特厚煤層綜放工作面co超越治理技術研究

在煤低溫氧化過程中，主要與氧化反應產生co、co和b2。煤與氧的化學吸附和化學反應隨溫度升高不斷加強,釋放出CH4、C2H6、C3H8、C2H4、C2H2等各種氣體。因此基于氣體濃度分析封閉火區(qū)的燃燒狀態(tài)及預測火區(qū)發(fā)展趨勢具有可行性。著火超過2h,若直接滅火無顯著效果,應立即采取措施實施封閉。通過封閉火區(qū)能夠減少著火帶的供氧,防止火災進一步發(fā)展。注入惰氣是一種較為普遍的礦井防滅火措施,其作用機理是降低火區(qū)空氣中的氧氣濃度和可燃氣體的相對濃度。在均壓氣室注入惰性氣體可以提高火區(qū)封閉性。礦井火區(qū)封閉之后在采取注氮、均壓等措施的同時,其目的是了解何時及如何啟封火區(qū),盡快恢復生產。按照《煤礦安全規(guī)程》,只有同時具備以下條件方能認為火區(qū)熄滅,才能啟封:①火區(qū)空氣溫度降低到30℃以下,或與火災發(fā)生前該區(qū)的日?？諝鉁囟认嗤?②火區(qū)氧氣體積分數下降到5%以下;③火區(qū)空氣中不含有CO,或在封閉期間內CO體積分數逐漸下降,并穩(wěn)定在10×10-6以下。④火區(qū)出水溫度低于25℃,或與火災發(fā)生前該區(qū)的日常出水溫度相同。筆者以柴家溝煤礦ZF42105工作面自燃治理過程為背景,通過封閉火區(qū),并采取煤自燃綜合治理措施(注氮、均壓等措施),結合CO等氣體變化規(guī)律和《煤礦安全規(guī)程》,最終實現對該工作面的安全啟封。1采空區(qū)煤自然生態(tài)系統柴家溝煤礦是神華集團國華能源公司的唯一一座生產煤礦,位于陜西省銅川市西北41km處,核定生產能力100萬t/a,通風方式為中央分列式。該礦為低瓦斯礦井,相對瓦斯涌出量5.64m3/t,絕對瓦斯涌出量3.3m3/min,開采煤層4-2煤層的自然發(fā)火期為3~6個月,最短自然發(fā)火期為36d,屬Ⅰ類容易自燃煤層。ZF42105工作面走向長1045m,傾斜長121m,平均煤厚為7.0m,最厚13.8m,開采方式為綜采放頂煤,采煤機割煤高度為2.6m,平均放煤高度3.5m,開采煤層煤樣自然發(fā)火期36d。綜采放頂煤工藝相對普通綜采工藝來說,采空區(qū)遺煤較多,遺煤厚度極易超過0.4m,極易發(fā)生采空區(qū)煤自燃。2009年10月27日ZF42105工作面推采到803m處,工作面上隅角CO濃度急劇升高,根據束管系統監(jiān)測數據,當日14:00左右,采空區(qū)CO濃度從正常濃度急劇上升,體積分數由120×10-6上升到370×10-6,最高達到2000×10-6。2工作面自然散發(fā),采空區(qū)內部火炬氣自然燃燒柴家溝煤礦ZF42105工作面自燃原因:①該工作面開采的煤層易自燃,最短自然發(fā)火期36d。2009年8月至10月回采區(qū)域內的煤層厚度大,未放頂煤的工作面兩端頭遺留了大量浮煤,具備煤氧化自燃的物質條件;采空區(qū)漏風為兩端頭浮煤氧化自燃提供了良好的漏風供氧環(huán)境;采空區(qū)通風散熱條件差,為煤自燃提供了較好的蓄熱環(huán)境。②發(fā)生CO超限前的3個月工作面推采速度慢,8月推進34m,9月推進39m,10月推進33m,3個月平均推進速度僅為1.2m/d。當綜放工作面推進速度慢時,采空區(qū)溫度按一定的速度升高,采空區(qū)兩端頭遺煤氧化放熱時間長,大幅度縮短了采空區(qū)煤層的自然發(fā)火期。