浅地表大漏风火区的三相泡沫惰化技术.pdf

技术经验 基金项目 国家自然科学基金项目 50274068 , 教育部博士点基金项 目 20020290001 和 国 家 重点 基 础 研 究 973 项 目 2001CB40960102 资助 浅地表 大漏风火区的三相泡沫惰化技术 周福宝1, 王德明1, 章永久2, 张玉良2, 宋体良1, 李 祥2 1. 中国矿业大学 能源与安全工程学院, 江苏 徐州 221008; 2. 宁夏煤业集团公司, 宁夏 银川 750004 摘 要 在火区漏风严重、 注氮不能奏效的情况下, 应用含氮气三相泡沫惰化了漏风严重的浅地 表火区, 保证了救护队开展缩封工作的安全。 关键词 浅地表火区; 三相泡沫; 漏风; 惰化 中图分类号 T D752. 2 文献标识码 B 文章编号 1003- 496X 2005 05- 0009- 03 1 矿井火区概况 宁夏煤业集团公司白芨沟煤矿位于宁夏回族自 治区石嘴山市境内, 地处贺兰山中段腹地, 是我国优 质 太西 无烟煤的生产基地, 年产能力达 240 万 t。 矿井煤层瓦斯含量大, 矿井绝对瓦斯涌出量为 45. 7 m3/min, 相对瓦斯涌出量为 31. 8 m3/ t。煤层自然 发火期为 12 个月, 煤尘有爆炸危险。矿井采用综采 和综放两种采煤工艺, 4421- 5 工作面为综采工作 面, 2421- 1 工作面为综放工作面 机采高 2. 8 3 m, 放顶煤高度为 7 m 。矿井当前开采深度为 100 m, 受采动影响, 地表基岩存在大量漏风裂隙。 2003 年 10 月 24 日 19 00, 白芨沟矿发现 2421 - 1 采空区的 1700 回风四川永久密闭被摧毁, 确认 采空区发生瓦斯爆炸。矿立即停电撤人, 调整通风 系统, 救护队员在指定地点侦察。到 25 日 5 50, 采 空区发生上百次间断性的瓦斯爆炸。尽管采取多种 措施, 但灾情一直未得到有效地控制, 使受灾范围进 一步扩大。终因灾情难以控制, 爆炸冲击波冲出井 口, 被迫对全矿井实施封闭。全矿井的封闭空间高 达 1 000 万 m3, 形成特大型煤矿井下火区。总体而 言, 白芨沟矿火区具有范围广、 冒落空间大、 火与瓦 斯共存、 地表漏风严重等特点。 白芨沟煤矿是宁夏煤业集团公司的骨干矿井, 年利润达数亿元, 尽快灭火并恢复生产具有重大现 实意义。为此, 宁夏煤业集团公司与中国矿业大学 联合组成课题组, 对灭火、 抑爆、 缩封及火区启封的 关键技术进行研究。在课题组的指导下, 矿井在发 生爆炸后的 1 个多月就安全地恢复了综放工作面的 生产, 13个月后全面恢复生产, 取得了显著的经济 和社会效益。期间, 课题组长期驻守现场, 攻克了多 项技术难题, 取得多项技术成果。浅地表、 大漏风火 区的三相泡沫惰化技术即是其中之一。 2 三相泡沫技术 三相泡沫是由气 氮气或空气 、 固 粉煤灰或黄 泥等 、 液相以经发泡而形成的具有一定分散体系的 混合体∀1。粉煤灰或黄泥浆注入氮气发泡后形成 三相泡沫, 体积大幅增大, 在采空区中可向高处堆 积, 对低、 高处的浮煤均能有效地覆盖, 避免了普通 注水或注浆工艺中浆拉沟现象。氮气能有效地固封 于三相泡沫之中并下落到火区底部, 随泡沫破灭而 释放出, 充分发挥了氮气的惰化、 抑爆作用; 三相泡 沫中的粉煤灰或黄泥等固态物质是组成三相泡沫面 膜的一部分, 可在较长时间内保持泡沫的稳定性, 泡 沫破碎后具有一定粘度的粉煤灰或黄泥仍可较均匀 地覆盖于浮煤上, 有效地阻碍煤对氧的吸附, 从而遏 制煤自燃的进程。这些表明三相泡沫具有降温、 阻 化、 惰化、 抑爆等综合防灭火性能。 3 技术方案的提出 1660 运一川是 2421 区段的运输横川 见图 1 , 该区段的煤层平均厚度为 20 m, 分 2 层开采, 上分 层已回采完毕 如图 2 。该区域地处贺兰山沟谷, 开采深度只有 50 100 m, 受采动影响, 贺兰山地表 存在大量漏风裂隙, 漏风相当严重。与运一川距离 9 第 36 卷 第 5 期 煤 矿 安 全 2005 年 5 月 100 多 m 且相通的 1676 回风一川曾发现明火, 明火 是在巷道处于完全水封状态下靠裂隙的微循环漏风 供氧而维持燃烧的, 这再次表明漏风的严重性。缩 封期间的灌浆出水温度表明运一川附近区域还存在 高温异常区。为了加快火区缩封的进度, 必须及早 完成 1660 运一川的缩封工作。为了保障 1660 运一 川施工的安全, 需保证该地点处于惰化状态, 并防止 1660 中巷内 40 以上 的高浓度瓦斯涌入 运一 川 ∀2,3。由于该区域的漏风十分严重, 地面钻孔表 现为强烈出风。通过钻孔注氮后, 氮气很快随漏风 源流失, 钻孔出气中的氮气组分浓度没有发生明显 的变化。此外, 氮气的密度较空气小, 难以到达运一 川底部区域。这就使得注氮不能对运一川形成有效 的惰化。鉴于此, 课题组提出采用含氮气三相泡沫 惰化运一川的技术方案。现场实测表明, 当三相泡 沫的发泡倍数 10 30 倍, 生成的三相泡沫的密度为 33 100 kg/ m3。标准状态空气密度为 1. 2 kg/ m3, 三相泡沫密度比空气的密度大得多, 因此, 若从地面 钻孔向采空区注三相泡沫和注氮, 密度较大的三相 泡沫在重力作用下更易下落到火区底部。氮气的密 度比空气略小, 因此, 从火区底部释放出的氮气能对 更大范围的空间进行惰化。 图 1 运一川附近火区平面示意图 图 2 运一川剖面图 10 第 36 卷 第 5 期 煤 矿 安 全 2005 年 5 月 4 应用及效果 制氮装置为 JXZD- 700 型碳分子筛变压吸附 式制氮机, 其技术参数见表 1。正常状态下的制氮 流量为 700 m3/ min, 对应的氮气纯度为 97 。为了 提高火区惰化的效果, 加快惰化进程, 可提高制氮的 纯度。根据制氮装置的流量与氮气纯度成反比的特 点, 将制氮装置的流量限制在 600 m3/ h, 氮气浓度 达 98 以上。为了增大三相泡沫中氮气释放速率, 减少了泥浆中的黄土量, 取土水比为 1∃6。表 2 为 注三相泡沫惰化火区的主要技术参数。 表 1 制氮装置的技术参数 安装地点 流 量 /m3h- 1 纯 度 / 出口压力 / MPa 电机功率 / kW 启动时间 / min 南四山头700970. 1 0. 5132 责任编辑 郭瑞年 11 第 36 卷 第 5 期 煤 矿 安 全 2005 年 5 月