拖管时,因压力较大,很可能拉断拖管。因此拖管需采用厚壁优质无缝钢管,考虑到氮气输送速度,可用φ89mm,壁厚为10mm的无缝钢管,其连接处为便于拖动,采取直接焊接,不可用法兰盘连接。 ④注氮强度按采空区防火时氧化带惰化氧含量计算,为326.4m3/h。

区自燃发火治理

防火注氮时机

兖州矿业公司济宁三号煤矿针对综合机械化开采、综合机械化放顶煤开采工作面走向起伏变化较大或负坡开采的工作面在预防性灌浆不能充分发挥作用时,采用工作面进回风隅角合理分段砌筑防火隔离墙以及采空区埋管注氮惰化等综合措施,简便易行、适应性强、效果明显。

综采注氮防灭火系统的建立,为矿井火灾防治提供有力的物质保障,而非连续性注氮防灭火的关键是注氮时机的准确判断,即如何及时准确的预测,预报采空区自燃发火的信息,尽早实施注氮防灭火措施,把火灾消除在萌芽状态。

4303综合机械化放顶煤开采工作面采空区产生高温点后,他们采用了“隅角堵漏、注氮惰化、均压控制、加强监测、稳定系统、快速撤面、及时封闭”的治理方案,一氧化碳浓度从589ppm下降至22ppm,乙烷浓度从34ppm逐渐消失;进风隅角一氧化碳浓度从234ppm降为零,乙烷浓度从18ppm逐渐消失;回风隅角一氧化碳浓度从118ppm降为14ppm,乙烷浓度从8ppm逐渐消失。根据以上结果可以看出;高温火点得到了有效的控制,取得了显著的效果。5304综合机械化开采工作面采空区产生高温火点后立即采取工作面减压降压措施,在回风巷建调节风窗限风,将工作面风量由860/min降为300/min左右。并且,在第二切眼东头建立风障一道,在第二切眼以南的工作面回风侧设置全断面栅栏、悬挂标志禁止人员入内。减风后回风流一氧化碳降低为600左右。为了加快消除高温点和确保跳面工作顺利进行采取在进风隅角喷涂艾格劳尼进行封堵,并埋管注氮惰化采空区。在采空区高温点热风压作用下,于进风隅角处发现一氧化碳。为了创造良好的撤架环境,防止一氧化碳进入工作面,采取在进风隅角封闭处挖一个洞,安设28kW风机一台,连接Φ600mm风筒300m。风筒出风口接到第二切眼以东回风流中,将进风隅角处一氧化碳抽排到工作面回风流中。通过采取上述措施后,有效地控制了一氧化碳的涌出,确保了跳面工作的顺利进行。新的工作面安装完毕后,在第二切眼后部尾巷分别建立密闭墙各一道,对第二切眼后部采空区进行永久性封闭,直至该工作面安全开采完毕。

在火灾的预测预报方面有着较为先进的设备和成熟的经验,特别是火灾束管监测系统在火灾防治方面发挥了巨大作用。因此对该系统进行了进一步改造完善,充分利用该系统监测回采工作面及采空区等地点的气体成分等,特别是一些火灾指标气体,进行注氮时机成熟与否的判断。根据煤层自燃发火的特点及火灾预测预报的经验,确定以下防火注氮时机:

9综合机械化放顶煤开采顺槽自燃发火综合防治

①人体生理感觉。主要指嗅觉、视觉和感觉。 ②指标气体。一当工作面下隅角和回风流出现CO气体,其含量向上递增,达到60PPm时,必须立即注氮。 ③当工作面在回采过程中,未达到正常每天少于2.4推进速度时,必须及时注氮,直到推进速度正常。 ④工作面测温地点温度高于进风风流温度5~10℃;放煤温度高于30℃时必须立即注氮。

无煤柱综放开采是提高煤炭回采率的主要措施之一。由于这种采煤工艺的顺槽沿空侧松散煤体空隙比较大,采用表面聚胺酯喷涂和采空区均压已经不能够解决问题。为此,山东科技大学和兖州矿业公司兴隆庄煤矿研究出了一种新型的行之有效的无煤柱综合机械化放顶煤开采顺槽沿空侧松散煤体及临面采空区遗煤自然发火的综合防治技术——复合胶体泥浆固水降温快速灭火技术和井下移动式膜分离制氮注氮技术。

按氧化带氧含量惰化指标为7%,最大注氮量400m3/h计算,则最少注氮时间按下式计算:

