正益煤业火灾监测与防灭火技术研究

2023-09-14王家福

煤 2023年9期

王家福

(山西焦煤集团介休正益煤业有限公司,山西介休 032000)

1 工程概况

正益煤业批准开采2-11号煤层,生产能力6×105t/a,矿区面积1.982 3 km2.矿井利用主斜井、副斜井、回风立井3个井筒开拓全井田。现阶段主采的11号煤层位于太原组下段中部,下距12号煤层1.40～14.57 m,平均6.13 m.11号煤层厚度2.19～3.65 m,平均3.19 m,为井田内稳定可采煤层。煤层顶板为砂质泥岩、泥岩;底板为泥岩、砂质泥岩。正益煤业11号煤层采用长壁式采煤方法,一进一回“U”型通风系统,工作面回采率高、采空区丢煤少,有利于防止煤层自然发火。由于回采的11号煤层存在自燃危险性,必须采取综合防灭火措施,防止煤层自燃。

2 煤层自然发火监测

2.1 自然发火气体确定

2.1.1 取样分析

2020年3月18日,山西省煤炭工业厅综合测试中心技术人员对正益煤业11号煤层按照《GB482-2008煤层煤样采取方法》进行了现场采样经密封储存运送至实验室,并按照《GB474-2008煤样的制备方法》制备出40～80目的500 g实验煤样,进行煤自燃标志气体测试。具体结果如表1所示。

从表1中看出:煤样在35～226 ℃温度范围有规律出现CH4、C2H4、C2H6、C2H2、CO和CO2气体。C2H4、C2H2、CO及CO2气体最低产生温度分别为58.6 ℃、181.3 ℃、35 ℃、35 ℃.

表1 11号煤层煤样升温氧化过程气体产物分析结果单位:×10-6

2.1.2 CO、CO2体积分数随温度变化

统计11号煤层煤样在35～226 ℃间CO、CO2产生量,并分析气体体积分数随温度变化情况,具体如图1所示。

图1 11号煤层CO、CO2体积分数随温度变化趋势图

由图1可知,①在35～226 ℃实验温度区间11号煤层煤样CO、CO2气体发生规律基本一致,CO、CO2体积分数与随煤温的升高不断增加;②在35 ℃时,CO、CO2即开始出现,初始含量较小,但随温度的升高,气体发生体积分数逐渐升高;③在煤温达到58.6 ℃时,CO气体发生体积分数曲线出现拐点,CO气体生成量迅速增加,表明一旦煤体温度大于58.6 ℃后,煤样处于快速氧化阶段。

2.1.3 烷烃体积分数随温度变化

煤氧化过程中,烷烯烃气体组份有CH4、C2H4、C2H6和C2H2,气体体积分数随温度变化情况如图2所示。

图2 烷烃体积分数随温度的变化曲线

由图2可知:

1) 11号煤层实验煤样在35～156 ℃之间,CH4随温度升高,其体积分数变化不大,156 ℃之后快速增大。在实验初期CH4就开始出现,表明采集煤样含残存CH4,随温度的进一步升高,残存瓦斯逐渐解析。

2) 11号煤层煤样在30～156 ℃之间,C2H6随温度升高,其体积分数变化不大,在温度大于156 ℃后发生速度快速加大,但在210 ℃之后其体积分数增加减缓。在实验初期C2H6就开始出现,表明采集煤样含原生C2H6,随温度的进一步升高,原生C2H6逐渐解析。

3) 11号煤层的实验煤样温度在 58.6 ℃时C2H4开始出现,随温度升高,其体积分数逐渐增大,在温度大于120 ℃后发生速度加快。在实验初期35～ 58.6 ℃之间C2H4并未出现,其发生的临界温度点为 58.6 ℃.

4) 11号煤层的实验煤样温度在181.3 ℃时C2H2开始出现,C2H2与其他气体相比,出现较晚,说明当煤温达到181.3 ℃时,煤已经发生剧烈的化学反应。

2.1.4 煤层自然发火标志气体优选

CO是11号煤自然发火的指标气体之一。CO的出现表明煤样开始氧化,CO体积分数越来越高则表明煤样氧化越来越剧烈。

11号煤样的自热临界温度为58 ℃;C2H4是煤层进入加速氧化的标志气体。11号煤层C2H4出现的临界温度分别为 58.6 ℃;只要见到C2H4必须采取切实有效的防灭火措施;C2H2出现标志着煤层局部已发生剧烈氧化反应或可能出现明火。

2.2 监测系统

2.2.1 煤矿安全监控系统

正益煤业已有一套KJ90X煤矿安全监控系统,采用KJ90X煤矿安全监控系统进行火灾监测。

1) CO传感器。回采工作面上隅角、紧急避难硐室、采区回风巷、回采工作面巷道胶带下风侧10 m处、掘进巷道胶带下风侧10 m处、运输巷胶带下风侧10 m处、主井胶带下风侧10 m处等处设置CO传感器。

CO传感器应垂直悬挂,距顶板(顶梁)≤300 mm,距巷壁不得小于200 mm,报警浓度≥0.002 4%.

