應(yīng)用三相泡沫技術(shù)防治大傾角俯采綜放工作面煤炭自燃

1、應(yīng)用三相泡沫技術(shù)防治大傾角俯采綜放工作面煤炭自燃任萬興 1,王德明 1,周福寶 1,秦波濤 1,馬魁 2(1.中國礦業(yè)大學(xué)能源與安全工程學(xué)院,江蘇徐州221008;2.鐵法煤業(yè)集團(tuán)大興煤礦 ,遼寧調(diào)兵山 112700)摘 要:分析了大傾角俯采綜放面采空區(qū)防治煤炭自燃的難點(diǎn) ,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?dú)獾闹舷⑿院退奈鼰峤禍靥匦詠磉M(jìn)行綜合防滅火的特點(diǎn) ,分析了其良好的堆積性、掛壁性以及在大傾角俯采工作面的應(yīng)用中不會發(fā)生潰漿的優(yōu)點(diǎn)。介紹了灌注三相泡沫的工藝流程和主要技術(shù)參數(shù) ,結(jié)合在 N2703 俯采綜放工作面應(yīng)用實(shí)踐 ,對比了三相泡沫灌注前后取樣

2、氣體中 CO、O2 濃度以及采空區(qū)溫度的變化結(jié)果。現(xiàn)場應(yīng)用表明三相泡沫防滅火技術(shù)性能優(yōu)越 ,適用于防治大傾角、俯采綜放工作面的煤炭自燃災(zāi)害。關(guān)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(xiàn)標(biāo)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(zāi)害之一。為防治煤炭自燃,國內(nèi)外廣泛采用灌漿、注凝膠、注惰氣等技術(shù)。這些技術(shù)對保證礦井安全生產(chǎn)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(chǎn)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、工藝復(fù)雜 ;惰氣易隨漏風(fēng)

3、擴(kuò)散 ,不易滯留火區(qū)。綜合固、液、氣的滅火性能 ,中國礦業(yè)大學(xué)在國內(nèi)率先研究了三相泡沫防治煤炭自燃的新技術(shù) ,并研制出相應(yīng)的裝備 ,先后在大屯姚橋礦、 棗莊柴里礦及撫順老虎臺礦和鐵法大興礦進(jìn)行了成功的推廣應(yīng)用。本文介紹采用三相泡沫技術(shù)來防治鐵法煤業(yè)集團(tuán)大興礦的大傾角俯采綜放工作面的煤炭自燃。1工作面簡介及防治煤炭自燃的難點(diǎn)分析鐵法煤業(yè)集團(tuán)大興煤礦,位于鐵法煤田西南部 ,東距鐵嶺 40km,南距沈陽 110km。該礦是 1980 年國家投資建設(shè) ,年設(shè)計生產(chǎn)能力為380 萬 t,1990 年 11 月投產(chǎn) ,當(dāng)時為中國東北最大的特大型礦井。該礦目前開采的N2703 是傾斜綜放工作面 ,位于北二采

4、區(qū)中部 ,工作面回順長為1431m,運(yùn)順長為1411m,煤層傾斜寬160m,傾角為 1525。煤層以氣煤為主 ,厚度為 5.60換行 9.88m,一般煤厚為 7.81m。工作面工業(yè)儲量為 237.94 萬 t, 設(shè)計采出量 202.25 萬 t,整個工作面設(shè)計回采率為 85%,采區(qū)設(shè)計回采率為 75.14%。工作面小斷層構(gòu)造多 ,裂隙較發(fā)育 ,漏風(fēng)較嚴(yán)重。煤層屬于易自燃煤層 ,自然發(fā)火期為 13 個月 ,最短為 18d。由于礦井煤炭自然發(fā)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。 該工作面于 2004 年 9月 22 日開始開采 ,9 月 22 日到 9 月

