三软煤层工作面回撤期间综合防灭火对策

吕兆海赵长红李立波张志智张小刚黎劲东（1.西安科技大学能源学院,陕西省西安市,710054; .神华宁夏煤业集团有限责任公司,宁夏回族自治区银川市,750004）



三软煤层工作面回撤期间综合防灭火对策

吕兆海1,2赵长红2李立波2张志智2张小刚2黎劲东2
（1.西安科技大学能源学院,陕西省西安市,710054; 2.神华宁夏煤业集团有限责任公司,宁夏回族自治区银川市,750004）

摘要以110205回撤工作面自然发火为研究对象,综合分析发火原因,确定火区重点区域,采取地面裂缝掩埋回填、井下构筑均压通风设施、整体注液态N2、CO2、局部钻孔注胶的综合方案,使回撤空间温度由38℃降到18℃、CO浓度从0.012%降到0.0005%,控制了工作面火灾。

关键词回撤工作面 自然发火 综合防灭火工艺 液态N2液态CO2均压通风局部注胶

1　回撤面概况

清水营煤矿地质赋存条件复杂,岩体节理,裂隙发育,属典型三软煤层特征,煤层顶板由渗透性强、导水性好、松软易风化的厚砂岩构成;底板由强度低,稳定性差、遇水易膨胀、泥化的粉砂岩构成。110205回撤面所采煤层为二煤,煤层厚度4.8 m,属于Ⅰ类易自燃煤层,发火期42 d。回撤面斜长296 m,采高3.4 m,由于顶板岩性破碎、底板遇水易胶结泥化,为控制顶底板完整性,便于安全回撤,采取预留顶煤0.6 m、底煤0.8 m的措施。由于施工回撤通道耗时较长、煤岩体松散度较高,当工作面下部回收2个端头支架后,回撤面出现了煤层自然发火、有害气体严重超限现象,其中98＃支架段出现明火,141＃支架段CO浓度达到0.012%,采空区温度局部最高达到38℃。

2　综合防灭火工艺

针对三软回撤面防灭火的不利因素,制定先地面后井下、先系统后环节、先整体后局部的综合灭火方案,即对地表裂缝进行充填,隔绝漏风通道;调整通风系统,实施均压通风;注液态N2、CO2,降低采空区温度和氧气浓度;对局部火源注射高分子凝胶,包裹隔离火源。

2.1采空区“三带”划分

在综合防灭火过程中,应根据“三带”宽度合理确定注液态气体的间距、时间和注入量,使氧化自燃带始终处于被惰化覆盖的状态,从而有效抑制采空区自然发火。工作面开采末期,在回风巷、进风巷向采空区每隔50 m、100 m、150 m分别设置采样点;施工回撤通道期间,在回风巷、进风巷每隔60 m、90 m、120 m分别设置采样点,通过束管监测系统抽样分析氧气浓度。以氧气含量10% ～18%作为氧化带的划分依据,利用煤自燃性试验参数和井下实际,判断采空区遗煤自燃的必要条件:

式中:hmin——采空区最小浮煤厚度,m;

Cmin——采空区下限氧浓度,%;

图1　采空区“三带”划分

将式（1）中相关结果代入图1,经氧气浓度监测及“三带”划分区域综合测定,散热带宽度为40～60 m,氧化升温带宽度为130～200 m,窒息带宽度为距工作面200 m以外区域。

2.2注液态N2、CO2

液态N2、CO2能吸收回撤空间热能,降低火源温度、氧气含量。由于N2与空气密度接近,受火区标高影响较小,对回撤空间中上部区域惰化、降温、隔离效果好;CO2相对密度较大,在火区内气化扩散后,迅速沉入采空区底部,对回撤空间中下部区域惰化、降温、隔离效果较好。为保证灭火效果,采取连续性注液态N2、CO2,使火区内温度得到有效控制,氧气浓度降至煤层自然发火下限。

