鉆孔瓦斯燃燒防治技術(shù)

鉆孔瓦斯燃燒防治技術(shù)李桂云(.平頂山煤業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司 河南 平頂山 )摘要:煤礦井下瓦斯火災(zāi)、爆炸事故一直是困擾著煤礦安全生產(chǎn)的頑疾，本文對煤礦鉆孔瓦斯燃燒開展實驗?zāi)M研究，旨在分析引起鉆孔瓦斯燃燒的主要影響因素，結(jié)合現(xiàn)場，自行設(shè)計了細(xì)水霧滅火噴頭和滅火受限空間，開發(fā)了相應(yīng)于煤礦井下打鉆過程中出現(xiàn)瓦斯燃燒現(xiàn)象的滅火技術(shù)。開展了針對不同水壓下細(xì)水霧抑制撲滅瓦斯燃燒的實驗研究，并確定了在不同水壓條件下，噴頭噴霧特性與水霧抑制瓦斯火焰?zhèn)鞑ゼ皽缁鸬淖罴压r。通過研究，有助于對煤礦井下瓦斯抑燃、抑爆防治技術(shù)的研究與開發(fā)相應(yīng)技術(shù)提供支持，提高煤礦防災(zāi)抗災(zāi)能力。關(guān)鍵詞: 細(xì)水霧，瓦斯燃燒，鉆孔瓦斯，煤礦，層次分析一、總體技術(shù)路線煤礦井下瓦斯火災(zāi)、爆炸事故一直是困擾著煤礦安全生產(chǎn)的頑疾，瓦斯災(zāi)害防治一直是煤礦安全工作的重點，在我國煤礦的重大災(zāi)害事故中70%以上是瓦斯事故。2004年5月30日平煤集團(tuán)十礦在戊9-工作面發(fā)生了一起瓦斯燃燒事故，造成1人死亡，15人受傷，產(chǎn)生損失巨大。在該礦區(qū)，所有煤層硬度較低，遇水即產(chǎn)生較嚴(yán)重的吸水現(xiàn)象。在打鉆過程中，若用濕式打鉆方式，則會造成嚴(yán)重的排渣不暢、“抱鉆”、阻力大等問題。因此，在實際打鉆過程中，一般采用干式打鉆工藝。然而，干式打鉆過程中，由于鉆桿與煤層摩擦，鉆孔內(nèi)溫度很高(一般超過瓦斯燃點)，極易導(dǎo)致瓦斯燃燒問題。特別是退鉆時，鉆孔內(nèi)瓦斯量大，此時若有空氣(氧氣)供給，發(fā)生瓦斯燃燒的可能性極大。總體技術(shù)路線如圖1所示。資料調(diào)研實驗室實驗采集煤樣瓦斯燃燒影響因素確定各因素對瓦斯燃燒影響程度的層次分析防止瓦斯燃燒的技術(shù)工藝設(shè)計工作面防止瓦斯燃燒實驗室試驗確定最佳的防止工作面瓦斯燃燒綜合措施 圖1 總體技術(shù)路線首先對煤礦鉆孔瓦斯燃燒開展實驗?zāi)M研究，旨在分析引起鉆孔瓦斯燃燒的主要影響因素，結(jié)合現(xiàn)場，自行設(shè)計了細(xì)水霧滅火噴頭和滅火受限空間，開發(fā)了相應(yīng)于煤礦井下打鉆過程中出現(xiàn)瓦斯燃燒現(xiàn)象的滅火技術(shù)。開展了針對不同水壓下細(xì)水霧抑制撲滅瓦斯燃燒的實驗研究，并確定了在不同水壓條件下，噴頭噴霧特性與水霧抑制瓦斯火焰?zhèn)鞑ゼ皽缁鸬淖罴压r。通過研究，有助于對煤礦井下瓦斯抑燃、抑爆防治技術(shù)的研究與開發(fā)相應(yīng)技術(shù)提供支持，提高煤礦防災(zāi)抗災(zāi)能力。二、實驗研究為了開展實驗研究工作，采集了平煤集團(tuán)所屬礦的丁、戊、己、庚組煤，進(jìn)行煤粉最低點燃溫度、瓦斯燃燒最低濃度測定，工業(yè)分析及自燃傾向性鑒定。從煤粉最低點燃溫度測試結(jié)果可以看出，丁、戊、己、庚組煤的煤粉最低點燃溫度分別為315、343、322、337，總體差別不大，但十礦丁組煤最低、八礦戊組煤最高。由此可見，在丁組煤打瓦斯抽放鉆孔時，更應(yīng)注意相應(yīng)的安全防范措施。對濃度值分別為6.0%、5.3%、4.8%、4.3%、3.8%、3.3%、3.0%瓦斯混合氣體進(jìn)行燃燒實驗，根據(jù)火焰?zhèn)鞑ニ俣?、火焰外層穩(wěn)定性、混合氣內(nèi)有無擴(kuò)散燃燒現(xiàn)象等因素，確定瓦斯燃燒的最低濃度為3.3%。