5、30 日,每日平均推進(jìn) 1.2m,國慶放假停采 6d,10 月 7 日重新生產(chǎn) ,以后每日平均推進(jìn) 4.2m。N2703 綜放工作面采空區(qū)于 10 月 25 日起開始出現(xiàn)大量 CO,于 26 日取樣開始出現(xiàn) C2H4,情況十分危機(jī) ,此時工作面推進(jìn)了 90 多 m,根本不能準(zhǔn)確地判斷出高溫火源點(diǎn)的位置。同時 N2703 工作面煤層中瓦斯含量較高 ,在回采過程中工作面回風(fēng)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(yán)重威脅。該工作面屬于典型的大傾角俯采綜放工作面 ,煤炭自燃治理有如下難點(diǎn) :(1)采用綜采放頂煤技術(shù) ,冒落高度大、采空區(qū)遺留浮煤多 ,漏風(fēng)嚴(yán)重 ,為煤炭氧化

6、提供了充足的反應(yīng)物,采空區(qū)煤炭自燃危險性增大。(2)采空區(qū)丟煤自燃供O2 條件好 ,俯采工作面由于其回采方向是由高向低推采 ,采空區(qū)位于工作面上部。 回采過程中 ,進(jìn)入采空區(qū)的漏風(fēng)風(fēng)流在進(jìn)風(fēng)順槽風(fēng)流速壓、礦井負(fù)壓和空氣的自身升騰力作用下,空氣進(jìn)入采空區(qū)的深度較一般水平工作面或仰采面要大,且俯采工作面的采空區(qū)不宜積水 ,空氣干燥 ,使采空區(qū)內(nèi)的丟煤容易進(jìn)行氧化反應(yīng)。(3)采空區(qū)丟煤自燃積聚熱量條件好,俯采工作面采空區(qū)內(nèi)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 ,易于積存在采空區(qū) , 為煤炭自燃創(chuàng)造了條件。(4)采空區(qū)灌漿措施不易實(shí)施 ,在進(jìn)行采空區(qū)灌漿時 ,其灌漿量一旦大于采空區(qū)承

7、受能力 ,就會發(fā)生泥漿淹面事故。 即使進(jìn)行采空區(qū)灌漿 ,其泥漿也是只覆蓋采空區(qū)底板小范圍的丟煤 ,采空區(qū)大量的頂板落煤得不到泥漿覆蓋。(5)該工作面煤層瓦斯含量大,瓦斯容易在工作面和回風(fēng)隅角積聚,采用調(diào)風(fēng)降壓的措施來抑制采空區(qū)煤炭自燃的風(fēng)險較大。三相泡沫防滅火新技術(shù)2.1三相泡沫的組成及特點(diǎn)防治煤炭自燃的三相泡沫由固態(tài)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(zhì)組成。其形成是在煤灰或黃泥漿液中添加發(fā)泡劑并引入氣體,通過物理機(jī)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系,這個多相體系就被稱為三相泡沫。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

8、進(jìn)行防滅火,大大提高了防滅火效率。由于三相泡沫發(fā)泡倍數(shù)較高 ,單位體積的泡沫材料成本大幅下降 ,具有較高的經(jīng)濟(jì)效益。換行 與現(xiàn)有的防滅火技術(shù)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(yōu)點(diǎn)。 泥漿通過引入 N2 發(fā)泡后形成三相泡沫 , 體積大幅快速增加 ,被注入后能充斥整個采空區(qū) ,因?yàn)槿嗯菽泻芎玫亩逊e性 ,所以能在采空區(qū)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(hù)井下環(huán)境 ,對于傾斜煤層開采更為有效 ;注入在采空區(qū)的 N2 被封裝在泡沫之中 ,能較長時間滯留在采空區(qū)中 ,充分發(fā)揮氮?dú)獾闹舷?/p>

