阻化防灭火的综合设计及实践

2010-01-16逄宁,黄金

采矿与岩层控制工程学报 2010年4期

关键词：遗煤化剂中国矿业大学

逄宁,黄金

(中国矿业大学安全工程学院,江苏徐州 221116)

阻化防灭火的综合设计及实践

逄宁,黄金

(中国矿业大学安全工程学院,江苏徐州 221116)

为了预防石港煤矿 15108综采面自然发火,对采空区遗煤状况进行分析,选择适合15108综采面阻化剂,通过高抽巷喷撒MgCl2阻化处理采空区后部浮煤,内错尾巷和防灭火措施巷钻孔压注MEA泡沫控制 14号和 15号采空区浮煤。实践表明采空区阻化防灭火综合措施能有效控制较为严重的采空区浮煤自燃现象。

阻化防灭火;综采面;自然发火

Comprehensive Design for Fire Prevention and D istinguishing

矿井火灾是煤炭生产过程中主要灾害之一。在大中型煤矿中,自然发火严重或较严重的占72.86%;国有重点煤矿中,具有自然发火危险的占 47.29%。45户重点监控企业中,329处煤矿的煤层具有自燃倾向性,占 79.5%[1]。自燃火灾发生时,会产生大量有毒有害气体,严重危及井下人员的生命安全;常诱发瓦斯、煤尘爆炸,进一步扩大其灾难性。近年来,我国广泛采用综采放顶煤开采技术,在瓦斯治理中大力推行瓦斯抽放技术,在生产效率大幅提高和瓦斯涌出量大大减少的同时,造成采空区遗留残煤多、漏风严重,使得自燃火灾发生频繁。给煤炭生产带来巨大的经济损失和重大的事故隐患。矿井火灾已成为制约矿井安全高效开采的主要因素之一[2]。

1 工作面概况

石港煤矿 15108综采面位于南翼回风巷及火药库南侧,西部为 15107工作面 (未掘),南部为刘家庄保护煤柱。工作面主采 15号煤,其含硫量为2.43%,为Ⅱ级容易自燃性煤层。工作面标高 866～936m。埋藏深度 469～484m。

煤层赋存稳定,结构复杂,煤层总厚度最大7.40m,最小 6.75m,平均煤厚 6.41m。煤层中一般含夹矸 2层,顶板向下 2.1m处有一层 0.23m厚夹矸,底板向上 0.66m处是一层 0.32m厚砂质泥岩,中下部有一层呈条带状结构的煤与夹矸层,厚度 0.40m。直接顶中 14号煤厚 1.03m。

煤层总体呈一沿南西方向倾斜的单斜构造,局部波状起伏,发育次一级的褶曲构造,煤层倾斜最大 28°,最小 5°,平均倾角 18°。14号煤层瓦斯尾巷掘进中共揭露 5条断裂构造。

工作面沿走向布置,倾斜长 157m。工作面进、回风巷均沿 15号煤层底板布置,防火措施巷布置在距 15号煤层上部 6.55m的岩层中,走向高抽巷布置在距 15号煤层上部 57.36m的岩层中,内错尾巷布置在距 15号煤层上部 6.55m的岩层中。

2 采空区遗煤状况分析

15108综放面进回风巷两端约 4.4m不放顶煤,综放面平均采高 6.41m,割煤高度 2.2m,工作面中部采出率 87%。采空区内部空隙率约为 30%,停采前 10m不放顶煤。据此可推断出采空区浮煤厚度。

进回风两巷端头 (4.4m未放顶煤)采空区浮煤厚度：

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

工作面采空区中部浮煤厚度：

(6.41-2.2)×(1-87%)/(1-30%)=0.78(m)

同时,15号煤层上 5.11m处 1.03m厚的 14号煤不进行开采,随顶板冒落于采空区中,使得采空区含有 2层浮煤。14号煤与 15号煤之间最小夹矸0.23m左右,造成采空区某个位置两层浮煤重叠,浮煤厚度变大,在此位置自然发火危险增大。通过对 15108综采面煤层赋存条件和采煤工艺分析,发现两巷浮煤厚度比较大,自然发火危险较大。

3 阻化剂

3.1 阻化剂的使用现状

阻化剂在煤炭自燃的防治中起着重要的作用。我国常用的阻化剂主要有 CaCl2,MgCl2,NaCl,Ca(HO)2,水玻璃等[3]。目前还出现各种新型复合阻化剂、高聚物阻化剂。