推進速度慢導致三帶邊界變化,自燃帶邊界前移,綜放工作面自然發(fā)火危險性增大,最終導致ZF42105工作面采空區(qū)出現CO超限。由于自燃隱患在采空區(qū)深部,徹底降低該區(qū)域高溫煤體的能量比較困難,通過氣體數據(圖1)發(fā)現,火區(qū)已經發(fā)生燃燒,需要立即進行封閉。為治理火區(qū),對密閉火區(qū)進行注氮和均壓等措施,然后基于束管監(jiān)測數據分析了火區(qū)封閉前后的火區(qū)燃燒狀況,決定是否采取進一步措施。最后依據氣體組分比率判斷了火區(qū)存在復燃的可能性,并結合《煤礦安全規(guī)程》分析火區(qū)啟封可行性。3采用最佳針頭、壓力法和泡沫法進行滅火試驗、效果分析3.1工作面氣體排放治理ZF42105工作面CO超限后,采用采空區(qū)開放式注氮、端頭封堵(10m/次)、端頭注膠、加快推進速度和不放頂煤等措施進行堵漏、隔絕氧氣來控制降低采空區(qū)內高溫點溫度,經過10d的治理,工作面回風流CO氣體基本得到控制,工作面上隅角無明顯氣味、無煙霧,但CO濃度仍處超限范圍。2009年11月6日16:00對該工作面實施臨時封閉,至8日9:15完成密閉,采取了均壓和連續(xù)注氮措施,平均注氮量為380m3/h。封閉前后采空區(qū)的氧氣、氮氣、碳氧化合物和烷烯炔烴濃度以及復合指標變化情況如圖1所示。3.2氣體、復合氣體指標封閉火區(qū)燃燒的狀態(tài)分析是在氣樣可靠性基礎上進行的,其結果對救災人員分析、判斷火區(qū)燃燒情況有著重要參考價值。目前主要基于單一氣體指標(φ(CO),φ(O2),φ(CH4),φ(C2H4),φ(C2H6),φ(C2H2),φ(CO2)和φ(H2)等)和復合氣體指標(φ(CO)/φ(ΔO2),φ(CO)/φ(CO2),φ(C2H6)/φ(CH4),φ(C2H6)/φ(C2H4)等)變化趨勢研究封閉火區(qū)燃燒狀態(tài)。只有準確地把握火區(qū)燃燒狀態(tài)才能做好正確的決策,才能保證火區(qū)安全快速的啟封。3.2.1氣體濃度變化速率氣體濃度的變化速率R為R=lgr1?lgr2t1?t2R=lgr1-lgr2t1-t2式中:t1、t2為分析期間時間的初、末值,s;r1、r2為對應于時間t1、t2的該氣體的體積分數,%。當氣體濃度變化呈減少趨勢時,R為負;氣體濃度變化呈增加趨勢時,R為正。對于封閉火區(qū)火勢狀態(tài)的分析,應首先考察測量氣樣時間范圍內的氣體濃度變化速率。在火區(qū)封閉的前8d:RO2=-0.0053,RN2=0.0008,RCO2=0.04022,RCO=0.0724,RCH4=0.010033543。在整個火區(qū)封閉后9d內:RO2=-0.1189,RN2=0.0027,RCO2=0.0561,RCO=-0.0034,RCH4=0.0866。3.2.2火區(qū)封閉前后低碳排放情況1)在17d內,CH4濃度連續(xù)增加。11月6日前N2變化不大,11月6日后,由于向封閉火區(qū)注入氮氣,使得火區(qū)N2濃度明顯增加。2)在封閉前,RO2=-0.0053,封閉火區(qū)氧氣濃度成下降趨勢。封閉并注氮后RO2=-0.1189,封閉火區(qū)下降速率是未封閉前的20多倍,說明注氮均壓取得一定的防滅火效果。3)煤自燃生成了CO和CO2,在自燃初期RCO2應與RCO相近,并隨自燃強度的增加,RCO>RCO2?