封闭式注氮防灭火技术的应用研究

梁卫公,范军霞，梁志远

(1.晋能集团吕梁有限公司,山西 孝义 032300;2.太原嘉瑞信科技有限公司,太原 030000;3.太原理工大学 矿业工程学院，太原 030021)

封闭式注氮防灭火技术的应用研究

梁卫公1,范军霞2，梁志远3

(1.晋能集团吕梁有限公司,山西 孝义 032300;2.太原嘉瑞信科技有限公司,太原 030000;3.太原理工大学 矿业工程学院，太原 030021)

为了解决客观因素导致长期停工的综采工作面发生煤炭自燃的防灭火问题,在金达煤矿10103工作面采用了封闭式注氮防灭火技术。通过技术应用研究,对矿井存在容易自燃、自燃煤层的采空区火区、长期停采工作面发生煤炭自燃的防灭火技术方案的制定提供借鉴,为矿井回采工作面的安全管理提供有力保障。

封闭式注氮;矿井火灾;防灭火技术

矿井火灾按热源不同划分为内因火灾和外因火灾。外因火灾是由于明火、爆破、电气、摩擦等外来热源造成的火灾。内因火灾是指一些易燃物质在一定条件和环境下自身发生物理化学变化聚集热量而导致着火形成的火灾。内因火灾大多数发生在采空区停采线、遗留的煤柱、破裂的煤壁、煤巷的高冒处、长期停采的工作面上隅角、假顶下及巷道中任何有浮煤堆积的地方。从破坏供氧条件入手是预防内因火灾最主要的方法,主要有杜绝漏风或避免煤氧接触,其措施有隔绝采空区、均压通风、黄泥灌浆、喷洒阻化剂、压注凝胶、注惰性气体等。注氮防灭火技术主要表现在降低氧气浓度、提高采空区内气体的静压减少漏风量、氮气吸热、缩小瓦斯爆炸的界限。

注氮方式分为开放式和封闭式注氮。封闭式注氮对已封闭的采空区或火区具有针对性。金达煤矿10103综采工作面为首采验收工作面,走向长度850 m,工作面倾向长度120 m。由于建井期间安全设施“三同时”滞后建设,10103综采工作面在推进剩余200 m处长期停工停产等待验收,导致该工作面上隅角出现煤炭自燃现象的发生。针对上述问题,提出采用封闭式墙内注氮防灭火技术,解决长期停工停采工作面上隅角煤炭自燃火灾隐患,确保矿井安全生产。

1 工作面概况

金达煤业批准开采9#、10#、11#煤层。10103综采工作面井下标高720 m～740 m,走向长度850 m,倾向长度120 m。该工作面煤层西侧比东部薄,西侧10#厚1.5 m,东部10#局部厚1.9 m,大部分在1.5 m～1.8 m之间,10#与11#间夹石在局部变厚为0.5 m～0.9 m,而大部分厚为0.2 m～0.3 m。该煤层呈块状,半亮型煤稳定可采。大部为10#、11#合并层。工作面伪顶为泥质页岩,厚度0.2 m随采随落;直接顶为页岩,3 m～5 m,灰色易垮落;老顶为K2灰岩6.11 m,致密坚硬,不易垮落。直接底板为泥岩0.24 m,粉砂岩透镜状水平层理发育,具有裂隙。最大涌水量为0.04 m3/min,正常涌水量为0.02 m3/min。