3.2 阻化剂的选择

针对 15108工作面的具体情况,选取对褐煤具有较好阻化效果的MgCl2及MEA新型阻化剂作为防灭火材料,通过不同浓度阻化剂处理煤样的氧化升温实验,进行对比选择,优选适合 15108工作面防灭火需要的阻化剂。

实验中,MgCl2浓度选取 10%,20%,MEA浓度选取 1%。

用 10ml浓度为 20%的双氧水,按照上述浓度分别配好 3种阻化剂。将原煤样和使用 3种不同阻化剂的煤样进行氧化升温实验。记录温度随时间的变化,最后进行阻化效果的分析,见表 1。

表1 不同浓度阻化剂的阻化率

在实际应用中,除了对阻化剂的性能进行评价外,还必须考虑使用地点的特点,阻化剂的成本、毒性、渗透性、粘附性、有效作用时间、材料来源、制备工艺等方面进行综合评价,选择一种最适合使用地点的阻化材料。用无机盐氯化物防灭火操作简单,材料来源广泛,但氯化物的用量大,成本高,阻化效果差,不适宜大面积采空区防灭火,可选择 20%的MgCl2用于高抽巷的喷洒阻化。MEA阻化效果好,用量少,运输贮存方便,成本相对较低,适用防灭火地点较广,可用于内错尾巷和防灭火巷注浆阻化。

4 采空区阻化处理

4.1 高抽巷MgCl2阻化处理

在回采期间,利用在高抽巷布置的 50.8mm管,利用阻化溶液的流动性、阻化性,利用高抽立体破裂围岩的裂隙及岩层破坏发育,通过静压压注MgCl2阻化,处理接近漏风汇处周围区域的下方可能自燃氧化煤体。

选择浓度为 20%的MgC12溶液为阻化剂。而雾化量的大小则与采空区丢煤量成正比。其计算公式为：

式中,V为日喷雾量,t/d;n为日循环数,个;q为吨煤用液量 (通过实验或现场经验确定),L/t;L为工作面长度,m;H为工作面采高,m;l为循环进尺,m;y为煤的密度,t/m3;C为工作面采出率,%;R为雾化率,%。

4.2 内错尾巷、防灭火巷MEA高分子阻化处理

立足于防灭火的技术需要,在工作面巷道布置上,15108综采面开拓出专用防灭火巷,用于MEA高分子阻化泡沫对采空区实施阻化处理,同时利用内错尾巷处理回风隅角的采空区遗煤。通过改善钻孔设计等措施,尽可能全面地阻化处理采空区浮煤,最大限度降低采空区自然发火危险性。

通过打钻注MEA高分子阻化泡沫,在采空区形成一条长 L=30m、宽 B=40m、高 H=2.5m的封堵带,封堵漏风、覆盖浮煤,设计钻场灌注MEA高分子阻化泡沫的注浆量为：

采空区覆盖空间为：V=LBH=3000m3

发泡倍数按照 10倍计算,得到浆液体积为：3000m3/10=300 m3

则MEA的用量 (MEA的配比为千分之五)：300 m3×0.5% ×1000=1500(kg)

发泡剂用量：300×1% ×1000=3000(kg)

4.3 MEA注浆钻孔参数设计

为了全面处理采空区的 14号、15号浮煤,在防灭火措施巷和内错尾巷提前施工钻孔,通过钻孔控制的范围,使MEA阻化泡沫全面包裹覆盖采空区的浮煤。根据判断 15108工作面氧化带的范围为25m。14号和 15号煤体间距为 5.11m,考虑冒落以后的碎状因素影响,以空隙率 30%计算,14号浮煤顶板与 15号煤体底板距离为 6.64m,工作面的长度为 157m。通过计算,钻孔参数为：平行工作面底板走向,深 25～30m;钻孔与底板走向夹角14.5°,深 25.87m。

15108的内错尾巷钻孔参数如图 1所示,相邻钻场间距 30m,钻场超前工作面 6～10m。

图1 内错尾巷钻孔参数

在 ni钻场,往 15108综采面的 14号煤层打顺层孔 5号孔,钻孔前期施工长度为 30～50m,下套管为 20～30m,主要处理 14号煤体;同时实施钻孔 1,2,3,4号,1号钻孔控制回风巷顶部 15号煤体及上部 14号煤体,控制范围为 15108回风巷煤壁,走向 5～10m;2号,3号,4号钻孔,沿一定角度实施,控制回风隅角后部 5～10m以及倾向20～30m的空间区域。钻孔形成后,进行了MEA的灌注,通过对 5个钻孔大量的注入MEA阻化泡沫,实施浮煤阻化处理。

防灭火措施巷钻孔参数和内错尾巷相同。

15108综采面阻化防灭火综合措施如图 2。