9、防滅火功能 ;三相泡沫中含有粉煤灰或黃泥等固態(tài)物質(zhì) ,這些固態(tài)物質(zhì)是三相泡沫面膜的一部分 ,可較長時間保持泡沫的穩(wěn)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(fā)火。此外 , 三相泡沫是一種工藝簡便、安全環(huán)保、價格低廉的防滅火材料。2.2 三相泡沫的發(fā)泡機(jī)理在粉煤灰 (黃泥 )漿液中加入發(fā)泡劑后 ,發(fā)泡劑一方面降低了漿液的表面張力 ,使之形成泡沫 ;另一方面使粉煤灰 (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(fā)泡器后物理發(fā)泡 ,形成了防滅火三相泡沫。根據(jù)三相泡沫的特

10、點(diǎn) ,中國礦業(yè)大學(xué)專門研究制作了一種適用于形成三相泡沫的發(fā)泡器。研究制作的發(fā)泡器結(jié)構(gòu)簡單 ,發(fā)泡器無需任何外加動力裝置 ,僅利用漿體的能量 ,進(jìn)入發(fā)泡器后 ,在發(fā)泡器與集流器之間的旋轉(zhuǎn)斜面上 ,成為湍流渦流 ,使氣 液固充分混合。由于泥漿和氣體具有較高的動能 ,混合后在低壓區(qū)造成了能量過剩 ,根據(jù)熱力學(xué)原理 ,過剩的能量就對三相混合液做功 ,同時由于發(fā)泡劑的存在 ,形成了大量的具有三相介質(zhì)的泡沫群體。再經(jīng)過被高速泡沫泥漿沖擊的旋轉(zhuǎn)葉輪的進(jìn)一步泡沫細(xì)化后 ,形成了均勻致密細(xì)膩的三相泡沫。中國礦業(yè)大學(xué)研制的三相泡沫發(fā)泡器已獲得國家發(fā)明專利。灌注三相泡沫的工藝及參數(shù)鑒于三相泡沫防滅火新技術(shù)的優(yōu)良特點(diǎn)

11、,針對該工作面復(fù)雜的地質(zhì)條件和煤炭自燃災(zāi)害的特點(diǎn) ,又由于該礦缺少制氮裝備 ,中國礦業(yè)大學(xué)首次大膽的提出了用含空氣的三相泡沫防滅火新技術(shù)來防治該工作面的煤炭自燃災(zāi)害。工藝流程見圖 1。首先在制漿池中 ,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(dāng)?shù)姆€(wěn)泡劑 ),漿液經(jīng)過過濾網(wǎng)流入砂井 ,在砂井口處 ,通過發(fā)泡劑定量添加泵將發(fā)泡劑加入到泥漿中 ,漿液與發(fā)泡劑在重力作用下進(jìn)入井下注漿管道 ,它們經(jīng)過裝在管路中的混合器充分混合后進(jìn)入發(fā)泡器 ,在發(fā)泡器中接入連接空氣壓縮機(jī)的空氣管路,空氣與含有發(fā)泡劑的黃泥漿體相互作用產(chǎn)生出三相泡沫 ,形成的三相泡沫在重力的作用下

12、被注入采空區(qū)。結(jié)合工藝流程和礦區(qū)的實(shí)際情況,制定出了灌注三相泡沫的主要技術(shù)參數(shù)(見表 1)。4 工藝的實(shí)施由于 N2703 工作面是大傾角俯采 ,根本不能采用往采空區(qū)打鉆孔灌注三相泡沫的方法 ,因此經(jīng)過研究決定采用預(yù)埋管注三相泡沫 , 在回風(fēng)巷道緊貼煤柱每隔 20m 預(yù)埋一根注漿管 ,三相泡沫經(jīng)預(yù)埋管被注入采空區(qū)。開始灌注的時候 ,由于工作面的傾斜 ,三相泡沫容易從回風(fēng)順槽的后三角點(diǎn)噴涌而出。 因此于 2005 年 10 月 28 日和 29 日在 1#和 3#點(diǎn)先注沙來形成一道沙墻。于 換行 2005 年 10 月 30 日在 2#和 4#點(diǎn)大量注三相泡沫 ,連續(xù)注了 7d。采空區(qū)和回風(fēng)巷道