复合胶体泥浆是利用水玻璃作基料。以碳酸氢钠、碳酸钠等作促凝剂,以黄泥浆作充填剂而构成的一种新型灭火材料。其作用原理是:水玻璃与促凝剂结合以后形成硅胶,但是硅胶的内部充满了黄泥浆和水,硅胶起到了骨架的作用,黄土起着稠化充填的作用——增加胶体的强度、耐湿性能和有效期,同时把易于流动的水固封在硅胶的内部,从而形成了复合胶体泥浆。

Qn=QC1/C2—Q

复合胶体泥浆的热稳定性比纯硅胶体更好,在高温火炭中不熔化,失水速度很慢,并且能够大量地吸收周围松散煤体的氧化热量,降低煤体的温度。此外,复合胶体泥浆的耐压稳定性也随着含土量的增加而提高。它不仅能够固水吸热降温,而且能够充填碎煤的间隙,使得煤氧隔离而窒息。即使高温蒸烤最终使其失去全部水分,仍然有25%左右的黄土和二氧化硅留在缝隙中起到防火的作用。所以,复合胶体泥浆尤其适用于高位火区和大面积火区的防火。同时,他们还采用了井下移动式膜分离制氮装置,采取间隔方式从沿空顺槽向邻面采空区大量注入氮气。效果检测表明:在沿空顺槽侧形成了一条宽45m的较稳定惰化带;惰化带钻孔取气样分析,结果氧气浓度下降到10%以下;从自燃征兆点钻孔取气样分析,CO气体消失。专家们认为:此项成果值得借鉴和大力推广。

式中Qn为惰化采空区氧化带的注氮量;C1为采空区氧化带平均氧含量,取15%;C2为采空区氧化带防火惰化指标,为7%;Q为氧化带体积。

10无煤柱综合机械化放顶煤开采条件下煤层自燃发火防治

Q=氧化带宽度×工作面长度×采高×采空区密实系数

随着无煤柱综合机械化开采技术的推广,煤层自燃发火呈现出与分层综合机械化不同的特点。兖州矿区从实际出发,针对综合机械化放顶煤开采易发火区域的发火原因及技术难点,开发应用了多种防灭火新材料、新技术,形成了综合机械化放顶煤开采条件下的一整套防灭火技术。

=30×100×3.4×0.7=7140m3

无煤柱综合机械化放顶煤开采条件下沿空顺槽松散煤体自燃的综合防治的关键技术如下:

则QN=8160m3

①聚胺酯喷涂堵漏技术。该材料是由黑白两种原料经混合发泡后形成的一种泡沫状物质解决了传统的水泥砂浆堵漏所固有的易压裂、施工工艺与综掘施工相互干扰等缺点,特别适合于综掘沿空掘进巷道。

制氮机最大流量为400m3/h,则每次惰化采空区氧化带至少需要时间t=Qn/Qmax=8160/400=21h。

②密集浅孔注凝胶技术。凝胶是由主剂和促凝剂经混合反应而形成的,解决了黄泥浆等传统防灭火材料解决不了的巷道顶煤自燃等难题。其混合液在凝固前粘度近似于水,可渗透到煤和岩石裂隙中;成胶后粘度则是水的1500倍,能有效地防止漏风。

3.3.2注氮灭火

③井下移动式膜分离制氮装置注氮技术。兖州矿区由于综放工作棉推进速度快,其后部采空区自然发火的可能性小,放火重点是邻近采空区,因此以注入氮气为主,以均压、沿空堵漏措施为辅,综合防治综放面邻近采空区遗煤发火。

矿井火灾的发生是一个复杂的过程,火灾发生的原因不同,地点不同,发火严重程度不同,注氮灭火的方法也不同。

④开发应用注惰化阻化剂技术。惰化阻化剂兼有阻化和惰化两种功能。当煤温上升到50℃以上时,注入煤体的溶液开始吸热汽化,产生的惰性气体充塞煤体裂隙,阻碍煤自燃过程的发展。

结合矿井自燃发火的特点及国内注氮灭火技术,注氮灭火采取以下几种方法。

⑤开发应用胶体泥浆快速灭火技术。胶体泥浆是在凝胶基础上开发的,利用基料、促凝剂的凝胶作用,以黄泥浆作充填剂,增加胶体强度、耐温性能和有效期限。在黄泥灌浆系统的基础上建立的大流量连续注胶工艺,对扑灭大面积火区具有明显的优势。