金达煤业矿井瓦斯绝对涌出量0.84 m3/min,相对涌出量2.34 m3/T;二氧化碳绝对涌出量1.12 m3/min,相对涌出量3.1 m3/T。属于低瓦斯矿井。10#挥发分Vdaf28.63%,11#挥发分Vdaf28.53%,均具有煤尘爆炸危险。10#、11#煤的吸氧量经鉴定均为0.66 m3/g,属自燃煤层,自燃倾向性为Ⅱ级,发火期6个月。该工作面选用MG160/380-WD采煤机,ZZP4000-15.5/24L四柱支撑掩护式铺网支架,支护高度1.55 m～2.4 m,最大控顶距4.49 m,最小控顶距3.89 m,设计采高为2.1 m,采煤工作面的平均断面积,取8.799 m2。走向长壁后退式一次采全高采煤方法,全部垮落法管理采空区。运输、材料巷净断面7.04 m2初次来压步距23 m,周期来压步距20 m。由于10#、11#煤层大部分为合并层,其间夹矸厚为0.2 m～0.3 m,故在回采过程中采煤机经常在10#、11#煤层之间上下起伏波动,而综采支架支撑高度有限,造成采空区大量遗煤。另外,矿井在建设期间安全设施“三同时”工程缓慢等客观因素导致10103首采工作面在推进剩余200 m后长期停工等待验收,致使该工作面上隅角发生煤炭氧化和自燃发火现象。

2 封闭式注氮防灭火技术应用

经过对10103综采工作面上隅角出现火灾隐患的防灭火技术筛选分析后,采用封闭式注氮工艺消除火灾隐患具有针对性。封闭式墙内注氮是利用防火墙上预留的注氮管向火区或火灾隐患的区域实施注氮。设计采用DT800-8炭分子筛制氮装置:氮气产量800 m3/h,氮气浓度>97%。输送管直径DN80。矿井安装了KSS200型矿井移动式束管检测系统。在10103综采工作面的运输、回风巷道口分别构筑一道防火墙,防火墙上均布置有观察孔。在运输巷口防火墙上预留注氮管路连接口,对10103综采工作面实施连续封闭式墙内注氮工艺技术。同时,通过观察孔监测两巷墙内气体变化情况,研究分析封闭式注氮效果检验,为封闭式注氮防灭火提供技术借鉴。

3 注氮防灭火效果分析

通过收集整理运输巷、回风巷两个防火墙观测孔在注氮期间各种气体数据变化,绘制10103闭墙气体随注氮量变化曲线图(见图1),并进行防灭火效果分析。

图1 10103闭墙气体随注氮量变化曲线图Fig.1 Variation of 10103 closed wall gas with injection volume of nitrogen

注氮防灭火数据分析:

1)进、回风闭墙内CO观测值(实测值扩大1 000倍在曲线图中表示)随注氮量增加衰竭很快,说明该工作面上隅角火灾隐患得以有效控制,封闭式注氮灭火技术针对性较强。具有实操性。

2)进风巷闭墙内CH4、CO2峰值随注氮量变化基本相互对应,周期性峰值较为明显,说明在封闭空间内气体流动随着注氮量的增加、相对压力的提高发生周期性扰动。周期性注氮量观测值为10 000 m3/次。

3)回风闭墙内CH4、CO2观测值随注氮量的增加两种气体浓度呈现波浪运行,但振幅不大,说明封闭空间内CH4、CO2浓度相对稳定,基本无增减量。

4)进风闭墙内CH4、CO2观测值随注氮量的增加呈现3个周期性峰值后逐渐衰竭。分析原因,主要是注氮管路输入接口布置在进风闭墙上,注氮管路出口位于工作面下隅角,随着注氮量增加促使注氮管路出口至工作面上隅角逐渐呈现正压状态,而注氮管路出口至运输巷闭墙却呈现负压状态,导致正压区域的CH4、CO2随着注氮量增加逐渐流向压力较低区域,通过观测在呈现3个周期性扰动峰值后,进风闭墙内CH4、CO2观测值呈现衰竭状态直至稳定。

5)计算10103综采工作面初始所需注氮量(预计出现效果显现的所需量):

∑V=V1+V2+V3+V4.