13、的氣體成分采用氣囊取樣、氣相色譜分析法進(jìn)行分析。其注漿點(diǎn)和取樣點(diǎn)布置如圖 2 所示。應(yīng)用效果分析如果采用灌注黃泥漿來防治采空區(qū)煤炭自燃,一方面注入采空區(qū)的漿體會很快沿傾斜面以及漿液流動形成的“小溝 ”流入進(jìn)風(fēng)順槽以及正在開采的工作面 ,影響正常開采 ,甚至嚴(yán)重惡化井下環(huán)境,且會有大量的黃泥漿液被浪費(fèi) ;另一方面 ,漿液只沿溝和裂隙流失 ,很可能觸及不到火源點(diǎn) , 對高位火源點(diǎn)不起作用 ,達(dá)不到防治效果。 采用三相泡沫后 ,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(qū),大面積覆蓋在浮煤的表面 ,能有效的撲滅采空區(qū)不確定高溫火源點(diǎn)和高位火源點(diǎn) ,防止采空區(qū)煤炭自燃

14、。 N2703 綜放工作面采空區(qū)從 2005年 10 月 30 日到 11 月 5 日,連續(xù)落注了 7d 的三相泡沫 ,共向采空區(qū)落注黃泥約 672t,廢水約 2600t,但是漿液幾乎沒有從采空區(qū)流出。月 5 日上午 ,從綜放面支架后面采空區(qū)各個地方的煤體裂隙中看到了三相泡沫擴(kuò)散出來 ,說明三相泡沫已經(jīng)均勻充滿了整個采空區(qū) ,并進(jìn)入了煤體的裂隙和漏風(fēng)通道 ,有效地包裹了整個采空區(qū)低、高處的浮煤 ,封堵了采空區(qū)的煤體裂隙,對采空區(qū)內(nèi)存在的高溫火源點(diǎn)進(jìn)行了有效的控制和撲滅。經(jīng)過連續(xù)灌注三相泡沫 ,從回風(fēng)巷、1#鉆孔和 2#鉆孔取樣的氣體分析 (圖3、圖 4)可看出 ,2005 年 10 月 30

15、日以后采空區(qū)內(nèi)的O2 濃度持續(xù)下降 ,最終長期保持在5%以下 ,回風(fēng)巷和采空區(qū)CO等標(biāo)志性氣體的含量連續(xù)下降 ,同時采空區(qū)的溫度不斷的下降(見圖5),C2H4 含量也逐漸變?yōu)?。因此三相泡沫快速有效地防治了大興礦N2703綜放工作面采空區(qū)的煤炭自燃火災(zāi)。結(jié) 論換行 本文介紹了三相泡沫防滅火新技術(shù)在大傾角俯采綜放工作面進(jìn)行防治煤炭自燃的應(yīng)用情況 ,通過上述論述可得如下結(jié)論 :(1)三相泡沫作為1 種新型的防滅火材料 ,適合于綜放工作面采空區(qū)煤炭自燃的防治和大范圍自燃火災(zāi)的撲滅。三相泡沫在采空區(qū)大范圍的覆蓋和堆積 ,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(fā)泡劑阻化自由基產(chǎn)生和潤濕煤體來防止采空區(qū)浮煤自然發(fā)火和撲滅煤炭自燃火災(zāi)。(2)灌注三相泡沫是一項(xiàng)新的工藝,該工藝具有流量大、工藝簡單、穩(wěn)定可靠的特點(diǎn)。大流量的三相泡沫注入采空區(qū)后能快速地充填并覆蓋不明火源 ,具有滅火速度快、效率高的優(yōu)點(diǎn)。同時三相泡沫具有很好的掛壁性 ,能避免發(fā)生潰漿