特厚煤層綜放工作面co超越治理技術(shù)研究

特厚煤層綜放工作面co超越治理技術(shù)研究

在煤低溫氧化過(guò)程中，主要與氧化反應(yīng)產(chǎn)生co、co和b2。煤與氧的化學(xué)吸附和化學(xué)反應(yīng)隨溫度升高不斷加強(qiáng),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(yù)測(cè)火區(qū)發(fā)展趨勢(shì)具有可行性。著火超過(guò)2h,若直接滅火無(wú)顯著效果,應(yīng)立即采取措施實(shí)施封閉。通過(guò)封閉火區(qū)能夠減少著火帶的供氧,防止火災(zāi)進(jìn)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(jī)理是降低火區(qū)空氣中的氧氣濃度和可燃?xì)怏w的相對(duì)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(shí),其目的是了解何時(shí)及如何啟封火區(qū),盡快恢復(fù)生產(chǎn)。按照《煤礦安全規(guī)程》,只有同時(shí)具備以下條件方能認(rèn)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(zāi)發(fā)生前該區(qū)的日?？諝鉁囟认嗤?②火區(qū)氧氣體積分?jǐn)?shù)下降到5%以下;③火區(qū)空氣中不含有CO,或在封閉期間內(nèi)CO體積分?jǐn)?shù)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(zāi)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(guò)程為背景,通過(guò)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(jié)合CO等氣體變化規(guī)律和《煤礦安全規(guī)程》,最終實(shí)現(xiàn)對(duì)該工作面的安全啟封。1采空區(qū)煤自然生態(tài)系統(tǒng)柴家溝煤礦是神華集團(tuán)國(guó)華能源公司的唯一一座生產(chǎn)煤礦,位于陜西省銅川市西北41km處,核定生產(chǎn)能力100萬(wàn)t/a,通風(fēng)方式為中央分列式。該礦為低瓦斯礦井,相對(duì)瓦斯涌出量5.64m3/t,絕對(duì)瓦斯涌出量3.3m3/min,開(kāi)采煤層4-2煤層的自然發(fā)火期為3~6個(gè)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(zhǎng)1045m,傾斜長(zhǎng)121m,平均煤厚為7.0m,最厚13.8m,開(kāi)采方式為綜采放頂煤,采煤機(jī)割煤高度為2.6m,平均放煤高度3.5m,開(kāi)采煤層煤樣自然發(fā)火期36d。綜采放頂煤工藝相對(duì)普通綜采工藝來(lái)說(shuō),采空區(qū)遺煤較多,遺煤厚度極易超過(guò)0.4m,極易發(fā)生采空區(qū)煤自燃。2009年10月27日Z(yǔ)F42105工作面推采到803m處,工作面上隅角CO濃度急劇升高,根據(jù)束管系統(tǒng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),當(dāng)日14:00左右,采空區(qū)CO濃度從正常濃度急劇上升,體積分?jǐn)?shù)由120×10-6上升到370×10-6,最高達(dá)到2000×10-6。2工作面自然散發(fā),采空區(qū)內(nèi)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(kāi)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(nèi)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(zhì)條件;采空區(qū)漏風(fēng)為兩端頭浮煤氧化自燃提供了良好的漏風(fēng)供氧環(huán)境;采空區(qū)通風(fēng)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(gè)月工作面推采速度慢,8月推進(jìn)34m,9月推進(jìn)39m,10月推進(jìn)33m,3個(gè)月平均推進(jìn)速度僅為1.2m/d。當(dāng)綜放工作面推進(jìn)速度慢時(shí),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(shí)間長(zhǎng),大幅度縮短了采空區(qū)煤層的自然發(fā)火期。推進(jìn)速度慢導(dǎo)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(xiǎn)性增大,最終導(dǎo)致ZF42105工作面采空區(qū)出現(xiàn)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(guò)氣體數(shù)據(jù)(圖1)發(fā)現(xiàn),火區(qū)已經(jīng)發(fā)生燃燒,需要立即進(jìn)行封閉。為治理火區(qū),對(duì)密閉火區(qū)進(jìn)行注氮和均壓等措施,然后基于束管監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)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(jìn)一步措施。