1、應用三相泡沫技術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.中國礦業大學能源與安全工程學院,江蘇徐州221008;2.鐵法煤業集團大興煤礦 ,遼寧調兵山 112700)摘 要:分析了大傾角俯采綜放面采空區防治煤炭自燃的難點 ,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、氮氣的窒息性和水的吸熱降溫特性來進行綜合防滅火的特點 ,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用中不會發生潰漿的優點。介紹了灌注三相泡沫的工藝流程和主要技術參數 ,結合在 N2703 俯采綜放工作面應用實踐 ,對比了三相泡沫灌注前后取樣

2、氣體中 CO、O2 濃度以及采空區溫度的變化結果。現場應用表明三相泡沫防滅火技術性能優越 ,適用于防治大傾角、俯采綜放工作面的煤炭自燃災害。關鍵詞 :煤炭自燃 ;三相泡沫 ;防滅火 ;大傾角 ;俯采中圖分類號:TD75+2.2 文獻標識碼: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害之一。為防治煤炭自燃,國內外廣泛采用灌漿、注凝膠、注惰氣等技術。這些技術對保證礦井安全生產起了重要作用,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、工藝復雜 ;惰氣易隨漏風

3、擴散 ,不易滯留火區。綜合固、液、氣的滅火性能 ,中國礦業大學在國內率先研究了三相泡沫防治煤炭自燃的新技術 ,并研制出相應的裝備 ,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行了成功的推廣應用。本文介紹采用三相泡沫技術來防治鐵法煤業集團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分析鐵法煤業集團大興煤礦,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 ,年設計生產能力為380 萬 t,1990 年 11 月投產 ,當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、區中部 ,工作面回順長為1431m,運順長為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。工作面工業儲量為 237.94 萬 t, 設計采出量 202.25 萬 t,整個工作面設計回采率為 85%,采區設計回采率為 75.14%。工作面小斷層構造多 ,裂隙較發育 ,漏風較嚴重。煤層屬于易自燃煤層 ,自然發火期為 13 個月 ,最短為 18d。由于礦井煤炭自然發火期短 ,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 1.2m,國慶放假停采 6d,10 月 7 日重新生產 ,以后每日平均推進 4.2m。N2703 綜放工作面采空區于 10 月 25 日起開始出現大量 CO,于 26 日取樣開始出現 C2H4,情況十分危機 ,此時工作面推進了 90 多 m,根本不能準確地判斷出高溫火源點的位置。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 :(1)采用綜采放頂煤技術 ,冒落高度大、采空區遺留浮煤多 ,漏風嚴重 ,為煤炭氧化

6、提供了充足的反應物,采空區煤炭自燃危險性增大。(2)采空區丟煤自燃供O2 條件好 ,俯采工作面由于其回采方向是由高向低推采 ,采空區位于工作面上部。 回采過程中 ,進入采空區的漏風風流在進風順槽風流速壓、礦井負壓和空氣的自身升騰力作用下,空氣進入采空區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不宜積水 ,空氣干燥 ,使采空區內的丟煤容易進行氧化反應。(3)采空區丟煤自燃積聚熱量條件好,俯采工作面采空區內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 , 為煤炭自燃創造了條件。(4)采空區灌漿措施不易實施 ,在進行采空區灌漿時 ,其灌漿量一旦大于采空區承

7、受能力 ,就會發生泥漿淹面事故。 即使進行采空區灌漿 ,其泥漿也是只覆蓋采空區底板小范圍的丟煤 ,采空區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隅角積聚,采用調風降壓的措施來抑制采空區煤炭自燃的風險較大。三相泡沫防滅火新技術2.1三相泡沫的組成及特點防治煤炭自燃的三相泡沫由固態不燃物(粉煤灰或黃泥等 )、氣體 (N2 或空氣 )和水三相防滅火介質組成。其形成是在煤灰或黃泥漿液中添加發泡劑并引入氣體,通過物理機械攪拌,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、進行防滅火,大大提高了防滅火效率。由于三相泡沫發泡倍數較高 ,單位體積的泡沫材料成本大幅下降 ,具有較高的經濟效益。換行 與現有的防滅火技術及材料相比 ,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點。 泥漿通過引入 N2 發泡后形成三相泡沫 , 體積大幅快速增加 ,被注入后能充斥整個采空區 ,因為三相泡沫有很好的堆積性 ,所以能在采空區中向高處堆積 ,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,保護井下環境 ,對于傾斜煤層開采更為有效 ;注入在采空區的 N2 被封裝在泡沫之中 ,能較長時間滯留在采空區中 ,充分發揮氮氣的窒息

