塔山煤矿自燃原因分析及综合防火系统研究.docx

20曹东亚 塔山煤矿自燃原因分析及综合防火系统研究2014 年塔山煤矿自燃原因分析及 综合防火系统研究曹东亚( 太原理工大学矿业工程学院，山西 太原 030024)摘要: 基于对煤炭自燃机理和条件的研究，结合国投大同塔山煤矿及临近矿井易自燃煤层发火机 理及原因的分析，构建了适合塔山煤矿 3-5 号煤层的自燃火灾综合防治系统，形成了一套以粉煤灰 灌浆为主，注氮和喷洒阻化剂为辅的综合防灭火措施，重点突出了上下隅角特殊部位防灭火措施， 为保障矿井安全、实现高产高效提供了可靠保证。关键词: 自燃煤层; 自燃原因; 防火系统中图分类号: td75 + 2 2文献标识码: b文章编号: 1671 749x( 2013) 06 0020 030引言我国煤炭资源丰富，但同时也受着开采安全与 环境条件的严重制约1。由于我国煤炭赋存地质 条件复杂、具有自燃倾向性和煤尘爆炸性的煤种比 重大，客观上容易发生严重事故。国投大同塔山煤 矿煤层结构极复杂，煤层属于二级自燃等级，加强煤 层自燃原因的分析，构建矿井综合防火系统对于矿 井安全高效生产是至关重要的。1煤层概况及煤炭自燃条件1 1煤层基本概况国投大同塔山煤矿于 2005 年 11 月 18 日开工 建设，由 30 万 t 扩建为 240 万 t，矿井井 田面积为 8 146 km2 ，其中 3-5 号煤层为石炭系上统太原组煤 层，所处位置在大同煤田中东边缘地段，属大同向斜 中东翼，走向为北东 n30 45 e，倾向北西的单斜 构造，东部煤层露头一带地层倾角较大，为 30 80，向西部逐渐转向平缓，倾角小于 5。井田内 3 号与 5 号煤层合并为 3-5 号煤层，煤层厚度 15 72 26 77 m，平均 17 93 m，西厚东薄，结构极复杂，夹 矸一般在 5 11 层以上，断层落差在 0 2 2 3 m 之收稿日期: 2014 06 09作者简介: 曹东亚( 1973) ，男，山东滕州人，1997 年毕业太原理工 大学，工程硕士在读，工程师，现从事煤矿技术及管理工作。间，岩性多为高岭质泥岩或炭质泥岩，宏观以半亮型 煤为主，半暗型煤次之。煤层自然发火期为 3 个月， 属二级自燃等级，根据邻近同煤塔山、同煤同忻矿井 开采 3-5 号煤层实际经验，3-5 号煤层自然发火现象 比较 严 重，煤层瓦斯涌出量较 大，有 煤 尘 爆 炸 危 险性。1 2煤炭自燃机理和条件根据我国煤炭自燃倾向性分类，国投大同塔山 煤矿的煤层属二级自燃等级，易自然发火煤层。自 然发火的决定因素是发火地点存在低温氧化的浮 煤、碎煤，同时向它供有足够的氧气以及煤炭氧化时 有蓄热准备的条件。自然发火的实质是煤炭自身与 空气中的氧气接触，产生氧化反应所致。氧化是煤 炭自燃的主要原因。煤炭在井下大气的常温和常压 条件下，遇空气中的氧气，便产生表面吸附作用，使 煤炭进入低温氧化阶段，此阶段中发热量很少，如果 热量不及时扩散，逐渐积蓄，大于煤体向周围介质散 失的热量，煤炭温度继续上升，称为自热，待煤炭温 度上升到某一极限值( 一般为 70 80 ) 时，煤体 温度上升急剧加速，达到临界着火点时，便发生煤炭 的自然发火2，3。2煤炭自燃成因及火灾综合防治技术2 1煤炭自燃规律及其成因分析通过对邻近同煤塔山、同煤同忻矿井的生产技第 6 期曹东亚 塔山煤矿自燃原因分析及综合防火系统研究21术分析，3-5 号煤层自然发火的原因是多方面的，巷 道布置不合理、煤柱受压破碎、浮煤护顶较多、地质 因素、漏风、冒顶及通风设施管理不善、生产管理不 善等。3-5 号煤层易自燃的主要原因分析如下。护巷煤柱易发火: 留设煤柱保护区段巷道时，在 采动压力的作用下，煤柱被压裂、破碎、坍塌，再加上 工作面端头回柱后，冒落不彻底，留下漏风通道，容 易引起煤炭自燃。