應用三相泡沫技術防治大傾角俯采綜放工作麵煤炭自燃

任萬興1,王德明1,周福寶1,秦波濤1,馬　魁2

(1.中國礦業大學能源與安全工程學院,江蘇徐州221008; 2.鐵法煤業集團大興煤礦,遼寧調兵山112700)摘　要:03manbetx 了大傾角俯采綜放麵采空區防治煤炭自燃的難點,介紹了新型防滅火材料—三相泡沫的組成及其利用黃泥(粉煤灰)的覆蓋性、氮氣的窒息性和水的吸熱降溫特性來進行綜合防滅火的特點,03manbetx 了其良好的堆積性、掛壁性以及在大傾角俯采工作麵的應用中不會發生潰漿的優點。介紹了灌注三相泡沫的工藝流程和主要技術參數,結合在N2703俯采綜放工作麵應用實踐,對比了三相泡沫灌注前後取樣氣體中CO、O2濃度以及采空區溫度的變化結果。現場應用表明三相泡沫防滅火技術性能優越,適用於防治大傾角、俯采綜放工作麵的煤炭自燃災害。

關鍵詞:煤炭自燃;三相泡沫;防滅火;大傾角;俯采

中圖分類號:TD75+2.2　　　文獻標識碼:B　　　文章編號:1003-496X(2006) 02-0011-04

　　煤炭自燃是我國煤礦的主要自然災害之一。為防治煤炭自燃,國內外廣泛采用灌漿、注凝膠、注惰氣等技術。這些技術對保證礦井安全生產起了重要作用,但還存在一些問題:過度的黃泥灌漿會消耗土地資源;水玻璃-銨鹽凝膠會產生有毒有味的氨氣;高分子凝膠成本高;高水材料、泡沫樹脂成本高、工藝複雜;惰氣易隨漏風擴散,不易滯留火區。綜合固、液、氣的滅火性能,中國礦業大學在國內率先研究了三相泡沫防治煤炭自燃的新技術,並研製出相應的裝備,先後在大屯姚橋礦、棗莊柴裏礦及撫順老虎台礦和鐵法大興礦進行了成功的推廣應用。本文介紹采用三相泡沫技術來防治鐵法煤業集團大興礦的大傾角俯采綜放工作麵的煤炭自燃。

1　工作麵簡介及防治煤炭自燃的難點03manbetx 鐵法煤業集團大興煤礦,位於鐵法煤田西南部,東距鐵嶺 40 km ,南距沈陽 110 km 。該礦是1980年國家投資建設,年設計生產能力為380萬t,1990年11月投產,當時為中國東北最大的特大型礦井。該礦目前開采的N2703是傾斜綜放工作麵,位於北二采區中部,工作麵回順長為1 431 m ,運順長為1 411 m ,煤層傾斜寬 160 m ,傾角為15°~25°。煤層以氣煤為主,厚度為5.60~ 9.88 m ,一般煤厚為 7.81 m 。工作麵工業儲量為237.94萬t,設計采出量202.25萬t,整個工作麵設計回采率為85%,采區設計回采率為75.14%。工作麵小斷層構造多,裂隙較發育,漏風較嚴重。煤層屬於易自燃煤層,自然發火期為1~3個月,最短為18 d。由於礦井煤炭自然發火期短,地壓大,且回采方法為大傾角俯采,給防治煤炭自燃帶來極大的困難。該工作麵於 2004年9月22日 開始開采, 9月22日 到 9月30日 ,每日平均推進 1.2 m ,國慶放假停采6d, 10月7日 重新生產,以後每日平均推進 4.2 m 。N2703綜放工作麵采空區於 10月25日起 開始出現大量CO,於26日取樣開始出現C2H4,情況十分危機,此時工作麵推進了90多m,根本不能準確地判斷出高溫火源點的位置。同時N2703工作麵煤層中瓦斯含量較高,在回采過程中工作麵回風隅角易造成瓦斯積聚。瓦斯和煤炭自燃兩大隱患的同時存在,給煤礦安全帶來嚴重威脅。

該工作麵屬於典型的大傾角俯采綜放工作麵,煤炭自燃治理有如下難點:

(1)采用綜采放頂煤技術,冒落高度大、采空區遺留浮煤多,漏風嚴重,為煤炭氧化提供了充足的反應物,采空區煤炭自燃危險性增大。

(2)采空區丟煤自燃供O2條件好,俯采工作麵由於其回采方向是由高向低推采,采空區位於工作麵上部。回采過程中,進入采空區的漏風風流在進風順槽風流速壓、礦井負壓和空氣的自身升騰力作用下,空氣進入采空區的深度較一般水平工作麵或仰采麵要大,且俯采工作麵的采空區不宜積水,空氣幹燥,使采空區內的丟煤容易進行氧化反應。

