邢台矿区下组煤开采综放工作面防灭火技术

赵兵文魏文柱

(1.中国矿业大学(北京)资源与安全工程学院,北京市海淀区,100083;2.冀中能源股份有限公司,河北省邢台市,054021)

邢台矿区下组煤开采综放工作面防灭火技术

赵兵文1,2魏文柱2

(1.中国矿业大学(北京)资源与安全工程学院,北京市海淀区,100083;2.冀中能源股份有限公司,河北省邢台市,054021)

针对邢台矿区采用综采放顶煤工艺开采的高硫易自燃下组煤层自然发火的问题,进行了煤层自燃特性、指标气体的分析,建立了以束管监测预报、三相泡沫防灭火、复合浆体沿空巷道喷涂隔风以及均压防灭火为主体的综合防灭火技术体系,取得了明显效果。

下组煤 防灭火 指标气体 三相泡沫 沿巷喷涂 综放工作面

1 邢台矿区下组煤开采及自燃概况

1.1 下组煤开采概况

邢台矿区下组煤主采煤层是9#煤层,煤层厚度5～9 m,采用综采放顶煤技术开采,煤层含硫一般在3%以上,由于下组煤自然发火期短,开采期间自燃火灾防治困难。

1.2 自燃原因分析

经分析,9#煤层自燃的主要原因为如下4个方面。

(1)采用沿空掘巷方式掘进巷道,造成采空区漏风加大,增大了煤炭自燃的风险。

(2)煤层底板为奥灰含水层,难以布置岩巷,矿井的主要巷道均为煤巷,巷道裂隙长时间氧化易造成自燃。

(3)采用放顶煤工艺采煤,采空区遗煤量相对较多,自燃危险性较大。

(4)9#煤层为高含硫自然发火煤层,煤层平均含硫量达4.18%,由于硫对煤的氧化促进作用,增加了煤炭自燃倾向性,客观上缩短了煤层自然发火期。

2 煤自燃的指标气体分析

对葛泉矿东井煤层取样进行煤自燃的指标气体分析,找到了气体与温度的关系,见图1。

图1 9#煤层自燃指标气体与温度的关系

由图1可以看出,煤样在30℃到200℃的氧化过程中都有规律地出现 CO、CO2、CH4、C2H6、C2H4、C2H2,其产生率随煤温上升基本呈指数上升趋势。30℃时出现 CO、CH4、C3H8气体,50℃时出现 C2H6、C3H8气体,120℃时出现C2H4气体,190℃时出现C2H2气体。说明此煤样发生更为强烈的氧化反应,高温发热区进一步扩大,可视为煤自燃氧化进入燃烧期的标志,即出现明火。CO在30℃时开始出现,在低温阶段其生成量较小,至 110℃只有 0.0068%,但在 120～130℃时CO量迅速增加,说明此时煤已经开始迅速氧化。因此,葛泉矿东井的自燃火灾隐蔽性较强,不能单纯的以CO为火灾预测指标。

将煤氧化过程中生成的C2H6与C3H8求比值得链烷比H,结果如图1(d)所示。由图可知,在70～110℃时,H值由0.133快速增大至0.613,对区间拟合可得方程:

相关性系数R2=0.9845。该方程式可作为低温阶段,CO浓度不敏感条件下预测预报煤自燃的重要参数。通过对煤炭低温氧化实验结果的分析,可初步选择以CO和 H作为对葛泉矿东井煤炭自燃的预报指标,C2H4、C2H2分别作为高温发热区和明火出现的标志。

3 综合防灭火技术体系

3.1 建立全方位自燃早期预报系统

利用人工检测、安全监控和矿井火灾束管色谱监测3种手段相结合,建立起“三位一体”的全方位煤炭自燃早期预测预报系统。

3.1.1 人工检测

工作面瓦斯员每班用红外线测温仪、O2和CO等便携式气体分析仪,在回风隅角和后刮板输送机机头等防火观测点进行气体检测。同时,在工作面液压支架间采取气样,进行气相色谱仪分析,根据指标气体的成份与浓度,分析煤的自然发火程度。