；饏^(qū)密閉后RCO2=0.0561,RCO=-0.0034,CO濃度成下降趨勢,二氧化碳濃度繼續(xù)上升,并由圖1b可知,CO2濃度保持穩(wěn)定,CO濃度則不斷下降,在火區(qū)封閉9d后其濃度趨近于2352×10-6,表明自燃得到了一定抑制,但是還需進一步采取措施,使得CO濃度進一步減低,達到《煤礦安全規(guī)程》要求。4)若封閉火區(qū)內火源一直處于燃燒狀態(tài),并且存在起主要影響因素的氧化反應,則RCO<RO2。封閉前,由于氧氣供應充足,CO成正增長,說明火源存在燃燒。在封閉后采取均壓注氮措施后,RCO<RO2,說明火區(qū)火源一直處于燃燒狀態(tài)。所以還需要進一步采取措施,抑制煤燃燒。5)當O2濃度減少速率近似于CO2和CO濃度的增加速率時,火勢存在發(fā)展的跡象,但在本例中一氧化碳和氧氣從火區(qū)封閉開始就處于下降狀態(tài),CO2一直處于上升狀態(tài)(圖1a和圖1b),所以在火區(qū)封閉后,火區(qū)內火勢無惡化趨勢。6)φ(CO)/φ(CO2)隨溫度增加而上升(10月29日至11月2日)直到燃燒火焰出現,在燃燒火焰出現后,氧氣的體積分數不小于5%(11月3日至8日),φ(CO)/φ(CO2)保持恒定。當氧氣的體積分數小于5%(11月8日),φ(CO)/φ(CO2)值迅速減少,由0.25下降到0.0744(圖1d)。7)自燃早期φ(C2H6)/φ(CH4)隨著溫度增加而增加(10月29日到11月3日),在采取注氮等措施前保持穩(wěn)定。在采取注氮措施后,φ(C2H6)/φ(CH4)快速降低,并保持在一定范圍內波動。自燃早期φ(C2H6)/φ(C2H4)隨著溫度增加而快速增加,在11月9日前保持高位震蕩,采取均壓措施后,明顯減低。8)封閉火區(qū)烷烯烴(乙烷、甲烷、乙烯)濃度隨著時間的增加而增加,且在火區(qū)封閉后快速增加,并在后期保持恒定。究其原因,烷烯烴主要受氧氣濃度影響比較大。隨著氧氣濃度變小,烷烯烴在一定時間內成上升趨勢,之后保持穩(wěn)定。C2H2在11月12日和13日出現,由程序升溫試驗的一般情況可知,C2H2一般在200℃以上出現,說明火區(qū)溫度達到200℃以上。通過以上對各種氣體或相關指標變化速率的分析,說明在采取均壓、注氮措施后,按照采空區(qū)面積進行計算確定平均注氮量為380m3/h,在火區(qū)封閉9d后其濃度趨近于2352×10-6,表明火區(qū)自燃得到了一定抑制,但是還需進一步采取措施或繼續(xù)采取該措施,待觀察一段時間后再做決策。4橡膠注射地板、注射橡膠4.1注膠鉆孔施工11月8日對ZF42105工作面臨時封閉后,采取了均壓和連續(xù)注氮措施,平均注氮量為380m3/h,截至12月10日密閉內氧氣體積分數降至1%,進風側、回風側密閉內分別為1.15%和1.06%。CO體積分數下降至10×10-6,表明密閉、均壓和注氮效果良好,采空區(qū)自燃隱患得到了初步控制。因受冬季大氣壓影響,CO最高升至60×10-6。為了使采空區(qū)高溫區(qū)域能夠從根本上得到有效控制,確保安全啟封,先施工注膠巷,后實施采空區(qū)打鉆注膠工程。采用機掘,從軌道下山42106回風側開口,平行工作面進風巷的外側施工注膠巷,至105煤層頂板,施工至工作面架后20m,巷道長度為263m,并在工作面前15m的位置平行于工作面也施工注膠巷,巷道長度為141m。注膠巷道斷面3.0m×4.2m,總長為404m,如圖2所示。設計依據參考《采礦工程設計手冊》。工作面架后鉆孔及終孔位置布置如圖3和圖4所示。從注膠巷向采空區(qū)后施工2類鉆孔,共布置架后鉆孔約50個(深孔25個、淺孔25個),鉆孔總長度約1600m。