(3)采空區丟煤自燃積聚熱量條件好,俯采工作麵采空區內的丟煤在氧化過程中生成的熱量在其熱膨脹和上升力的作用下,易於積存在采空區,為煤炭自燃創造了條件。

(4)采空區灌漿措施不易實施,在進行采空區灌漿時,其灌漿量一旦大於采空區承受能力,就會發生泥漿淹麵02manbetx.com 。即使進行采空區灌漿,其泥漿也是隻覆蓋采空區底板小範圍的丟煤,采空區大量的頂板落煤得不到泥漿覆蓋。

(5)該工作麵煤層瓦斯含量大,瓦斯容易在工作麵和回風隅角積聚,采用調風降壓的措施來抑製采空區煤炭自燃的風險較大。

2　三相泡沫防滅火新技術

2.1　三相泡沫的組成及特點防治煤炭自燃的三相泡沫由固態不燃物(粉煤灰或黃泥等)、氣體(N2或空氣)和水三相防滅火介質組成。其形成是在煤灰或黃泥漿液中添加發泡劑並引入氣體,通過物理機械攪拌,形成粉煤灰或黃泥顆粒均勻地附著在氣泡壁上的多相體係,這個多相體係就被稱為三相泡沫。含空氣的三相泡沫利用粉煤灰或黃泥的覆蓋性和水的吸熱降溫性進行防滅火,大大提高了防滅火效率。由於三相泡沫發泡倍數較高,單位體積的泡沫材料成本大幅下降,具有較高的經濟效益。

與現有的防滅火技術及材料相比,含N2的三相泡沫兼有一般注漿方法和惰氣泡沫防滅火的優點。泥漿通過引入N2發泡後形成三相泡沫,體積大幅快速增加,被注入後能充斥整個采空區,因為三相泡沫有很好的堆積性,所以能在采空區中向高處堆積,對低、高處的浮煤都能覆蓋;三相泡沫能將漿水均勻的分散,有較好的掛壁性,有效地避免漿體的流失,保護井下環境,對於傾斜煤層開采更為有效;注入在采空區的N2被封裝在泡沫之中,能較長時間滯留在采空區中,充分發揮氮氣的窒息防滅火功能;三相泡沫中含有粉煤灰或黃泥等固態物質,這些固態物質是三相泡沫麵膜的一部分,可較長時間保持泡沫的穩定性,即使泡沫破碎了,具有一定粘度的粉煤灰或黃泥仍然可較均勻地覆蓋在浮煤上,可持久有效地阻礙煤對O2的吸附,防止煤的氧化,從而防治煤炭自然發火。此外,三相泡沫是一種工藝簡便、安全環保、價格低廉的防滅火材料。

2.2　三相泡沫的發泡機理在粉煤灰(黃泥)漿液中加入發泡劑後,發泡劑一方麵降低了漿液的表麵張力,使之形成泡沫;另一方麵使粉煤灰(黃泥)顆粒由親水性變成疏水性,使之粘附在氣泡壁上。漿液通過發泡器後物理發泡,形成了防滅火三相泡沫。

根據三相泡沫的特點,中國礦業大學專門研究製作了一種適用於形成三相泡沫的發泡器。研究製作的發泡器結構簡單,發泡器無需任何外加動力裝置,僅利用漿體的能量,進入發泡器後,在發泡器與集流器之間的旋轉斜麵上,成為湍流渦流,使氣—液—固充分混合。由於泥漿和氣體具有較高的動能,混合後在低壓區造成了能量過剩,根據熱力學原理,過剩的能量就對三相混合液做功,同時由於發泡劑的存在,形成了大量的具有三相介質的泡沫群體。

再經過被高速泡沫泥漿衝擊的旋轉葉輪的進一步泡沫細化後,形成了均勻致密細膩的三相泡沫。中國礦業大學研製的三相泡沫發泡器已獲得國家發明專利。

3　灌注三相泡沫的工藝及參數鑒於三相泡沫防滅火新技術的優良特點,針對該工作麵複雜的地質條件和煤炭自燃災害的特點,又由於該礦缺少製氮裝備,中國礦業大學首次大膽的提出了用含空氣的三相泡沫防滅火新技術來防治該工作麵的煤炭自燃災害。

工藝流程見圖1。

首先在製漿池中,將一定比例的廢水與黃泥攪拌混合形成黃泥漿體(其中加入圖1　注三相泡沫的工藝流程適當的穩泡劑),漿液經過過濾網流入砂井,在砂井口處,通過發泡劑定量添加泵將發泡劑加入到泥漿中,漿液與發泡劑在重力作用下進入井下注漿管道,它們經過裝在管路中的混合器充分混合後進入發泡器,在發泡器中接入連接空氣壓縮機的空氣管路,空氣與含有發泡劑的黃泥漿體相互作用產生出三相泡沫,形成的三相泡沫在重力的作用下被注入采空區。