式中:V1为封闭区域两条巷道体积,m3;V1=SHDLHD×2=7.04×260×2=3 660 m3;V2为综采工作面有效空间体积,m3;V2=SGZMLGZM=8.79×120=1 055 m3;V3为采空区周期来压步距有效空间体积,m3;V3=20×2.1×120=5 040 m3;V4为上覆9#煤层采空区空间体积,m3;V4=20×1.4×120=3 360 m3。

上述理论计算:在注氮量达到9 755 m3时,氮气量将充满该工作面两条巷道、工作面及采空区(周期来压步距)范围,在进、回风巷道闭墙观测点CO应逐步衰竭消失。实际观测:回风闭墙测点注氮量8 888 m3时,CO测值为0;进风闭墙内在注氮量达10 398 m3时, CO滞后逐步衰竭为0值。理论计算量与实际观测量误差率为6%～8%基本相符。分析原因:主要是注氮管路出口位于工作面下隅角,随着注氮量增加初始位于工作面上隅角CO部分气体在注氮出口负压的作用下逆流向进风闭墙处,由于,工作面上隅角到进风闭墙距离比到回风闭墙距离长,因此,进风闭墙内CO观测值呈现滞后衰竭状态。

理论计算注入量假设达13 115 m3时,氮气量将进一步充满上覆9#煤层采空区(与10#煤层间距4.3 m)。实际观测当注入量13 740 m3时,进风闭墙内CH4、CO2曲线先后出现峰值,并且呈现3个周期性峰值时注入量差值基本在10 000 m3左右,随之,进风闭墙内 CH4、CO2观测值趋于稳定在0.08、0.04。但回风闭墙始终处于压力增高区CH4、CO2曲线呈现基本平稳运行状态。分析原因:注氮管路出口位于机头处,进风闭墙始终处于负压状态;随着注氮量不断增加,封闭区域气体出现周期性扰动可能与采空区周期来压冒落岩石形成波浪堆砌相关。

4 结论

1)封闭式注氮防灭火技术对长期停工的回采工作面、已封闭采空区发生煤层自燃火灾隐患具有针对性,效果明显。

2)注氮管路出口位置对观测点气体变化在一段时间内有影响,随着注氮量的增加,在经过3个周期的变化后,进、回风闭墙观测点各种气体浓度渐趋稳定。

3)分析观测点曲线变化可知:对封闭的采空区注氮,随着注氮量的增加,在经过3个周期扰动后,可以确认,采空区有煤层自燃隐患即可消除。每个周期注氮量基本等于采空区周期来压步距的空间体积量。

4)在对封闭区间进行注氮各种气体趋于稳定后,由于注氮采空区存在与相邻采空区的导通现象,因此,封闭空间内可能发生气体缓慢泄露、内压逐渐降低的情况,必须进一步观测封闭空间压力、气体浓度变化规律,确保及时采取间隙注氮方式防止煤层自燃现象重复发生。

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ApplicationofClosedNitrogenInjectionTechnologyinFireControl

LIANGWeigong1,FANJunxia2,LIANGZhiyuan3

(1.LvliangCo.,Ltd.,JinnengGroup,Xiaoyi032300,China;2.TaiyuanJiaruixinTechnologyCo.,Ltd.,Taiyuan030000,China;3.CollegeofMiningEngineering,TaiyuanUniversityofTechnology,Taiyuan030021,China)

To control the spontaneous combustion of coal on the long-term shutdown fully-mechanized working face caused by objective factors,the fire control technology with closed nitrogen injection was used on 10103 working face in Jinda Mine.On the analysis of application, the study could provide guidance for the mine prone to the spontaneous combustion,the fire zones in goaf in combustible coal seam,and the long-term shutdown working faces to ensure the safety management in the mining face.

closed nitrogen injection; fine in mines; fire control technology

1672-5050(2017)04-0066-03

10.3919/j.cnki.issn1672-5050sxmt.2017.08.019

2017-06-05

梁卫公(1968-),男,山西永济人,大学本科,工程师,从事一通三防管理工作。

TD752

A

(编辑:薄小玲)