深孔(A1至A25)鉆孔施工至支架后采空區(qū)8m,距離煤層底板12m,淺孔(B1至B25)鉆孔施工至支架尾梁以后6m,距離煤層底板6m,鉆孔水平間距6m,在上、下端頭附近加密鉆孔,孔距3m。進風側采空區(qū)注膠鉆孔平面布置如圖5所示。其中:高位孔(C1至C3)3個,終孔位置距煤層底板12m,距ZF42105工作面運輸巷外幫6m;低位孔(D1至D3)3個,終孔位置距煤層底板6m,距ZF42105工作面運輸巷外幫1m,總鉆孔工程量約300m。共布置進風側采空區(qū)鉆孔約6個(高位孔3個、低位孔3個),鉆孔總長度約200m。4.2注漿量的確定采空區(qū)進風側的注漿量為480m3;架后采空區(qū)的注漿量為1440m3;考慮1.3倍的富余系數,需注膠充填總體積約2500m3,需高分子膠體滅火劑25t。5封鎖火區(qū)根據啟封后火區(qū)復燃可能性的判斷,采取恢復生產防治復燃措施,于2010年3月16日順利完成對ZF42105工作面的安全啟封。5.1密封后火區(qū)恢復可能性的評估1氣體體積分數最終確定封閉火區(qū)狀態(tài)的氣體組分比率RT的計算式為RT=13φ(CO)Rg?32φ(O2)?12RΤ=13φ(CΟ)Rg-32φ(Ο2)-12式中:φ(CO)為一氧化碳氣體積分數,10-6;φ(O2)為氧氣體積分數,%;Rg=100×。當RT>1時,火區(qū)空氣尚未達到環(huán)境正常溫度;RT≤1時,火區(qū)空氣可能已達到環(huán)境溫度?；饏^(qū)啟封前密閉內氣體成分及封閉火區(qū)復燃可能性判斷如下:火區(qū)內CO體積分數7.8×10-6,火區(qū)內O2體積分數4.5%,剩余氣體體積分數為15%,乙烷體積分數80×10-6,甲烷體積分數0.4%,經過計算,RT=0.0018<1。由此可知火區(qū)空氣可能已達到環(huán)境溫度,且RT穩(wěn)定在1以下并持續(xù)一段時間,所以可認為封閉火區(qū)內的空氣處于平衡狀態(tài)。2運輸巷密閉墻后上堂角氣象及氣體濃度變化施工注膠巷及通過鉆孔注漿后,經過3個多月的觀察,指標性氣體及溫度分析如下:①溫度:工作面封閉以后,各溫度監(jiān)測點的溫度保持穩(wěn)定,ZF42105進風側密閉墻18℃,回風側密閉墻出水溫度20℃;42105運輸巷密閉墻17℃。②氧氣濃度:2009年11月10日采空區(qū)內氧氣體積分數降至2.7%,運輸巷、回風巷密閉內分別為2.6%、4.5%,上隅角氧氣體積分數從2009年12月20日開始下降至3.05%。③乙烯、乙炔氣體:從2009年11月13日至2010年3月7日密閉區(qū)內各監(jiān)測點無C2H4、C2H2等煤自燃標志性氣體。④CO濃度:密閉區(qū)內上隅角CO體積分數從2009年12月30日下降至7.8×10-6。以上4個條件持續(xù)穩(wěn)定至2010年3月7日,穩(wěn)定時間達到1個月以上。不僅表明注氮、注膠和均壓等措施對自燃起到了很好的惰化作用,自燃隱患得到了有效控制,而且ZF42105工作面完全符合啟封條件。5.2工作面推移方式國內多座礦井易自燃綜放工作面在成功啟封后的半年內,由于密閉措施不到位,再次造成CO超限,從而再次封閉工作面,為此該礦采取了以下措施:①ZF42105工作面在恢復生產初期,采取只采不放的推采方式,加快推進速度,確保6m/d的推進速度,盡快使工作面高溫區(qū)進入窒息帶,快速推進距離不小于30m。②回采期間應每隔10m在進風端頭采用黃土墻封堵,并向采空區(qū)進行開放式連續(xù)注氮。③回