結合工藝流程和礦區的實際情況,製定出了灌注三相泡沫的主要技術參數(見表1)。

4 工藝的實施由於N2703工作麵是大傾角俯采,根本不能采 用往采空區打鑽孔灌注三相泡沫的方法,因此經過研究決定采用預埋管注三相泡沫,在回風巷道緊貼煤柱每隔 20 m 預埋一根注漿管,三相泡沫經預埋管被注入采空區。

開始灌注的時候,由於工作麵的傾斜,三相泡沫容易從回風順槽的後三角點噴湧而出。因此於 2005年10月28日 和29日在1#和3#點先注沙來形成一道沙牆。於 2005年10月30日 在2#和4#點大量注三相泡沫,連續注了7 d。采空區和回風巷道的氣體成分采用氣囊取樣、氣相色譜03manbetx 法進行分析。其注漿點和取樣點布置如圖2所示。

5　應用效果分析

如果采用灌注黃泥漿來防治采空區煤炭自燃,一方麵注入采空區的漿體會很快沿傾斜麵以及漿液流動形成的“小溝”流入進風順槽以及正在開采的工作麵,影響正常開采,甚至嚴重惡化井下環境,且會有大量的黃泥漿液被浪費;另一方麵,漿液隻沿溝和裂隙流失,很可能觸及不到火源點,對高位火源點不起作用,達不到防治效果。采用三相泡沫後,可以很好地克服上述問題:三相泡沫能將黃泥漿液均勻的分散開,很好的留在采空區,大麵積覆蓋在浮煤的表麵,能有效的撲滅采空區不確定高溫火源點和高位火源點,防止采空區煤炭自燃。N2703綜放工作麵采空區從 2005年10月30日 到 11月5日 ,連續落注了7 d的三相泡沫,共向采空區落注黃泥約672t,廢水約2 600 t,但是漿液幾乎沒有從采空區流出。

10月5日 上午,從綜放麵支架後麵采空區各個地方的煤體裂隙中看到了三相泡沫擴散出來,說明三相泡沫已經均勻充滿了整個采空區,並進入了煤體的裂隙和漏風通道,有效地包裹了整個采空區低、高處的浮煤,封堵了采空區的煤體裂隙,對采空區內存在的高溫火源點進行了有效的控製和撲滅。

經過連續灌注三相泡沫,從回風巷、1#鑽孔和2#鑽孔取樣的氣體分析(圖3、圖4)可看出, 2005年 10月30日 以後采空區內的O2濃度持續下降,最終長期保持在5%以下,回風巷和采空區CO等標誌性氣體的含量連續下降,同時采空區的溫度不斷的下降(見圖5),C2H4含量也逐漸變為0。因此三相泡沫快速有效地防治了大興礦N2703綜放工作麵采空區的煤炭自燃火災。

6　結　論

本文介紹了三相泡沫防滅火新技術在大傾角俯采綜放工作麵進行防治煤炭自燃的應用情況,通過上述論述可得如下結論:(1)三相泡沫作為1種新型的防滅火材料,適合於綜放工作麵采空區煤炭自燃的防治和大範圍自燃火災的撲滅。三相泡沫在采空區大範圍的覆蓋和堆積,對低、高處浮煤能起到很好的防治效果,靠固體不燃物包裹煤體和封堵裂隙,水吸熱降溫和發泡劑阻化自由基產生和潤濕煤體來防止采空區浮煤自然發火和撲滅煤炭自燃火災。

(2)灌注三相泡沫是一項新的工藝,該工藝具有流量大、工藝簡單、穩定可靠的特點。大流量的三相泡沫注入采空區後能快速地充填並覆蓋不明火源,具有滅火速度快、效率高的優點。同時三相泡沫具有很好的掛壁性,能避免發生潰漿,漿液的大量流失等一般注漿材料的缺點,非常適於大傾角俯采工作麵的火區治理。

(3)三相泡沫技術通過對大興礦的N2703綜放工作麵采空區的不明位置高溫火源點的成功撲滅與治理,保證了該工作麵安全、正常的開采,表明三相泡沫防滅火效果顯著。三相泡沫技術在大興礦N2703俯采綜放工作麵的成功應用,為大傾角俯采工作麵防止煤炭自燃治理提供了新的技術手段。

　　作者簡介:任萬興(1980-),男,河南新鄉人,中國礦業大學在讀碩士研究生,從事通風防滅火、煤炭自燃和安全科學理論方麵的研究。