火区封闭空间体积计算公式为:

式中:V——封闭火区的总体积,m3;

V1——工作面封闭体积,m3;

V2——采空区封闭空间体积,m3;

h——回撤通道高度,取3.4 m;

L1——回撤通道宽度,取3.4 m;

L——回撤通道长度,取296 m;

H——回采煤层厚度,取4.8 m;

L2——氧化升温带宽度,取200 m;

λ——采空区岩石松散系数,取0.8。火区惰性气体注入量计算公式为:

式中:Q——火区灭火注入惰性气体总量,m3;

K——注入惰性气体备用系数,取1.6;

C1——注入惰性气体前火区平均氧气浓度, 取14%;

C2——火区灭火临界氧气浓度,取5%。

经理论计算,为达到灭火效果,注入惰性气体需达到73.8万m3。在工作面支架前端位置铺设注液氮管路,支架尾梁上方顶板处施工钻孔15个,钻孔直径50 mm,仰角35°,钻孔深度4.3 m,先后连续注射液态N2、CO2,其中1号液氮管分别与170＃、163＃、158＃支架后侧的注液氮钻孔连接,2号液氮管分别与107＃、104＃、103＃、98＃、95＃支架后侧的注液氮钻孔连接;3号液氮管分别与120＃、116＃、113＃、131＃支架后侧的注液氮钻孔连接,4号液氮管分别与151＃、150＃、140＃支架后侧的注液氮钻孔连接。2月15日—3月4日注氮768.3 t,2月27日—3月4日累计注液态CO2548.8 t,约88.9万m3。注液态N2、CO2管路布置如图2所示。注液态N2（CO2）线路:地面槽车→地面下料孔→＋1065 m水平车场→风巷输液氮管路（DN50）→高压软管→回风巷密闭外预留管路→采空区。

2.3均压通风

均压防灭火技术采取调整通风系统,改变气压分布状态,减少漏风区域压差,起到堵风防漏,管风防火,以风防火。根据通风阻力定律:

式中:M——漏风量,m3;

Δh——漏风风路起点与终点的压差,Pa;

R——漏风风路的风阻,kg/m3。

从式（4）可以看出要使漏风M→0,只能使采空区的密闭阻力无限大,即R→0;或减小采空区周围密闭、沙袋隔离墙、隔离煤柱的内外差,实现均压通风使火区内外达到平衡状态,即Δh→0。

（1）构筑通风设施。在主通风线路上构筑永久密闭9道,临时密闭3道,风门4道,挡风墙1 道,具体位置如图3所示。

（2）增设调压通风机、风窗。在工作面进风侧＋1065 m水平车场、运输下山风门外侧分别设置2×75 k W、2×30 k W调压通风机,在总回风侧＋856 m水平车场设立调节风窗,形成均压系统,如图3所示。

图2　注液态N2、CO2管路布置

图3　工作面均压通风系统图

2.4局部注胶

凝胶是一种渗透性强、密封性好的新型灭火材料,对有限空间、局部火源灭火效果明显。凝胶成胶前流动性强,扩散渗透性能好,1 m3凝胶可渗透4～5 m3的散煤中,与散煤粘结成一个整体,起到堵漏风、隔绝氧气作用。凝胶除了能直接灭火,还能通过其堆积和渗透作用将采空区隔离,缩短自燃带长度,减少火区空间。110205回撤面密闭启封后,在CO浓度较高、温度较高的区域把基料Na2SiO3和促凝剂NH4HCO3按2∶1的比例与水分别搅拌均匀,然后同时启动两台泵,将配比溶液输送至混合器中,打到钻孔内,成胶时间控制在5 ～10 min。如图4所示,在83＃～90＃支架间施工钻孔7个,钻孔直径15 mm,仰角35°、60°、70°,孔深2.3 m,共注水溶性胶体1160 kg;在92＃、93＃、100＃、108＃、121＃、134＃、135＃、137＃、141＃支架间施工钻孔10个,钻孔直径25 mm,仰角60°,孔深2.3 m,共注水溶性胶体3600 kg。