最后依據(jù)氣體組分比率判斷了火區(qū)存在復(fù)燃的可能性,并結(jié)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(jìn)行滅火試驗(yàn)、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(kāi)放式注氮、端頭封堵(10m/次)、端頭注膠、加快推進(jìn)速度和不放頂煤等措施進(jìn)行堵漏、隔絕氧氣來(lái)控制降低采空區(qū)內(nèi)高溫點(diǎn)溫度,經(jīng)過(guò)10d的治理,工作面回風(fēng)流CO氣體基本得到控制,工作面上隅角無(wú)明顯氣味、無(wú)煙霧,但CO濃度仍處超限范圍。2009年11月6日16:00對(duì)該工作面實(shí)施臨時(shí)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?dú)?、碳氧化合物和烷烯炔烴濃度以及復(fù)合指標(biāo)變化情況如圖1所示。3.2氣體、復(fù)合氣體指標(biāo)封閉火區(qū)燃燒的狀態(tài)分析是在氣樣可靠性基礎(chǔ)上進(jìn)行的,其結(jié)果對(duì)救災(zāi)人員分析、判斷火區(qū)燃燒情況有著重要參考價(jià)值。目前主要基于單一氣體指標(biāo)(φ(CO),φ(O2),φ(CH4),φ(C2H4),φ(C2H6),φ(C2H2),φ(CO2)和φ(H2)等)和復(fù)合氣體指標(biāo)(φ(CO)/φ(ΔO2),φ(CO)/φ(CO2),φ(C2H6)/φ(CH4),φ(C2H6)/φ(C2H4)等)變化趨勢(shì)研究封閉火區(qū)燃燒狀態(tài)。只有準(zhǔn)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(shí)間的初、末值,s;r1、r2為對(duì)應(yīng)于時(shí)間t1、t2的該氣體的體積分?jǐn)?shù),%。當(dāng)氣體濃度變化呈減少趨勢(shì)時(shí),R為負(fù);氣體濃度變化呈增加趨勢(shì)時(shí),R為正。對(duì)于封閉火區(qū)火勢(shì)狀態(tài)的分析,應(yīng)首先考察測(cè)量氣樣時(shí)間范圍內(nèi)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(gè)火區(qū)封閉后9d內(nèi):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(nèi),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?dú)?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(shì)。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(shuō)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(yīng)與RCO相近,并隨自燃強(qiáng)度的增加,RCO>RCO2。火區(qū)密閉后RCO2=0.0561,RCO=-0.0034,CO濃度成下降趨勢(shì),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(jìn)一步采取措施,使得CO濃度進(jìn)一步減低,達(dá)到《煤礦安全規(guī)程》要求。4)若封閉火區(qū)內(nèi)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(yīng),則RCO<RO2。封閉前,由于氧氣供應(yīng)充足,CO成正增長(zhǎng),說(shuō)明火源存在燃燒。在封閉后采取均壓注氮措施后,RCO<RO2,說(shuō)明火區(qū)火源一直處于燃燒狀態(tài)。所以還需要進(jìn)一步采取措施,抑制煤燃燒。5)當(dāng)O2濃度減少速率近似于CO2和CO濃度的增加速率時(shí),火勢(shì)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(kāi)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(nèi)火勢(shì)無(wú)惡化趨勢(shì)。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(xiàn),在燃燒火焰出現(xiàn)后,氧氣的體積分?jǐn)?shù)不小于5%(11月3日至8日),φ(CO)/φ(CO2)保持恒定。當(dāng)氧氣的體積分?jǐn)?shù)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(nèi)波動(dòng)。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(shí)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(shí)間內(nèi)成上升趨勢(shì),之后保持穩(wěn)定。C2H2在11月12日和13日出現(xiàn),由程序升溫試驗(yàn)的一般情況可知,C2H2一般在200℃以上出現(xiàn),說(shuō)明火區(qū)溫度達(dá)到200℃以上。通過(guò)以上對(duì)各種氣體或相關(guān)指標(biāo)變化速率的分析,說(shuō)明在采取均壓、注氮措施后,按照采空區(qū)面積進(jìn)行計(jì)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(jìn)一步采取措施或繼續(xù)采取該措施,待觀察一段時(shí)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(duì)ZF42105工作面臨時(shí)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(nèi)氧氣體積分?jǐn)?shù)降至1%,進(jìn)風(fēng)側(cè)、回風(fēng)側(cè)密閉內(nèi)分別為1.15%和1.06%。