应用三相泡沫技术防治大倾角俯采综放工作面煤炭自燃

1、应用三相泡沫技术防治大倾角俯采综放工作面煤炭自燃任万兴 1,王德明 1,周福宝 1,秦波涛 1,马魁 2(1.中国矿业大学能源与安全工程学院,江苏徐州221008;2.铁法煤业集团大兴煤矿 ,辽宁调兵山 112700)摘 要:分析了大倾角俯采综放面采空区防治煤炭自燃的难点 ,介绍了新型防灭火材料 三相泡沫的组成及其利用黄泥 (粉煤灰 )的覆盖性、氮气的窒息性和水的吸热降温特性来进行综合防灭火的特点 ,分析了其良好的堆积性、挂壁性以及在大倾角俯采工作面的应用中不会发生溃浆的优点。介绍了灌注三相泡沫的工艺流程和主要技术参数 ,结合在 N2703 俯采综放工作面应用实践 ,对比了三相泡沫灌注前后取样

2、气体中 CO、O2 浓度以及采空区温度的变化结果。现场应用表明三相泡沫防灭火技术性能优越 ,适用于防治大倾角、俯采综放工作面的煤炭自燃灾害。关键词 :煤炭自燃 ;三相泡沫 ;防灭火 ;大倾角 ;俯采中图分类号:TD75+2.2 文献标识码:B 文章编号:1003-496X(2006)02-0011-04煤炭自燃是我国煤矿的主要自然灾害之一。为防治煤炭自燃,国内外广泛采用灌浆、注凝胶、注惰气等技术。这些技术对保证矿井安全生产起了重要作用,但还存在一些问题:过度的黄泥灌浆会消耗土地资源;水玻璃 -铵盐凝胶会产生有毒有味的氨气 ;高分子凝胶成本高 ;高水材料、泡沫树脂成本高、工艺复杂 ;惰气易随漏风

3、扩散 ,不易滞留火区。综合固、液、气的灭火性能 ,中国矿业大学在国内率先研究了三相泡沫防治煤炭自燃的新技术 ,并研制出相应的装备 ,先后在大屯姚桥矿、 枣庄柴里矿及抚顺老虎台矿和铁法大兴矿进行了成功的推广应用。本文介绍采用三相泡沫技术来防治铁法煤业集团大兴矿的大倾角俯采综放工作面的煤炭自燃。1工作面简介及防治煤炭自燃的难点分析铁法煤业集团大兴煤矿,位于铁法煤田西南部 ,东距铁岭 40km,南距沈阳 110km。该矿是 1980 年国家投资建设 ,年设计生产能力为380 万 t,1990 年 11 月投产 ,当时为中国东北最大的特大型矿井。该矿目前开采的N2703 是倾斜综放工作面 ,位于北二采

4、区中部 ,工作面回顺长为1431m,运顺长为1411m,煤层倾斜宽160m,倾角为 1525。煤层以气煤为主 ,厚度为 5.60换行 9.88m,一般煤厚为 7.81m。工作面工业储量为 237.94 万 t, 设计采出量 202.25 万 t,整个工作面设计回采率为 85%,采区设计回采率为 75.14%。工作面小断层构造多 ,裂隙较发育 ,漏风较严重。煤层属于易自燃煤层 ,自然发火期为 13 个月 ,最短为 18d。由于矿井煤炭自然发火期短 ,地压大 ,且回采方法为大倾角俯采 ,给防治煤炭自燃带来极大的困难。 该工作面于 2004 年 9月 22 日开始开采 ,9 月 22 日到 9 月

5、30 日,每日平均推进 1.2m,国庆放假停采 6d,10 月 7 日重新生产 ,以后每日平均推进 4.2m。N2703 综放工作面采空区于 10 月 25 日起开始出现大量 CO,于 26 日取样开始出现 C2H4,情况十分危机 ,此时工作面推进了 90 多 m,根本不能准确地判断出高温火源点的位置。同时 N2703 工作面煤层中瓦斯含量较高 ,在回采过程中工作面回风隅角易造成瓦斯积聚。瓦斯和煤炭自燃两大隐患的同时存在,给煤矿安全带来严重威胁。该工作面属于典型的大倾角俯采综放工作面 ,煤炭自燃治理有如下难点 :(1)采用综采放顶煤技术 ,冒落高度大、采空区遗留浮煤多 ,漏风严重 ,为煤炭氧化