2) 温度传感器。回采工作面回风巷距回风绕道口10～15 m处或工作面,报警温度30 ℃;主要机电硐室等布置温度传感器,报警温度34 ℃.

3) 烟雾传感器。带式输送机滚筒下风侧10～15 m处设置烟雾传感器。

2.2.2 束管监测系统

正益煤业采用KSS-200煤矿自燃火灾束管监测预报系统,实现井下环境中气体成分监测。具体井下测点布置方案为[1-3]:

1) 在采面回风巷布置束管采样器,实现采面后方采空区内90 m范围监测,测点间距约为30 m,待测点深入到采空区90 m后,可结束此测点观测。

2) 采面封闭后,通过进、回风巷密闭墙以及其他与采空区连接的密闭墙上分别设观测孔布置测点,对采空区气体成分进行监测。

3) 沿工作面回风巷铺设4根单管,进入采空区沿区段煤柱顶端悬挂,并外套PVC管,每个测点均布置1个采样器。

2.2.3 人工检测

根据井下防灭火的需要,在掘进巷道,采面及支架间等位置,重点检查CO、CH4、O2、温度,每班至少检测2次;密闭观测孔、密闭墙四周等地点,每周至少检测1次。

3 防灭火技术

在矿井开采过程确保安全监测监控系统和束管监测系统的正常运行,并辅以人工采样分析,及时掌握煤自燃发展进程,并启动相应的防灭火系统,具体防灭火系统应用条件及使用方法如表2所示[4-6]。

表2 正益煤业防灭火系统的应用条件

3.1 灌浆

由于正益煤业生产集中,灌浆量较大,因此在副斜井工业场地设集中灌浆站。浆站做法:在场地建2个灌浆池,池深4 m,直径2.5 m,池四周采用MU100机砖M75砂浆砌筑,墙体厚度370 mm.灌浆站主要设备和材料投入如表3所示。

表3 灌浆站主要设备及材料

矿井回采的11号煤层属于自燃煤层,在工作面发生异常或工作面遇地质构造推进速度缓慢,推进速度小于0.52 m/d;或因停产时间超过40 d;或人工或束管监测系统检测到采空区有自然发火征兆,通过打钻灌浆和回采密闭后进行闭墙插管灌浆充填,具体方法如下:

1) 打钻灌浆。在工作面回采巷道布置钻场,向采空区打钻,钻孔终孔孔径在89 mm以上钻孔的布置必须能将火源包围,能控制火源的发展,直到工作面恢复正常生产为止。

2) 回采封闭后进行闭墙插管灌浆充填。当工作面回采结束永久封闭后,通过密闭墙预留注浆孔大量向闭后灌注浆液,同时可以起堵漏作用,灌浆量根据采空区自然发火情况确定。

工作面采空区是自然发火最危险的区域,灌浆管路主要针对11号煤采空区铺设。铺设时,管路末端距工作面不得大于50 m.其他地点的灌浆,则根据需要从主管路上分叉连接。

3.2 阻化剂防灭火

煤矿井下常使用的阻化剂有水玻璃(Na2O·nSiO2)、氢氧化钙Ca(OH)2、CaCl2等。水玻璃、氢氧化钙不同程度存在成本高、腐蚀性强等问题,而CaCl2具有来源广、成本低优势,故选用CaCl2作为防灭火阻化剂[7]。根据相邻矿井及本矿防灭火的经验,选用20%摩尔浓度的工业氯化钙(CaCl2)作为阻化剂,其阻化率在60%～80%以上,阻化效果较好。阻化剂喷洒采用BH-40/2.5型煤矿用阻化剂喷射泵,具体技术参数如表4所示。

表4 BH-40/2.5型煤矿用阻化剂喷射泵技术参数

以11-106综采工作面为例,对阻化剂喷洒系统布置情况进行分析,具体喷洒系统工艺图如图3所示。在工作面回风巷设置阻化剂储药箱,按需摩尔浓度(20%)将CaCl2、清水搅拌均匀,通过BH-40/2.5喷射泵、D10 mm、喷枪等进行阻化剂喷洒。正常回采期间每天喷洒1次,安排在检修班进行。11-106工作面单刀推进度为0.6 m,每日6个循环,采面回采期间阻化剂喷洒量如表5所示。