CO體積分?jǐn)?shù)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(shí)施采空區(qū)打鉆注膠工程。采用機(jī)掘,從軌道下山42106回風(fēng)側(cè)開(kāi)口,平行工作面進(jìn)風(fēng)巷的外側(cè)施工注膠巷,至105煤層頂板,施工至工作面架后20m,巷道長(zhǎng)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(zhǎng)度為141m。注膠巷道斷面3.0m×4.2m,總長(zhǎng)為404m,如圖2所示。設(shè)計(jì)依據(jù)參考《采礦工程設(shè)計(jì)手冊(cè)》。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(gè)(深孔25個(gè)、淺孔25個(gè)),鉆孔總長(zhǎng)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(jìn)風(fēng)側(cè)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(gè),終孔位置距煤層底板12m,距ZF42105工作面運(yùn)輸巷外幫6m;低位孔(D1至D3)3個(gè),終孔位置距煤層底板6m,距ZF42105工作面運(yùn)輸巷外幫1m,總鉆孔工程量約300m。共布置進(jìn)風(fēng)側(cè)采空區(qū)鉆孔約6個(gè)(高位孔3個(gè)、低位孔3個(gè)),鉆孔總長(zhǎng)度約200m。4.2注漿量的確定采空區(qū)進(jìn)風(fēng)側(cè)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(shù),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(jù)啟封后火區(qū)復(fù)燃可能性的判斷,采取恢復(fù)生產(chǎn)防治復(fù)燃措施,于2010年3月16日順利完成對(duì)ZF42105工作面的安全啟封。5.1密封后火區(qū)恢復(fù)可能性的評(píng)估1氣體體積分?jǐn)?shù)最終確定封閉火區(qū)狀態(tài)的氣體組分比率RT的計(jì)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?xì)怏w積分?jǐn)?shù),10-6;φ(O2)為氧氣體積分?jǐn)?shù),%;Rg=100×。當(dāng)RT>1時(shí),火區(qū)空氣尚未達(dá)到環(huán)境正常溫度;RT≤1時(shí),火區(qū)空氣可能已達(dá)到環(huán)境溫度?；饏^(qū)啟封前密閉內(nèi)氣體成分及封閉火區(qū)復(fù)燃可能性判斷如下:火區(qū)內(nèi)CO體積分?jǐn)?shù)7.8×10-6,火區(qū)內(nèi)O2體積分?jǐn)?shù)4.5%,剩余氣體體積分?jǐn)?shù)為15%,乙烷體積分?jǐn)?shù)80×10-6,甲烷體積分?jǐn)?shù)0.4%,經(jīng)過(guò)計(jì)算,RT=0.0018<1。由此可知火區(qū)空氣可能已達(dá)到環(huán)境溫度,且RT穩(wěn)定在1以下并持續(xù)一段時(shí)間,所以可認(rèn)為封閉火區(qū)內(nèi)的空氣處于平衡狀態(tài)。2運(yùn)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(guò)鉆孔注漿后,經(jīng)過(guò)3個(gè)多月的觀察,指標(biāo)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(cè)點(diǎn)的溫度保持穩(wěn)定,ZF42105進(jìn)風(fēng)側(cè)密閉墻18℃,回風(fēng)側(cè)密閉墻出水溫度20℃;42105運(yùn)輸巷密閉墻17℃。②氧氣濃度:2009年11月10日采空區(qū)內(nèi)氧氣體積分?jǐn)?shù)降至2.7%,運(yùn)輸巷、回風(fēng)巷密閉內(nèi)分別為2.6%、4.5%,上隅角氧氣體積分?jǐn)?shù)從2009年12月20日開(kāi)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(nèi)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)無(wú)C2H4、C2H2等煤自燃標(biāo)志性氣體。④CO濃度:密閉區(qū)內(nèi)上隅角CO體積分?jǐn)?shù)從2009年12月30日下降至7.8×10-6。以上4個(gè)條件持續(xù)穩(wěn)定至2010年3月7日,穩(wěn)定時(shí)間達(dá)到1個(gè)月以上。不僅表明注氮、注膠和均壓等措施對(duì)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(guó)內(nèi)多座礦井易自燃綜放工作面在成功啟封后的半年內(nèi),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(fù)生產(chǎn)初期,采取只采不放的推采方式,加快推進(jìn)速度,確保6m/d的推進(jìn)速度,盡快使工作面高溫區(qū)進(jìn)入窒息帶,快速推進(jìn)距離不小于30m。②回采期間應(yīng)每隔10m在進(jìn)風(fēng)端頭采用黃土墻封堵,并向采空區(qū)進(jìn)行開(kāi)放式連續(xù)注氮。③回