废弃小煤窑采空区自燃火区治理关键技术的应用研究

牛立东 王常兴 王俊峰 邬剑明

(1.临汾市煤炭工业局,山西省临汾市,041000;2.太原理工大学,山西省太原市,030024)

废弃小煤窑采空区自燃火区治理关键技术的应用研究

牛立东1王常兴1王俊峰2邬剑明2

(1.临汾市煤炭工业局,山西省临汾市,041000;2.太原理工大学,山西省太原市,030024)

在应用同位素测氡法进行火源位置精确探测的基础上,采用变比例的动态混合浆液,对雪坪煤矿南侧小煤窑煤炭自燃隔离带及火区钻孔进行充填封堵并加固,同时应用新型阻化凝胶局部消除高温并根据火区信息的动态检测结果对灭火参数进行动态调整,以保证灭火效果。

煤炭自燃 采空区火源探测 动态检测

1 火区概况

雪坪煤矿位于临汾市尧都区土门镇(原西头乡)雪坪村西北侧,1989年建井,1993年投产,矿区距临汾市35 km。矿井核定生产能力为45万t/a,矿井服务年限45年。雪坪煤矿批准开采太原统9#、10#、11#煤层,井田面积4.8084 km2。

2009年3月30日零点,井下1#变电所CO气体超标,3月31日市局安全科、市救护大队、监察大队部分人员到矿对井下气体进行实测,确定井下多个地段CO气体超标。随即,矿方立即采取了查漏风、加固井下密闭、封堵等一系列的防灭火措施,初步控制了火情,但从对井下B20密闭气体分析检测结果来看,CO浓度达0.5%以上,C2H2浓度为0.001%,O2浓度14.7%,N2浓度78.8%,火区漏风严重,火势并未得到有效的控制。

小煤窑的开采方式一般为短壁开采或掘巷开采,因此在采空区或掘空巷道内产生大量的遗煤和松散的煤柱,而且通风管理及通风设施不完善,漏风严重,极易形成煤炭自燃火灾。

小煤窑自然发火具有以下特点:(1)火区周边地质和矿井开采资料不全,一旦火区蔓延至生产矿井,往往突发性地产生冒烟或明火;(2)具有隐蔽性,其火区位置、范围、发展趋势难以确定,给防灭火方案的制定带来了困难。因此,自燃火源位置的精确探测及火区的范围、发展趋势准确断定是火区治理的关键。

2 自燃火源位置探测

目前,国内外煤炭自燃火源探测方法主要有温度(辐射能量)法包括红外测定法和煤或围岩温度测定法、磁探法、电阻率法、气体测量法、无线电波法、地质雷达探测法、遥感法、计算机数值模拟法和同位素测氡法。近几年来,同位素测氡法应用于百余个矿井自燃火灾火源的探测,证实了它不但能够准确识别火源中心位置、火区范围以及火源的发展情况,而且具备探测和数据处理速度快、成本低等优势,是目前较为理想的地下火源探测技术。

2.1 同位素测氡法的探测原理及工艺

氡为放射性核素,衰变时放出能量,可作为信息被检测出来,它反映地球体内核素含量及其活动形式与衰变类型。研究表明,氡的析出率随着介质温度的升高而增大,火区或高温点上部氡的离子交换速度加快,使得氡的放射性活度增加而产生氡异常。同位素测氡法是利用氡的运移规律,根据氡及其子体的运移受到火源的影响,测量地表氡及其子体的量来判断火源位置。根据现场实际情况,结合地表特点,共布测点294个,点距为10 m×10 m,探测面积约26000 m2。探测工艺如图1。

图1 探测工艺

2.2 探测结果

将野外所测结果应用测氡探火数据处理系统专用软件包进行处理可得测值、异常值立体图,经过软件再处理,可得到相对应的等值线图,见图2、图3。

图2 立体图

在测场内探明温度异常区2个,分别为A、B,总面积约4100 m2。

(1)A区为一高温火区,面积约为2700 m2,发展方向为北偏东方向;

(2)B区为一高温火区,面积约为1400 m2,发展方向为北偏东方向。

A、B二个温度异常区范围、位置如图4所示。

3 火区治理

由于自燃火区与周边矿井及地面存在较多的角联漏风通道,自燃发生后很难用单一井下密闭封闭隔离。自燃火区燃烧时间较长,参与燃烧的物质除了遗煤外,还有大量的煤柱,有时高温火点经常发生在煤体中上部,储存热量很大,高温范围较大;灭火周期长,不易扑灭,易复燃,故制定“地面打钻灌(注)浆”的灭火施工方案,确保熄灭并隔离火区。

3.1 灌浆材料的选择

灭火材料的选择首先要考虑当地现有的材料,同时要具备经济实用、易于储运的特点。灌浆所采用的材料主要有黄土、水泥、粉煤灰、碳铵、水玻璃等。

根据现场的实际施工效果对浆液的浓度进行了相应的调整,改变以往单一浓度注浆的方法,以确保封堵及灭火效果。为了确定粉煤灰凝胶料的性能,在实验室对粉煤灰凝胶料进行了性能测试。