9、防滅火功能 ;三相泡沫中含有粉煤灰或黃泥等固態物質 ,這些固態物質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火。此外 , 三相泡沫是一種工藝簡便、安全環保、價格低廉的防滅火材料。2.2 三相泡沫的發泡機理在粉煤灰 (黃泥 )漿液中加入發泡劑后 ,發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。漿液通過發泡器后物理發泡 ,形成了防滅火三相泡沫。根據三相泡沫的特

10、點 ,中國礦業大學專門研究制作了一種適用于形成三相泡沫的發泡器。研究制作的發泡器結構簡單 ,發泡器無需任何外加動力裝置 ,僅利用漿體的能量 ,進入發泡器后 ,在發泡器與集流器之間的旋轉斜面上 ,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 ,混合后在低壓區造成了能量過剩 ,根據熱力學原理 ,過剩的能量就對三相混合液做功 ,同時由于發泡劑的存在 ,形成了大量的具有三相介質的泡沫群體。再經過被高速泡沫泥漿沖擊的旋轉葉輪的進一步泡沫細化后 ,形成了均勻致密細膩的三相泡沫。中國礦業大學研制的三相泡沫發泡器已獲得國家發明專利。灌注三相泡沫的工藝及參數鑒于三相泡沫防滅火新技術的優良特點

11、,針對該工作面復雜的地質條件和煤炭自燃災害的特點 ,又由于該礦缺少制氮裝備 ,中國礦業大學首次大膽的提出了用含空氣的三相泡沫防滅火新技術來防治該工作面的煤炭自燃災害。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的穩泡劑 ),漿液經過過濾網流入砂井 ,在砂井口處 ,通過發泡劑定量添加泵將發泡劑加入到泥漿中 ,漿液與發泡劑在重力作用下進入井下注漿管道 ,它們經過裝在管路中的混合器充分混合后進入發泡器 ,在發泡器中接入連接空氣壓縮機的空氣管路,空氣與含有發泡劑的黃泥漿體相互作用產生出三相泡沫 ,形成的三相泡沫在重力的作用下

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

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

14、。 N2703 綜放工作面采空區從 2005年 10 月 30 日到 11 月 5 日,連續落注了 7d 的三相泡沫 ,共向采空區落注黃泥約 672t,廢水約 2600t,但是漿液幾乎沒有從采空區流出。月 5 日上午 ,從綜放面支架后面采空區各個地方的煤體裂隙中看到了三相泡沫擴散出來 ,說明三相泡沫已經均勻充滿了整個采空區 ,并進入了煤體的裂隙和漏風通道 ,有效地包裹了整個采空區低、高處的浮煤 ,封堵了采空區的煤體裂隙,對采空區內存在的高溫火源點進行了有效的控制和撲滅。經過連續灌注三相泡沫 ,從回風巷、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、日以后采空區內的O2 濃度持續下降 ,最終長期保持在5%以下 ,回風巷和采空區CO等標志性氣體的含量連續下降 ,同時采空區的溫度不斷的下降(見圖5),C2H4 含量也逐漸變為0。因此三相泡沫快速有效地防治了大興礦N2703綜放工作面采空區的煤炭自燃火災。結 論換行 本文介紹了三相泡沫防滅火新技術在大傾角俯采綜放工作面進行防治煤炭自燃的應用情況 ,通過上述論述可得如下結論 :(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煤炭自燃的防治和大范圍自燃火災的撲滅。三相泡沫在采空區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 ,水吸熱降溫和發泡劑阻化自由基產生和潤濕煤體來防止采空區浮煤自然發火和撲滅煤炭自燃火災。(2)灌注三相泡沫是一項新的工藝,該工藝具有流量大、工藝簡單、穩定可靠的特點。大流量的三相泡沫注入采空區后能快速地充填并覆蓋不明火源 ,具有滅火速度快、效率高的優點。同時三相泡沫具有很好的掛壁性 ,能避免發生潰漿