綜放巷道大面積火災綜合滅火技術

喬國厚,張公慈,呂建立(義馬煤業集團公司耿村煤礦,河南澠池472431)

摘　要:耿村煤礦一綜放工作面發生一起大面積火災,工作面面臨封閉危險。三相泡沫新技術在治理該特大火災中充分發揮了三相泡沫覆蓋面廣、滅火快、效果好的特點,以較快的速度撲滅了火災,同時應用了泥漿膠體和噴漿堵漏等綜合滅火技術有效處理了火情。

關鍵詞:礦井火災;三相泡沫;火區綜合治理

中圖分類號:TD75+2.2　　　文獻標識碼:B　　　文章編號:1003-496X(2006)06-0023-02

　　自1984年沈陽礦務局蒲合礦進行了我國第一個綜采放頂煤工作面開采實驗以來,綜放開采技術得到逐步改進和完善,發揮了良好的經濟和社會效益,但還有一些關鍵技術亟待解決,易自燃煤層綜放開采的防火技術就是其中之一。眾所周知綜放工作面火災一般發生在“兩道”“兩線”,而“兩道”則因煤體暴露時間長更易自然發火。國內外廣泛采用黃泥灌漿、噴灑阻化劑、注惰氣、凝膠、膠體泥漿、阻化氣霧、泡沫樹脂,壓注惰性泡沫等技術及材料進行綜放面防滅火取得了良好效果,義馬煤業集團耿村礦在綜放面進風巷則采用了以三相泡沫為主并輔以其它滅火手段,有效處理了一起重大火災。

1　三相泡沫組成及滅火機理

1.1　三相泡沫組成

三相泡沫是由固態不燃物(粉煤灰或黃泥等)和惰氣,再加入一定量的表面活性劑(發泡劑、穩泡劑),以一定分散度分散在水中形成的體系。由于在純固-液漿液中和純水中一樣,很難形成固-液-氣的三相泡沫。因此必須加入表面活性劑來降低漿液的表面張力,再將氣體通入漿液中,通過加壓或強烈的機械攪拌形成三相泡沫。

1.2　三相泡沫防滅火機理

三相泡沫被注入到采空區,進行防滅火,主要發揮以下三方面的作用。

(1)隔絕空氣,阻止煤的氧化。三相泡沫中含有固態不燃物,它們是三相泡沫面膜的一部分,可較長時間保持泡沫的穩定性,即使泡沫破碎了,具有一定粘度的固體顆粒仍然可較均勻地覆蓋在浮煤上,可持久地減少浮煤表面的O2濃度,從而有效地阻礙、破壞碳氧絡合吸附與解吸,防止煤的氧化。漿液通過注入惰性氣體后形成三相泡沫,體積大幅度增大,在采空區中堆積的高度可達3~4 m,對低、高處的浮煤都能覆蓋。同時,三相泡沫具有很好的堵漏性能,能減少漏風供O2,減少采空區內O2濃度,從而降低反應速率和產熱量,達到防止煤炭自燃的目的,這是三相泡沫的防滅火性能的特點之一。

(2)增加煤體外在水份,吸熱降溫,抑制煤炭氧化的發展。采空區浮煤自燃反應的速度隨煤體和環境溫度的升高而快速增大,而采空區內的碳氧絡合吸附與解吸的反復循環,將不斷地氧化產熱,提高環境和煤炭的溫度,導致煤炭氧化進程速度加快,從而引起自然發火。但三相泡沫中的漿水具有吸熱降溫作用,從而,可以降低化學反應的速率,減少反應的產熱量,避免環境溫升。

(3)惰化采空區。若采空區中O2濃度充足,則煤自燃的化學反應速率和放熱速率就會增大。因此,在必要時,需要降低采空區內的O2濃度。三相泡沫的泡沫內包裹大量的N2,隨著泡沫的破裂,N2被釋放出來,能較長時間滯留在采空區中。同時三相泡沫具有很好的穩定性,能在很長的時間內不斷的釋放出N2。泡沫破裂后,N2就可以充滿任何形狀的有限燃燒空間和預防自燃的空間,發揮它的阻燃抑爆作用,使采空區的氣體惰性化。這樣不僅可以對煤礦采空區深部、高冒之處以及人們難以接近的地點進行防滅火,而且可以防止瓦斯和煤塵的爆炸。