3.1.2 安全监测监控系统

利用煤矿安全监测监控系统,加强对CO浓度的连续在线自动监测。在工作面回风巷内和上隅角安设CO传感器、温度传感器等监控探头,实现对煤层自燃情况的连续自动监测。

3.1.3 束管监测系统

利用 KSS-200煤矿自燃火灾束管监测系统对矿井自燃火灾进行预报工作。系统可对井下防火观测点的 O2、N2、CO、CH4、CO2、C2H4、C2H6和C2H2等气体实现24 h的连续循环监测,通过计算机链烷比的计算,及时分析、预测预报发火点的温度变化。

3.2 三相泡沫防灭火技术

工作面遇断层或地质构造异常区时,由于推进速度降低或停采,采空区内同一地点的遗煤氧化蓄热时间加长,氧化升温速度加快。这时,除进一步减少配风量,提前加大上、下隅角、采空区灌浆量外,利用工作面后部预埋注浆管及工作面内煤壁一侧地点施工钻场,通过施工钻孔向整个工作面架后3～5 m范围采空区反复注“三相泡沫”防灭火材料,使“三相泡沫”在采空区内扩散、渗透,向高处堆积,降低高温浮煤的温度,见图2。

图2 工作面管路布置示意图

3.3 沿空巷道的喷涂技术

为节约煤炭资源,提高煤炭采出率,9#煤层开采采用沿空掘巷方式布置巷道。由于巷道周围的煤体因承受地压作用而产生大量的裂隙,造成采空区和巷道煤柱的漏风量加大,风流渗流至采空区,客观上为煤炭自燃提供了条件,增大了煤炭自燃的风险。为减少沿空巷道的漏风问题,结合传统的黄泥注浆工艺,研制了复合浆体材料及喷涂工艺,通过对巷道顶、帮及顶板破碎的巷道段进行喷浆,有效防止了漏风。

3.3.1 复合浆体材料

复合浆体材料以粘土、水泥为基料,辅以添加剂、玻璃纤维,按照一定工序配制而成,具有悬浮性强、初凝时间短、凝固后耐冲洗、不易开裂和成本低等优点。压汞试验和电镜扫描结果表明,复合浆体材料中孔体积所占比例高达76.04%,粗大裂隙不发育,渗透系数仅为1.181×10-10mm/s,隔风性能优良。

3.3.2 制浆系统

制浆系统是地面固定注浆系统的核心子系统,其性能决定了地面固定注浆系统的注浆能力和工作效率。制浆系统构成如图3所示,主要包括粘土单浆制浆系统和水泥下料控制装置,粘土单浆制浆系统可制成一定比重和粘度的粘土单浆液,水泥下料控制装置通过计算机控制系统的控制可向粘土单浆制浆系统中加入一定量的水泥粉,通过搅拌制成复合浆体材料。

图3 制浆系统示意图

3.3.3 井下喷注装置

喷涂复合浆体材料的装置为自制的“人字形”喷枪,采用6分铁管制成,喷枪及其管路连接见图4。喷枪设有2个进口端,通过软管分别与注浆管路和压风管路相连,其中在进口端处设有阀门,在喷浆时工人通过阀门调节浆液和压风的进入量。另外,在“人字形”喷枪与压风管路连接的胶管上还装有止回阀和减压阀,使压风以一定压力单向流入喷枪,保证喷涂作业人员的安全。

图4 “人字形”喷枪及其管路连接示意图

3.4 均压防灭火技术

当工作面回采结束后,首先拆除工作面运输巷内设备,并对运输巷进行封闭。在靠近工作面运料巷的进风巷道内安装局部通风机,将风筒通过运料巷接至工作面拆除支架处,进行正压通风,以减少采空区的漏风。