6、提供了充足的反应物,采空区煤炭自燃危险性增大。(2)采空区丢煤自燃供O2 条件好 ,俯采工作面由于其回采方向是由高向低推采 ,采空区位于工作面上部。 回采过程中 ,进入采空区的漏风风流在进风顺槽风流速压、矿井负压和空气的自身升腾力作用下,空气进入采空区的深度较一般水平工作面或仰采面要大,且俯采工作面的采空区不宜积水 ,空气干燥 ,使采空区内的丢煤容易进行氧化反应。(3)采空区丢煤自燃积聚热量条件好,俯采工作面采空区内的丢煤在氧化过程中生成的热量在其热膨胀和上升力的作用下 ,易于积存在采空区 , 为煤炭自燃创造了条件。(4)采空区灌浆措施不易实施 ,在进行采空区灌浆时 ,其灌浆量一旦大于采空区承

7、受能力 ,就会发生泥浆淹面事故。 即使进行采空区灌浆 ,其泥浆也是只覆盖采空区底板小范围的丢煤 ,采空区大量的顶板落煤得不到泥浆覆盖。(5)该工作面煤层瓦斯含量大,瓦斯容易在工作面和回风隅角积聚,采用调风降压的措施来抑制采空区煤炭自燃的风险较大。三相泡沫防灭火新技术2.1三相泡沫的组成及特点防治煤炭自燃的三相泡沫由固态不燃物(粉煤灰或黄泥等 )、气体 (N2 或空气 )和水三相防灭火介质组成。其形成是在煤灰或黄泥浆液中添加发泡剂并引入气体,通过物理机械搅拌,形成粉煤灰或黄泥颗粒均匀地附着在气泡壁上的多相体系,这个多相体系就被称为三相泡沫。含空气的三相泡沫利用粉煤灰或黄泥的覆盖性和水的吸热降温性

8、进行防灭火,大大提高了防灭火效率。由于三相泡沫发泡倍数较高 ,单位体积的泡沫材料成本大幅下降 ,具有较高的经济效益。换行 与现有的防灭火技术及材料相比 ,含 N2 的三相泡沫兼有一般注浆方法和惰气泡沫防灭火的优点。 泥浆通过引入 N2 发泡后形成三相泡沫 , 体积大幅快速增加 ,被注入后能充斥整个采空区 ,因为三相泡沫有很好的堆积性 ,所以能在采空区中向高处堆积 ,对低、高处的浮煤都能覆盖 ; 三相泡沫能将浆水均匀的分散 ,有较好的挂壁性 ,有效地避免浆体的流失,保护井下环境 ,对于倾斜煤层开采更为有效 ;注入在采空区的 N2 被封装在泡沫之中 ,能较长时间滞留在采空区中 ,充分发挥氮气的窒息

9、防灭火功能 ;三相泡沫中含有粉煤灰或黄泥等固态物质 ,这些固态物质是三相泡沫面膜的一部分 ,可较长时间保持泡沫的稳定性 ,即使泡沫破碎了 ,具有一定粘度的粉煤灰或黄泥仍然可较均匀地覆盖在浮煤上 ,可持久有效地阻碍煤对 O2 的吸附 ,防止煤的氧化 ,从而防治煤炭自然发火。此外 , 三相泡沫是一种工艺简便、安全环保、价格低廉的防灭火材料。2.2 三相泡沫的发泡机理在粉煤灰 (黄泥 )浆液中加入发泡剂后 ,发泡剂一方面降低了浆液的表面张力 ,使之形成泡沫 ;另一方面使粉煤灰 (黄泥 ) 颗粒由亲水性变成疏水性 ,使之粘附在气泡壁上。浆液通过发泡器后物理发泡 ,形成了防灭火三相泡沫。根据三相泡沫的特

10、点 ,中国矿业大学专门研究制作了一种适用于形成三相泡沫的发泡器。研究制作的发泡器结构简单 ,发泡器无需任何外加动力装置 ,仅利用浆体的能量 ,进入发泡器后 ,在发泡器与集流器之间的旋转斜面上 ,成为湍流涡流 ,使气 液固充分混合。由于泥浆和气体具有较高的动能 ,混合后在低压区造成了能量过剩 ,根据热力学原理 ,过剩的能量就对三相混合液做功 ,同时由于发泡剂的存在 ,形成了大量的具有三相介质的泡沫群体。再经过被高速泡沫泥浆冲击的旋转叶轮的进一步泡沫细化后 ,形成了均匀致密细腻的三相泡沫。中国矿业大学研制的三相泡沫发泡器已获得国家发明专利。灌注三相泡沫的工艺及参数鉴于三相泡沫防灭火新技术的优良特点