停采线处易发火: 停采线是压差最大的漏风通 道，若两端都由密闭墙封闭不严，停采线处煤炭易于 自然发火，特别是在厚煤层开采时，表现更为突出。 切眼处易发火: 由于综放开采开切眼顶煤较厚 且开切眼宽度大，支护不当或安装支架时，易造成冒 顶现象，加之综放支架重，安装速度慢，时间长，往往造成支架刚安装完毕，就发生自然发火。采空区遗煤易发火: 由于地质条件变化或设备 等原因，造成工作面推进速度慢，当工作面推进度低 于采空区遗煤氧化升温带宽度时，氧化升温带内煤 炭氧化蓄热，煤体存留时间可能超过自然发火期而 出现自燃。上下隅角处易发火: 综放工作面上下端头放煤 不彻底，丢下大量遗煤，同时在回柱时塌落不实，易 形成三角区漏风通道，致使煤层自然发火。2 2 自燃煤层火灾综合防治技术塔山煤矿 3-5 号煤层厚度大，采用综采放顶煤 开采方法，采空区浮煤较多，因此应重点预防采空区 浮煤自燃引发的火灾。矿井防灭火采 取“预 防为 主，消防并举”的基本原则。综合考虑采用以粉煤 灰灌浆为主，注氮和阻化剂为辅的综合防灭火措施， 井上下建立相应的防灭火系统和安全监测、监 控 系统4-8。粉煤灰灌浆预防煤层自燃技术: 根据国投大 同塔山煤矿实际情况，煤层自然发火期较短，井田面 积较小，生产盘区距工业场地近等特点，宜采取集中 灌浆系统。该系统具有管理集中，效率高，少占地， 服务时间长的优点; 预防性灌浆方法有多种，根据 采煤与灌浆先后顺序关系可分为采前预灌、随采随 灌和采后灌浆。采前预灌就是在煤未开采之前即对 煤层进行灌浆，适用于老空区过多、自然发火严重的 矿井; 随采随灌就是随着采煤工作面推进的同时向 采空区灌浆，主要有钻孔灌浆、埋管灌浆和洒浆，能 及时将顶板冒落后的采空区进行灌浆处理; 采后灌浆就是回采结束后，将整个采空区封闭起来后进行 灌浆。为了保证及时、简便处理自燃隐患，根据实际 情况采用埋管灌浆为主，洒浆为辅的注浆方法最为 合理; 采用埋管灌浆法。埋管灌浆示意图见图 1。 在放顶前沿回风巷在采空区预先铺好灌浆管，埋管 长一般为 10 20 m 钢管，现场可根据注浆实际效果 适度调整，预埋管一端通采空区，一端接胶管，胶管 长一般为 20 30 m，灌浆随工作面的推进而转移， 用回柱绞车逐渐牵引灌浆管，牵引一定距离灌一次 浆，要求工作面采空区能灌到足够的泥浆; 洒浆是 在回采工作面由输浆管上接出耐压胶管，向采空区 均匀地洒上一层浆液。洒浆时，浆液出口压力不大 于 0 3 mpa。图 1 埋管灌浆示意图井下注氮预防煤层自燃技术: 注氮防灭火是目 前许多采煤国家常规的防灭火手段，本矿井氮气防 灭火有关指标选取为: 防火区注入氮气的纯度应不 低于 97% ; 惰化灭火氧气浓度不大于 3% ; 惰化抑制 瓦斯爆炸氧气浓度不大于 12% 。注氮工艺。采 用埋管注氮。在工作面的进风侧埋设一趟注氮管 路，当埋入一定深度后开始注氮，同时埋入第二趟注 氮管路( 注氮管口的移动步距通过考察确定) ，当第 二趟注氮管口埋入采空区氧化带与冷却带的交界部 位时向采空区注氮，同时停止第一趟管路注氮，并又 重新埋入注氮管路，如此循环。注氮采用间断性注 氮，在工作面正常回采期间，间断性进行; 堵漏措 施。目前，我国煤矿采用的注氮堵漏措施主要有水 泥砂浆、尿醛树脂泡沫、凝胶堵漏和泵送高水速凝巷 旁充填法等。根据实际，采用粉煤灰凝胶堵漏防灭 火措施。其配比为: 粉煤灰用量 30% 、水玻璃 3% 、 铝酸钠 1 5% 、其余为水。现场也可根据实际情况 适当调整其配比; 注氮气体监测。为便于气体取 样分析，在铺设注氮管路时，在采空区同时预埋设束 管监测探头，测定各种气体成份，可对采空区自然发 火情况做早期预测预报。22陕 西 煤 炭2014 年汽雾喷洒阻化剂防治技术: 阻化剂防灭火是目 前国内外推广应用的一种防止自然发火的新方法， 它对缺水、少土地区煤矿的井下防灭火具有很大意 义。