(1)阻化性能。阻化率的大小是衡量煤氧化强弱的重要指标。阻化率大则表明氧化性弱;反之,则氧化性强。采集有自然发火倾向性煤层煤样,经过粉碎并筛分成一定粒度后分成若干等份,其中一部分煤样用不同配比的粉煤灰凝胶浸透处理,装入试验管封闭严密。然后将未处理的煤样和已处理的煤样分别装入反应管,并把反应管放入恒温水浴中,加热一定温度后恒温(60℃、80℃),煤样在这一恒温过程中氧化产生CO,恒温一定时间后取样分析各试管中的CO含量。

在相同的试验条件下,被阻化剂处理过的煤样与未经过任何处理的原煤样在恒温过程中所产生的CO相对含量不相同,并以此来计算阻化率,阻化率计算公式如下:

3.2 地面钻孔布置方式

根据火源探测结果及已知采空巷道分布状况,在火区内部和周围进行钻孔布置。在火区边界布置密集围幕钻孔,并灌注永久性封堵材料,以便形成火区隔离带,同时可避免灌浆时产生的高温蒸汽扩散造成火区转移。

火区中心高温火区布置注凝胶钻孔,凝胶可对火源起到快速降温、隔绝氧气的作用。火区内部布置灌浆钻孔,可灌注粉煤灰、黄泥浆液对火区进行封堵。其钻孔间距主要考虑了浆液的有效扩散距离,根据理论计算参照采空区经验确定钻孔间距为10 m,孔径定为108 mm,下套管至基岩。

3.3 灌浆施工

在灭火施工现场建区域性的移动式灌(注)浆系统,根据钻探揭露及孔底检测信息资料灌注不同材料和不同配比的浆液。首先对边界帷幕隔离带进行施工,以达到预先封堵、阻断火源蔓延的目的。然后对火区按先周边后中心的顺序进行注(灌)浆、注胶。注浆过程中,实施了“初始注浆—浆液自然沉积—补充注浆—打压—检测”等一系列步骤。

4 治理效果分析

注浆灭火期间,共向火区开凿注胶钻孔63个,注浆量32675 m3。根据对观测孔B2、西风井进行连续监测的结果表明(见图5、图6),CO的浓度逐渐降低,温度也逐渐下降,表明火区已基本得到了有效的控制。

测试表明:60℃时,粉煤灰凝胶料的阻化率均达到50%以上;80℃时,粉煤灰凝胶料的阻化率均达到70%以上,说明其阻化性能良好。

(2)收缩性。将不同材料配比的粉煤灰凝胶料用100 mm×100 mm×100 mm的模具制作试样,在室温(15～36℃)、湿度60%～80%的环境下,放置一段时间后测试。测试表明:粉煤灰凝胶试块无开裂现象,但试块收缩,收缩率为5%～10%,其收缩原因为环境湿度低,致使胶体脱水。

(3)抗压性。将6组试块在室温(15～36℃)、湿度60%～80%的环境下,放置一段时间后在压力测试机上进行抗压测试。测试结果表明:抗压强度达到5.8 MPa。通过对所用粉煤灰凝胶材料的性能检测,能满足灭火需要。

5 结语

利用同位素测氡法对火源位置的精确探测是火区治理工程的基础,在此基础上采用变比例的动态混合浆液,对隔离带及火区钻孔进行充填封堵并加固,改变了传统单一黄泥灌浆封堵效果差的状况,同时应用新型阻化凝胶局部消除高温点的综合灭火技术和火区信息检测技术,科学评价治理效果,缩短了灭火时间,降低了灭火成本,保证了灭火效果。

[1] 邬剑明,刘艳,周春山.同位素测氡法在柳湾矿自燃火源位置探测中的应用[J].太原理工大学学报,2006(9)

[2] 隋涛,潘跃飞,邬剑明.同位素测氡法探测火源位置在柴里煤矿火区治理中的应用[J].山西煤炭,2006(3)

[3] 邬剑明,高尚青.煤层自燃火区温度检测技术的研究与应用[J].中国安全科学学报,2004(10)

[4] 隋涛.粉煤灰凝胶防灭火技术在煤矿中的研究应用[J].太原:太原理工大学,2007

A research on the application of key technology for coal spontaneous combustion control in gob areas of an abandoned small coal mine

Niu Lidong1,Wang Changxing1,Wang Junfeng2,Wu Jianming2

(1.Linfen Municipal Coal Industry Bureau,Linfen,Shanxi province 041000,China;2.Taiyuan University of Technology,Taiyuan,Shanxi province 030024,China)

On the basis of the application of isotope for measuring radon to determine the accurate location of fire sources,varying proportion dynamic mixing grout is used to fill,block and seal the fire zone boreholes in the zone of coal spontaneous combustion zones of a small coal mine south of Xueping coal mine.Parallel to this,fire retarding gel of novel type is used to eliminate high temperature points locally.In addition,in the process of this,dynamic adjustment is carried out on the fire fighting parameters according to the dynamic monitoring of fire zone information.All these combine to achieve a positive result of fire fighting.

spontaneous combustion of caol,gob area fire source probe,dynamic testing

TD753

A

牛立东(1965-),山西太原人,大学本科,高级工程师,主要从事煤炭生产安全的管理与技术工作。

(责任编辑 梁子荣)