11、,针对该工作面复杂的地质条件和煤炭自燃灾害的特点 ,又由于该矿缺少制氮装备 ,中国矿业大学首次大胆的提出了用含空气的三相泡沫防灭火新技术来防治该工作面的煤炭自燃灾害。工艺流程见图 1。首先在制浆池中 ,将一定比例的废水与黄泥搅拌混合形成黄泥浆体 (其中加入图 1 注三相泡沫的工艺流程适当的稳泡剂 ),浆液经过过滤网流入砂井 ,在砂井口处 ,通过发泡剂定量添加泵将发泡剂加入到泥浆中 ,浆液与发泡剂在重力作用下进入井下注浆管道 ,它们经过装在管路中的混合器充分混合后进入发泡器 ,在发泡器中接入连接空气压缩机的空气管路,空气与含有发泡剂的黄泥浆体相互作用产生出三相泡沫 ,形成的三相泡沫在重力的作用下

12、被注入采空区。结合工艺流程和矿区的实际情况,制定出了灌注三相泡沫的主要技术参数(见表 1)。4 工艺的实施由于 N2703 工作面是大倾角俯采 ,根本不能采用往采空区打钻孔灌注三相泡沫的方法 ,因此经过研究决定采用预埋管注三相泡沫 , 在回风巷道紧贴煤柱每隔 20m 预埋一根注浆管 ,三相泡沫经预埋管被注入采空区。开始灌注的时候 ,由于工作面的倾斜 ,三相泡沫容易从回风顺槽的后三角点喷涌而出。 因此于 2005 年 10 月 28 日和 29 日在 1#和 3#点先注沙来形成一道沙墙。于 换行 2005 年 10 月 30 日在 2#和 4#点大量注三相泡沫 ,连续注了 7d。采空区和回风巷道

13、的气体成分采用气囊取样、气相色谱分析法进行分析。其注浆点和取样点布置如图 2 所示。应用效果分析如果采用灌注黄泥浆来防治采空区煤炭自燃,一方面注入采空区的浆体会很快沿倾斜面以及浆液流动形成的“小沟 ”流入进风顺槽以及正在开采的工作面 ,影响正常开采 ,甚至严重恶化井下环境,且会有大量的黄泥浆液被浪费 ;另一方面 ,浆液只沿沟和裂隙流失 ,很可能触及不到火源点 , 对高位火源点不起作用 ,达不到防治效果。 采用三相泡沫后 ,可以很好地克服上述问题 :三相泡沫能将黄泥浆液均匀的分散开 ,很好的留在采空区,大面积覆盖在浮煤的表面 ,能有效的扑灭采空区不确定高温火源点和高位火源点 ,防止采空区煤炭自燃

14、。 N2703 综放工作面采空区从 2005年 10 月 30 日到 11 月 5 日,连续落注了 7d 的三相泡沫 ,共向采空区落注黄泥约 672t,废水约 2600t,但是浆液几乎没有从采空区流出。月 5 日上午 ,从综放面支架后面采空区各个地方的煤体裂隙中看到了三相泡沫扩散出来 ,说明三相泡沫已经均匀充满了整个采空区 ,并进入了煤体的裂隙和漏风通道 ,有效地包裹了整个采空区低、高处的浮煤 ,封堵了采空区的煤体裂隙,对采空区内存在的高温火源点进行了有效的控制和扑灭。经过连续灌注三相泡沫 ,从回风巷、1#钻孔和 2#钻孔取样的气体分析 (图3、图 4)可看出 ,2005 年 10 月 30

15、日以后采空区内的O2 浓度持续下降 ,最终长期保持在5%以下 ,回风巷和采空区CO等标志性气体的含量连续下降 ,同时采空区的温度不断的下降(见图5),C2H4 含量也逐渐变为0。因此三相泡沫快速有效地防治了大兴矿N2703综放工作面采空区的煤炭自燃火灾。结 论换行 本文介绍了三相泡沫防灭火新技术在大倾角俯采综放工作面进行防治煤炭自燃的应用情况 ,通过上述论述可得如下结论 :(1)三相泡沫作为1 种新型的防灭火材料 ,适合于综放工作面采空区煤炭自燃的防治和大范围自燃火灾的扑灭。三相泡沫在采空区大范围的覆盖和堆积 ,对低、高处浮煤能起到很好的防治效果,靠固体不燃物包裹煤体和封堵裂隙 ,水吸热降温和发泡剂阻化自由基产生和润湿煤体来防止采空区浮煤自然发火和扑灭煤炭自燃火灾。(2)灌注三相泡沫是一项新的工艺,该工艺具有流量大、工艺简单、稳定可靠的特点。大流量的三相泡沫注入采空区后能快速地充填并覆盖不明火源 ,具有灭火速度快、效率高的优点。同时三相泡沫具有很好的挂壁性 ,能避免发生溃浆