巷道目标注氮灭火

11煤巷锚网支护的矿井自燃发火原因及防治

当工作面巷道在掘进过程中有

兖州矿业公司兴隆庄煤矿目前开采的3层煤为近水平特厚煤层,煤层平均厚度8.65m,有自燃发火倾向性。自燃发火期为65天,发火等级为一级,煤层有爆炸危险性,煤的挥发份指数为39.8%。1992年开始使用综合机械化开采放顶煤工艺,煤巷掘进采用锚网支护,自燃发火的规律有所改变。最近,他们对矿井自燃发火的原因进行了

穿层穿入上分层采空区,或在回采过程中形成高冒区而形成自燃发火时,若火源位置能够准确判定,为了不影响生产,可以不进行封闭巷道,直接向火源打钻注氮,氮气释放口离火源目标的距离不超过5m,注氮量为200~400m3/h,注氮时间一般为1~3d。

分析,提出了针对性的措施,为今后矿井自燃发火防治工作提供了经验。

巷道封闭注氮

他们对综合机械化放顶煤开采工作面防治自燃发火的认识如下:

根据多年来自燃发火情况统计来看,巷道发火占发火次数的60%以上,而石门端头自燃发火则占巷道发火的90%以上。因此当石门端头出现自燃发火时,可采用封闭注氮的方法灭火。即在石门端头做一道砖密闭,在墙体中上部预插注氮管,在上部插好气体监测管和水柱计,以便进行注氮后火区气体的检测分析,判明火区是否熄灭。

①联络巷、溜煤眼等直接与邻近采空区相通的地点打砂袋垛,紧贴砂袋垛封闭堵漏;附近巷道喷水泥沙浆堵漏;对可能产生漏风通道的区域施工钻孔,压注凝胶、胶体泥浆堵漏,均能产生比较理想的效果。

回采工作面封闭注氮

②对开切眼和停采线因施工绞车窝形成的通道,采取砂袋充填、砂袋外喷水泥的堵漏措施,并对附近的巷道喷浆堵漏、施工钻孔、压注凝胶胶体泥浆,也可以撤面后在下头面口以外建闭墙,闭墙以里大量压注胶体泥浆。

当回采工作面采空区发生火灾时,在采取措施不能消除,且采空区火势有扩大到工作面的趋势,必须立即对回采工作面进行临时封闭,进行注氮灭火。即在超前工作面5m处的上下顺槽,分别做一座砖密闭或板密闭。(并用黄泥抹面,减少漏风)封闭工作面,再利用采空区防火埋管以最大流量向工作面采空区注氮,迅速降低火势,窒熄明火,大流量注氮一般为2~3d,然后降低流量,以250~400m3/h的流量维持注氮。当火区CO含量降低0.001%以下,回风密闭O2含量降低5%以下,温度为常温时,可停止观察2d,如无变化,则可打开密闭恢复生产,加快推进速度,边生产边利用埋管继续注氮,将火源点甩到窒熄带。

③煤巷中顶板破碎地点加强防灭火观测,如果发现CO浓度持续上升,可以采取喷浆堵漏,并施工钻孔和压注凝胶。

注氮灭火因其发生地点不同,火势大小不一,注氮参数的选择也会因此发生变化。因而,在采取注氮灭火时,必须根据现场实际情况,制定灭火措施,明确注氮参数,选择注氮方式、方法、注氮强度、注氮口位置、注氮终结时间等。

④煤巷铺网支护要结合实际、注重质量,首先从顶板稳定性优化支护参数,保证煤巷顶板的完整性。

4 结语

⑤对煤巷中的高冒区,采取喷浆堵漏,并施工钻孔和压注凝胶。

矿井防灭火是一项系统工程,它需要从矿井开拓开采技术、工作面回采工艺、采区通风系统及防灭火方式方法等多方面着手,采取综合防治措施,方可确保矿井防灭火需要。同时,矿井火灾防治工作,必须紧跟科技进步,不断引进新技术、新设备、新材料和新工艺,增加矿井防灭火管理的技术含量。东峡煤矿自开展综合防灭火技术以来,矿井自燃发火率明显下降,确保了矿井安全和正常生产,自矿井投产以来,未发生火灾事故,保障了职工生命安全,维护了企业良好的社会形象。

⑥对出现明火及高温点区域,首先采取施工钻孔、压注黄泥浆与高压水的方法,降温后再压注凝胶封堵漏风通道。

[作者简介]杨明、(1966--)男,甘肃定西人,高级工程师,现任甘肃华亭煤电份公司东峡煤矿副矿长,总工程师。

⑦认真加强特殊地段的采煤管理,确保采煤速度,一般来说日推进速度不得少于1m,尽最大限度减少丢煤量。

⑧工作面停采以后及时撤面,并对高温点采取向支架后部施工钻孔和压注凝胶、胶体泥浆的措施。

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