表1 瓦斯最低燃燒濃度測試結(jié)果瓦斯?jié)舛?%)火焰?zhèn)鞑デ闆r6.0點火后混合氣體產(chǎn)生爆炸，火焰 (以爆炸球的形式) 傳播極快。5.3點火后混合氣體產(chǎn)生燃燒，但火焰?zhèn)鞑ポ^慢。4.8點火后混合氣體產(chǎn)生燃燒，但僅在點火火焰外層處有穩(wěn)定的燃燒層，混合氣體內(nèi)無擴(kuò)散燃燒現(xiàn)象。4.3點火后混合氣體產(chǎn)生燃燒，但僅在點火火焰外層處有穩(wěn)定的燃燒層，混合氣體內(nèi)無擴(kuò)散燃燒現(xiàn)象。3.8點火后混合氣體產(chǎn)生燃燒，但僅在點火火焰外層處有不穩(wěn)定的燃燒層，混合氣體內(nèi)無擴(kuò)散燃燒現(xiàn)象。3.3點火后混合氣體產(chǎn)生燃燒，但僅在點火火焰外層處有極不穩(wěn)定的燃燒層，混合氣體內(nèi)無擴(kuò)散燃燒現(xiàn)象。3.0點火后混合氣不產(chǎn)生燃燒。根據(jù)采集的4個煤樣工業(yè)分析及自燃傾向性鑒定結(jié)果表明：可燃揮發(fā)分為20.630-29.13%，全水分1.005-2.880%、灰分19.045-30.085%、全硫0.37-0.52%、吸氧量0.41-0.58cm3/g，從中可以看出，4個煤樣的化學(xué)構(gòu)成對燃燒有一定的影響，特別是可燃揮發(fā)分、含硫量等因素。根據(jù)典型溫度下，煤樣中易燃成分的分解變化趨勢（量）分析，當(dāng)溫度達(dá)到300時，煤樣中會大量產(chǎn)生CO、CH4、C2H4，這些氣體可燃性極強(qiáng)，對煤粉燃燒具有較強(qiáng)的促進(jìn)作用。此外，4個煤樣實驗的煤粉最低點燃溫度為315-343，顯然易燃成分的分解對煤粉燃燒具有“共振”作用。瓦斯燃燒的發(fā)生受多種因素的影響，而且這些因素往往是不明確的，具有一定的模糊性。在對鉆孔瓦斯燃燒危險性因素進(jìn)行模糊綜合評價時，需要考慮每一個因素對鉆孔瓦斯燃燒的影響程度。首先對防止鉆孔瓦斯燃燒建立了一套評價指標(biāo)體系，利用層次分析法對所建立的評價指標(biāo)進(jìn)行了系統(tǒng)的分析和計算，求解了各評價指標(biāo)的具體權(quán)值。所建立的層次模型指標(biāo)為：煤層地質(zhì)、頂板周期來壓規(guī)律、煤層厚度變化規(guī)律、工作面推進(jìn)速度、煤的硬度、煤層瓦斯含量、采煤方法、合理的配風(fēng)量、煤質(zhì)、優(yōu)化采區(qū)布置方式、機(jī)械沖擊與摩擦、鉆孔施工工藝、煤自燃性、明火產(chǎn)生源。經(jīng)對這14個防止鉆孔瓦斯燃燒評價指標(biāo)進(jìn)行了綜合的評定，結(jié)果表明：鉆孔施工工藝、合理的配風(fēng)量、煤層瓦斯含量是防止鉆孔瓦斯燃燒中優(yōu)先考慮的影響因素。圖2 防止鉆孔瓦斯燃燒評價指標(biāo)體系結(jié)構(gòu)模型當(dāng)然，影響鉆孔瓦斯燃燒還有許多其它不確定性因素，項目研究中只選擇了一些有代表性的影響因素進(jìn)行了分析。從評價的結(jié)果來看，得出的結(jié)論符合實際情況，說明所建立的指標(biāo)體系是合理，符合實際的，能為防止鉆孔瓦斯燃燒提供可靠的依據(jù)。根據(jù)分析結(jié)果，對鉆孔施工工藝的鉆具進(jìn)行溫度場模擬研究，分析鉆具在打鉆過程中產(chǎn)生的高溫區(qū)及可能引燃瓦斯點。從模擬的結(jié)果可見，鉆具在正常工況下，其產(chǎn)生的最高溫度值并不大，特別是在低轉(zhuǎn)速、小功率時，鉆進(jìn)過程中鉆具產(chǎn)生的最高溫度，并不足以點燃瓦斯引起火災(zāi)。而鉆具在非正常工況下，將產(chǎn)生較高溫度值，可以點燃瓦斯引起火災(zāi)。