阻化剂防灭火具有技术先进、工艺系统简单、投 资较少、阻化剂来源广、阻化率高、价格低廉等优点， 因此，应在综放工作面布置一套阻化剂喷洒压注系 统作为矿井防灭火的辅助系统。阻化剂采空区防灭 火主要应用是将阻化剂和水按比例( 10% 15% ) 配成溶液，通过高压泵、汽雾发生器将其雾化，在工 作面下拐头以漏风为载体，将汽雾阻化剂带入采空 区煤体表面，延缓煤的氧化过程，常用的阻化剂有 cacl2 、mgcl2 等。国投大同塔山煤矿综放工作面采用“u”型通风，对于正常回采期间，合理控制工作面风量，采取低风量供风。根据工作面瓦斯绝对涌出 量，在满足人员呼吸、有害气体浓度、温度不超限的 情况下，采用低风量供风; 同时加强工作面通风设施 管理，保证风流、风量稳定，避免上下隅角漏风，可有 效防止煤层自燃。3 结语基于对煤炭自燃机理和条件的研究和分析，详 细解释了国投大同塔山煤矿及临近矿井易自燃煤层 发火的机理及原因，构建了塔山煤矿 3-5 号煤层的 以粉煤灰灌浆为主、注氮和喷洒阻化剂为辅的自燃火灾综合防治系统，重点突出了上下隅角特殊部位 防灭火措施，应用该项目技术研究成果实现了塔山 煤矿 3-5 号煤层易自然火源点的有效治理，实现了 该矿在煤层赋存复杂、煤层易自然条件下的安全 生产。参考文献:1 安明燕，杜泽生，张连军 2007 2010 年我国煤矿 瓦斯事故统计分析j 煤矿安全，2011，42 ( 5 ) : 177-1792 王德明 矿井火灾学m 徐州: 中国矿业大学出 版社，2008: 168-1763 王德明 矿井通风与安全m 徐州: 中国矿业大 学出版社，2012: 312-3344 蔡永乐 矿井内因火灾防治理论与实践m 北 京: 煤炭工业出版社，2001: 45-465 秦波涛，王德明 矿井防灭火技术现状及研究进 展j 中国安全科学学报，2007，17( 12) : 80-856 梁运涛，罗海珠 中国煤矿火灾防治技术现状与 趋势j 煤炭学报，2008，33( 2) : 126-1307 邬剑明，吴新文 煤矿自燃火灾治理关键技术的 研究与应用j 中国安全科学学报，1998，8( 4) : 47-508 周 喆，郭首忠 净石沟煤矿易燃煤层不均衡生产 综放工作面防火技 术j 矿业安全与环 保， 2013，40( 4) : 95-97analysis of spontaneous combustion reasons and research of fire comprehensive prevention technology in tashan minecao dong-ya( school of mining engineering，taiyuan university of technology，taiyuan 030024，china)abstract: based on the mechanism of coal spontaneous combustion，the spontaneous combustion reasons in tashan mine and neighbor- ing mines are analyzed，fire comprehensive prevention system suited for tashan mine is proposed，fire comprehensive prevention meas- ures that including flyash grouting，nitrogen injection and inhibitor spraying are formed these provide guarantee for mine safety and high yield and efficiencykey words: spontaneous combustion seam; spontaneous combustion re