图4　注胶体钻孔布置图

3　效果评价

3.1CO气体浓度

在防灭火期间,每天安排专人进行气体监测, 2月4日－2月10日期间监测到工作面CO浓度有上升趋势,2月11日CO浓度严重超限,其中112＃支架尾梁处CO浓度高达0.012%,上隅角CO浓度达到0.0096%;2月15日,实施均压通风后,工作面上口密闭内标志性气体浓度整体高于下口密闭内浓度,这说明火区的相对位置仍然偏向于工作面上口且火区没有明显缩小;2月17日注液氮159 t后,CO浓度迅速降低,浓度保持在0.0003%～0.007%,随着注入液态N2及CO2量的增加,CO浓度整体下降,变化曲线如图5所示,工作面、上隅角、回风流CO浓度分别由0.012%、0.0096%、0.0085%下降到0.0005%、 0.0004%、0.0003%。

3.2温度变化

2月12日中班,工作面整体温度有升高趋势,其中156＃支架尾梁处温度达到36℃,回风流中温度达到22℃,实施均压通风后采空区得到有效控制,但整体偏高;自2月16日注液态N2、后续又注入液态CO2后,采空区整体温度明显降低,表明液态N2、CO2汽化后使火区得到明显的控制,见表1。3月6日工作面启封后,工作面温度有所回升,采用注入胶体的方式对局部火区进行了包裹封闭效果明显,工作面温度并始终保持在16℃～18℃,如图6所示,工作面、上隅角、回风流温度分别从21℃、22℃、20℃下降到18℃、14℃、16℃。

图5　CO变化曲线

图6　温度变化曲线

4　结论

（1）针对回撤空间发火特点,采取地面填埋裂缝、隔断空气通道;井下施工密闭,实施均压通风;注液态N2、CO2、局部火源注射高分子凝胶的综合措施,切断了回撤空间自然发火条件,使火源点断氧熄灭。

（2）通过综合防灭火方案,火区温度从38℃降到18℃,CO气体浓度从0.012%降到0.0005%。实践证明,在采取一定封堵措施后,连续性注入惰性气体有利于降低火区温度及氧气浓度,抑制瓦斯爆炸和熄灭火源。

表1　封闭前后采空区气体浓度、温度变化

参考文献:

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（责任编辑张艳华）

The comprehensive prevention countermeasures of coal spontaneous combustion during the working face recovery operations in＂three soft＂coal seam

Lv Zhaohai1,Zhao Changhong1,Li Libo1,Zhang Zhizhi2,Zhang Xiaogang2,Li Jindong2
（1.College of Energy,Xi＇an University of Science and Technology,Xi＇an,Shaanxi 710054,China; 2.Shenhua Ningxia Coal Industry Group Co.,Ltd.,Yinchuan,Ningxia 750004,China）

AbstractTaking the coal spontaneous combustion of 110205 working face during recovery operations as the research object,the reasons of coal spontaneous combustion were analyzed and the its key areas were determined.The comprehensive countermeasures that included burying and backfilling the surface fractures,constructing the facilities of pressure balance ventilation,injecting the liquid nitrogen and carbon-dioxide into the goaf,local gel injection,which made the temperature of recovery operation space dropping from 38℃to 18℃,the carbon-monoxide concentration dropping from 0.012%to 0.0005%and controlled the coal spontaneous combustion.

Key wordsworking face,spontaneous combustion,comprehensive fire prevention technology,liquid nitrogen,liquid carbon-dioxide,pressure balance ventilation,local gel injection

作者简介:吕兆海（1980－）,男,宁夏灵武人,工程师,博士研究生,主要从事大采高开采、采空区衍生动力灾害防治研究。

中图分类号TD75

文献标识码A