圖3 非正常工作情況下鉆孔橫剖面圖圖4非正常工作情況下鉆孔縱剖面圖圖5 輸入功率為8kw時鉆具的溫度場圖6 輸入功率為10kw時鉆具的溫度場圖7 輸入功率為15kw時鉆具的溫度場三、瓦斯抽放鉆孔瓦斯燃燒的治理方案瓦斯抽放鉆孔在成孔的過程中，鉆具不可避免的要出現(xiàn)高溫區(qū)域。在正常工作情況下的數(shù)值模擬結(jié)果顯示，鉆具的高溫區(qū)域在鉆頭處，如果鉆孔內(nèi)的瓦斯含量達(dá)到燃燒濃度，鉆頭的高溫足以點燃瓦斯，引起火災(zāi)，但在打鉆過程中，往往出現(xiàn)鉆孔內(nèi)瓦斯含量已達(dá)到燃燒濃度，但并未燃燒的情況，這是因為鉆頭高溫部被煤屑所包圍，高溫區(qū)附近氧氣含量低的緣故。瓦斯抽放鉆孔在成孔過程中，隨時都有發(fā)生鉆孔起火的可能，但要出現(xiàn)火災(zāi)，須滿足三個條件，第一是鉆頭或鉆桿要達(dá)到點火的溫度，第二是鉆孔內(nèi)的瓦斯含量要達(dá)到燃燒的濃度，第三是鉆孔內(nèi)的含氧量要達(dá)到一定的程度。對于瓦斯抽放鉆孔的濕式打鉆工藝，由于一、三兩個條件的限制，發(fā)生火災(zāi)的可能性往往較小，但對于平煤集團(tuán)目前使用的液壓鉆機(jī)，由于采用的是干式打鉆工藝，且使用中空鉆桿高壓空氣排屑，故具備了鉆孔起火的基本條件。通過對目前國內(nèi)外現(xiàn)有關(guān)滅火技術(shù)和滅火方法的研究比較，傳統(tǒng)的滅火技術(shù)和滅火方法均不適合該地區(qū)井下瓦斯抽放鉆孔的防滅火，故最終采用了目前比較先進(jìn)的細(xì)水霧技術(shù)，對瓦斯抽放鉆孔進(jìn)行滅火、降塵綜合治理。 圖8 細(xì)水霧噴頭設(shè)計圖根據(jù)滅火時所設(shè)計的滅火系統(tǒng)應(yīng)具有的捕塵、滅火效果要求，設(shè)計了滅火受限空間。圖9 除塵滅火受限空間結(jié)構(gòu)圖四、防止鉆孔瓦斯燃燒實驗根據(jù)實驗結(jié)果，考察有關(guān)滅火方案、滅火技術(shù)的可靠性，在實驗室開展有關(guān)防治鉆孔瓦斯燃燒的實驗。為了模擬瓦斯抽放鉆孔火災(zāi)及滅火過程，并考慮實際工況條件下火災(zāi)規(guī)模的限定、控制和便于撲滅，設(shè)計加工了如圖10所示的實驗系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以模擬瓦斯抽放鉆孔起火及滅火的全過程。圖10 滅火實驗系統(tǒng)構(gòu)成框圖在設(shè)計開發(fā)適應(yīng)于煤礦井下打鉆過程中出現(xiàn)瓦斯燃燒的細(xì)水霧噴頭及滅火受限空間實驗系統(tǒng)中，利用激光多譜勒三維粒子測試系統(tǒng)(LOV/APV)對自行設(shè)計的噴頭水霧特性參數(shù)進(jìn)行了測定，對不同水壓條件下，水霧抑制氣體爆炸火焰?zhèn)鞑サ倪^程、機(jī)理進(jìn)行了分析探討。表2 滅火試驗數(shù)據(jù)記錄表噴嘴編號水霧壓力（MPa）霧場參數(shù)（SMD）滅火時間（s）1.2126.9212.41.6104.859.12.088.676.81.2110.2311.01.691.258.72.069.726.61.2106.3910.51.688.718.12.066.566.31.295.489.31.676.217.22.058.635.8通過實驗研究，發(fā)現(xiàn)了一定條件細(xì)水霧作用下的瓦斯燃燒火焰?zhèn)鞑ゼ盎鹧骊嚸胬斓默F(xiàn)象，實驗結(jié)果表明:（1）水霧對瓦斯燃燒火焰?zhèn)鞑サ囊种剖怯捎谒F的吸熱降溫和隔氧窒息作用的結(jié)果，同時起到很好的除塵作用。