对于采区周围存在小窑采空区,且有漏风通道的工作面,由于小窑通风负压明显低于大矿负压,存在有小窑漏风和有害气体向大矿侵入的危险。可在工作面进风巷设置带有调节风窗的局部通风机,局部通风机安装在风窗的进风侧。同时,在回风巷内也设置调节风窗。通过调整两风窗的面积,使工作面空气的绝对压力等于或稍高于采空区后部小窑漏风处的绝对压力,减少漏风,从而达到防止小窑有害气体侵入和防止自然发火的目的。

从有利于调压防灭火的角度出发,在有漏风源或漏风汇附近的风路上,通风构筑物不应选择在漏风源和漏风汇之间,应将其设在漏风源的进风侧,或漏风汇的回风侧。对于采用U型通风的工作面,工作面回采结束后,边眼内应严禁构筑挡风墙。

4 工程应用

以邢台矿区葛泉矿东井为例,2007年5月5日,1192工作面在出现大范围的高温异常区,通过采取三相泡沫灭火、均压等技术,5d后就迅速控制了火灾形势,工作面回风流中CO降为0,C2H4也为0,且这些火灾标志性气体的浓度一直没有再上升。工作面从5月28日开始撤架,6月12日顺利拆完封闭,工作面在近45 d未推进的情况下,火区未复燃,也没有再次出现高温异常区。

同时沿巷喷涂隔风的效果也非常显著,由图5可以看出,葛泉矿东1191运料巷喷涂后,1192采空区的氧气浓度由12%下降至4.5%,说明复合浆体材料隔风性能优越,能有效防止采空区煤炭自燃。

图5 1191运料巷喷涂前后1192采空区氧气浓度变化

5 结论

(1)针对邢台矿区采用综采放顶煤开采的高硫自燃下组煤层发火特点,进行了自燃指标气体的分析,选择以CO和H作为对煤炭自燃的预报指标,C2H4、C2H2分别作为高温发热区、明火出现的标志。

(2)建立了综合防灭火技术体系。以束管监测和煤体温度监测相结合作为煤炭自然发火的早期预报系统;以三相泡沫防灭火技术扑灭采空区火灾;沿空巷道喷涂隔风复合浆体防灭火技术解决了沿空巷道向采空区漏风引起煤层自燃的难题;实施均压防灭火技术合理分配工作面风量,减小了采空区的漏风状况。

[1]梁晓瑜,王德明,秦波涛等.粉煤灰三相泡沫防治煤炭自燃的应用研究[J].中国煤炭,2006(10)

[2]吴超,孟廷让.高硫矿井内因火灾防治理论与技术[M].北京:冶金工业出版社,1995

[3]周福宝,王德明,章永久等.含氮气三相泡沫惰化火区的机理及应用研究[J].煤炭学报,2005(4)

[4]周福宝,李金海,刘应科等.复合浆体喷涂新材料及其隔风特性[J].煤炭学报,2010(7)

(责任编辑 梁子荣)

Fire prevention and fighting technology at the lower-coal seams’fully mechanized cavingmining face of Xingtaimining area

Zhao Bingwen1,2,Wei Wenzhu2
(1 School of Resources and Safety Engineering,China University of Mining and Technology,Haidian,Beijing 100083,China;2 Jizhong Energy Resources Co.,Ltd,Xingtai,Hebei 054021,China)

Fully mechanized cavingmining method is used in Xingtaimining area tomine the high sulfur content lower-coal seams,and this will cause coal liable to spontaneous ignition.To settle this issue,the author analyzed the characters of coal seams spontaneous ignition and index gas,and a comprehensive technology system for fire prevention and fighting is established through setting up a monitoring and forecasting system,using three-phase foam extinguishing material,making gunniting to roadway by using compounding material to seal oxygen,and using equal-pressure fire prevention technology.A sound result has been achieved based on above.

lower-coal seams,fire prevention and fighting,index gas,three-phase foam,roadway gunniting,fully mechanized swb-level caving coal face

TD752

B

赵兵文(1963-),男,河北任县人,正高级工程师,长期从事煤矿生产技术管理工作,中国矿业大学(北京)资源与安全工程学院博士研究生,现任冀中能源股份有限公司总工程师。