2　工作面概況

(2-3)12190備用工作面位于耿村煤礦西采區2-3煤軌道下山東側,北側和南側均為2-3煤實體;工作面走向長1 060 m,傾斜長170 m,煤層厚度為11~15 m,傾角為9°~13°。該面上、下巷采用11#工字鋼對子棚支護,棚距0.5 m,梁長3.1 m,柱長2.8 m,用金屬網片(1 000 mm×600 mm),上面鋪彩條布進行支護。由于采用綜放工藝采煤,巷道沿底掘進,頂煤厚度約在8 m左右。煤種牌號為長焰煤,屬于極易自燃煤層,自然發火期為1個月,最短僅為14 d。12190工作面上、下巷于2005年10月24日貫通,貫通后進風量為1 100 m3/min,回風流瓦斯濃度0.6%~0.7%。10月30日,通風區發現工作面下巷892 m處出煙后,采用常規的打鉆孔和黃泥注漿方法處理火區。由于此段巷道正處于斷層附近,煤層變軟;并且是以11°~13°的上坡由煤層底板向煤層頂板的過渡地段,巷道頂煤破碎,空頂嚴重,因此形成高冒區面積大,漏風嚴重;同時,由于工作面的風速過高(超過2 m/s)以及巷道高冒區內積存有瓦斯,所以火區的面積不斷擴大, CO濃度急劇上升,11月3日上午,上巷CO濃度為800×10-6,4日急增至1800×10-6,巷道內濃煙滾滾,常規的滅火手段收效甚微,整個礦井的安全生產受到非常嚴重的威脅。

3　綜合治理火區的方案和經過

(2-3)12190工作面火災事故發生后,礦領導立即召集廣大工程技術人員,對火區情況進行了認真、深入細致的研究,確定了以三相泡沫快速滅火為主,以膠體泥漿充填和噴漿封閉相結合的綜合滅火方案。具體實施的方法和經過如下。

3.1　施工鉆孔探明火區位置,控制火區蔓延速度11月5日8:00-6日,由該礦二掘隊從下巷880m處向里、向外同時施工深鉆孔,對火區的范圍進行準確的判定。鉆孔施工的技術要求是:每3 m打1排,每排2個孔,孔深以打到煤層的頂板為止,鉆孔成孔后,在鉆孔內下入Φ38 mm的套管,立即進行大流量灌漿降溫,控制火區的蔓延速度,為實施壓注三相泡沫快速滅火做好準備。最終探明明火的范圍為860 ~940 m。

3.2　采用三相泡沫新技術快速滅火

(1)工藝流程。根據三相泡沫的原理結合耿村礦的具體情況,采取了如圖1所示的注漿工藝:首先在地面制漿站,將一定量比例(4∶1~5∶1)的水與黃泥混合攪拌形成黃泥漿體后,經漿溝輸送到注漿管路口。利用添加泵將發泡劑和泥漿相混合,進入井下滅火地點的發泡器中,發泡器的另一路接N2管,含有發泡劑的漿液在N2的引入后經過發泡器發泡,產生大量的三相泡沫,最后通過套管輸送到高冒區。流程圖如圖1所示。

　　(2)主要技術參數:①制漿量:20 m3/h;②N2供應量:>600 m3/h;③三相泡沫發泡倍數:30倍;④發泡劑添加量:0.5/100。

(3)灌注情況。從11月6日下午1:00開始對火區進行灌注至7日凌晨5:40,共注16 h 40 min,共向火區注水250 m3,黃土30 m3,約5 000 m3的三相泡沫(理論上應注入7 000 m3以上)。大量的三相泡沫在高冒區迅速堆積,有效地控制了火區的蔓延, CO等標志性氣體濃度呈迅速下降趨勢,到11月12日,CO濃度降為0,采用三相泡沫滅火技術實現了快速滅火的目的。

3.3　膠體泥漿滅火和噴漿封閉火區

三相泡沫成功對火區實施降溫滅火后,火區暫時穩定,但由于該礦地面灌漿站土質不好,泥漿的濃度太稀,在注三相泡沫時泡沫帶進高冒區的黃泥太少,不能將高冒區的浮煤覆蓋一層。一旦泡沫破裂,火區將很容易發生復燃。為此,礦上決定采取壓注膠體的輔助措施,來防止火區的復燃。自11月8日上午9:20開始到11月11日23:56,共向火區壓注膠體泥漿1 200 m3,工作面的CO逐漸下降,到11月12日,CO氣體完全消失,12日以后,我們每天安排1個班對火區的局部地點進行膠體泥漿充填補注工作,用來對膠體脫水后形成的空間進行繼續的充填,鞏固滅火的成果。與此同時,開四隊按照礦上的安排,全力以赴進行火區的噴漿封閉工作,11月15日,累計噴漿長度120 m,火區的狀況一直穩定,12190工作面的火區處理工作圓滿結束。

　　作者簡介:喬國厚(1961-)男,漢族,河南陜縣人,工程師,2000年畢業于中南大學哲學系,獲碩士學位,現任義馬煤業集團公司耿村礦礦長,已發表論文10篇。