（2）在實驗條件下，當(dāng)液滴直徑范圍在150300m內(nèi)、水霧區(qū)長度不小于250cm時，對傳播速度在30m/s以下的低速傳播火焰可以達(dá)到很好的抑制效果。（3）在不同水霧通量條件下，預(yù)混氣體火焰陣面發(fā)光區(qū)呈現(xiàn)出不同的發(fā)光特性：當(dāng)霧區(qū)內(nèi)水霧通量不足時，與水霧相互作用的火焰陣面發(fā)光呈亮紅色；當(dāng)霧區(qū)水霧通量充足時，火焰陣面呈暗紅色，傳播火焰很快被抑制。（4）利用研究設(shè)計的號噴頭，對于到達(dá)水霧區(qū)時火焰?zhèn)鞑ニ俣仍?0m/s左右的氣體傳播火焰具有很好的抑制效果，在噴霧工作壓力為1.6MPa時，實際霧區(qū)長度最小為700mm時，6s就可以將類似的低速傳播火焰完全熄滅?？梢娂?xì)水霧對防治鉆孔瓦斯燃燒起到很好的撲滅效果，同時它對抑制火焰?zhèn)鞑ヅc水霧霧通量、霧區(qū)濃度、水霧區(qū)長度以及火焰到達(dá)水霧區(qū)的傳播速度也有很大的關(guān)系。參考文獻(xiàn)：1 中國礦業(yè)聯(lián)合會.瓦斯利用率低是礦井瓦斯爆炸內(nèi)因.中國礦業(yè)，2001(11):92 國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理局.國家煤礦安全監(jiān)察局.國家安全生產(chǎn)科技發(fā)展規(guī)劃煤礦領(lǐng)域研究報告(20042010)，2003(12):1-103 李景余.工作面局部瓦斯燃燒爆炸事故淺析及對策J.煤礦安全，1996(1):24-284 江長青.煤層鉆孔瓦斯涌出量的測定J.中州煤炭,1997(2):41-425 李榮強(qiáng).殘采工作面瓦斯燃燒事故分析及問題的探討J.煤礦安全，1998(3) :40-426 傅維鏡、張永廉.燃燒學(xué)M.北京：高等教育出版社，19897 范維澄、萬躍鵬.流動及燃燒的模型與計算M.合肥：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社，19928 王 凱、俞啟香、蔣承林.鉆孔瓦斯動態(tài)涌出的數(shù)值模擬研究J.煤炭學(xué)報,2001. 26(3):279-2859 余明高.我國煤礦防滅火技術(shù)的最新發(fā)展及應(yīng)用J.礦業(yè)安全與環(huán)保.2000,27(1):21-2310 許樹柏.層次分析法原理M.天津大學(xué)出版社199811 汪應(yīng)洛.系統(tǒng)工程M.機(jī)械工業(yè)出版社，200212 王顯政、楊富、朱鳳山等.煤礦安全新技術(shù)M.煤炭工業(yè)出版社，200213 張鐵崗、張建國.十礦高位鉆孔瓦斯抽放參數(shù)優(yōu)化J.煤炭科學(xué)技術(shù)，1994,27(4)20-2214 張鐵崗、張建國.十礦戊、己組煤層高位鉆孔瓦斯抽放參數(shù)優(yōu)化研究J.平頂山煤炭，1999，47-5015 魏風(fēng)清、張建國、程偉.平頂山十礦戊9-10煤層掘進(jìn)工作面突出預(yù)測指標(biāo)初探J.煤礦安全，2003,34(8)16 王金山、謝家平.系統(tǒng)工程基礎(chǔ)與應(yīng)用M.地質(zhì)出版社，199617 魏 兵、張興水、趙遷貴.線性代數(shù)(第二版)M.中國礦業(yè)大學(xué)出版社，199918 余明高, 黃繼銘.謝橋煤礦火區(qū)啟封及撤架的防滅火技術(shù)J, 煤礦安全. 2000, 31(10). 10-12 19 程新明、盧英俊,復(fù)雜地質(zhì)條件下回采工作面高位鉆孔瓦斯抽放J.煤礦安全，2002(3):28-2920 Chi D N, Perlee H I. Numerical simulation of flame-induced aerodynamics in a coal-mine passageway semi-empirical model. Bumines RI-8016,197521 余明高,王清安等,煤層自然發(fā)火期預(yù)測的研究J.中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報，2001.30(4). 84-387 22 張鐵崗.礦井瓦斯綜合治理技術(shù)M.北京:煤炭工業(yè)出版社，200123 夏孝明，顏士華.論工作面內(nèi)因火災(zāi)的防治重點與對策J.煤炭工程師，1997(6)24 仇性啟、王宗明、毛 羽.重整爐瓦斯燃燒器火焰長度數(shù)值研究J.石油化工設(shè)備，2001，30(1)25 林柏泉，張仁貴，呂恒宏.瓦斯爆炸過程中火焰?zhèn)鞑ヒ?guī)律及其加速機(jī)理的研究J.煤炭學(xué)報，1999,24(1):56-59.26 李國君、孫世和.均壓法在已封閉火區(qū)中的應(yīng)用J.煤礦安全，1998(2):19-2127 胡千庭、余明高.淮南礦區(qū)防滅火技術(shù)的研究(階段報告)D.淮南礦業(yè)集團(tuán)公司、煤炭科學(xué)研究總院重慶分院科學(xué)研究報告，199928 彭本信.國外煤礦防火技術(shù)現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢J.煤礦安全，1985(8)29 楊 琦.高壓細(xì)水霧滅火系統(tǒng)技術(shù)J.消防技術(shù)與產(chǎn)品信息，2003(10):11-1430 陸守香，何杰，于春紅，秦友花.水抑制瓦斯爆炸的機(jī)理研究J.煤炭學(xué)報, 1998,23(4):417-42131 張瑞宏、戴國筠、周曉軍.預(yù)混式氣力噴霧系統(tǒng)噴頭試驗及結(jié)構(gòu)優(yōu)化J.揚(yáng)州大學(xué)學(xué)報，2004,7(4)32 Pickles J H.A model for coal dust duct explosions. Comb Flame, 1982, 44:153-16833 BinYao, WeichengFan, GuangxuanLiao. Interaction of water mist with a difusion flame in a confined space. Fire Safety Journal 1999(33): 129-13934 Thomas GO., Jones A., Edwards D.H. Influence of water sprays on explosion development in fuel-air mixturesJ. Combust Sci Technology. 1991,(80):4735 劉江虹，廖光煊，范維澄.細(xì)水霧滅火技術(shù)及其應(yīng)用J.火災(zāi)科學(xué),2001,10(1):35-3836 Kees van Wingerden, Brian Wilkins, Geir Pedersen, The influence of water sprays. gas explosions, Part2: mitigation. Loss Prev. Process Ind, 1995,8(2):61-62.37 Moen,I .O. onato, Babkin. Flame Acceleration due to Turbulence Produced by Obstacles. Combustion and flame,1980(39):21-32.