注氮惰化采空区防自然发火修改.docx
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注氮惰化采空区防自然发火修改
前言
郑煤集团公司裴沟煤矿位于郑州市西南35公里新密市境内,1966年投产,原设计生产能力60万吨/年,后经两次改扩建,目前矿井年生产能力达210万吨以上。
矿井通风方式为混合式,新副井和深部立井为进风井,中央风井、陈沟风井为回风井。
矿井所采二1煤层属典型的“三软”煤层,平均煤厚为7米,煤尘具有爆炸危险性,爆炸指数为14.99%,煤层自燃发火倾向等级为三级属不易自燃煤层,瓦斯等级为高瓦斯矿井。
32051综放面位于32皮下东侧,北隔32031工作面与32011综放面相邻,南面是未采区,走向长1750米,倾斜长150米,剩余可采走向长度860米。
2005年4月份,工作面涌水量逐渐增至800m3/h,受水患影响,回采速度缓慢,月推进度不足15米,2005年8月,工作面涌水量突然增大到1500m3/h以上,工作面被迫停采。
经专家组考察论证,决定采取打钻注浆技术治理水患,需时一年左右。
此时测得采空区CO最大浓度为160PPm,温度38℃,如何采取措施,有效遏制采面自然发火趋势,确保注浆治水期间的采面安全,已成为亟待解决的首要问题。
依据注浆治水与防治自然发火并重的原则,我们综合考虑、因地制宜,采用采空区注氮惰化技术进行综合治理:
即在采取严格控制工作面风量降低采面风压、堵塞漏风通道封闭采空区、局部高温测点注射MEA灭火剂隔离降温等措施后,进行注氮隋化采空区,有效遏制了采空区破碎煤体自然发火,效果良好,社会、经济效益明显。
采空区注氮防治自然发火技术在裴沟矿32051综采工作面的成功应用,不仅有效地解决了该面的自然发火问题,为工作面的打钻注浆治理水患赢得了宝贵的时间,而且在探索防治自然发火的途径上进行了大胆的尝试,具有较强的借鉴意义。
第一章概况
一、32051工作面概况
工作面位置:
32051综放面位于32皮下东侧,北隔32031工作面与32011综放面相邻,南面是未采区,切巷位于32皮带下山东860米,剩余可采走向长度810米,倾斜长153米。
工作面地质条件:
煤层倾角11--21°,平均19°,煤层厚度1.5-18.4米,平均8.6米。
伪顶厚度0-1米,平均0.5米,直接顶厚2.4-4.8米,平均4米,直接底为砂质泥岩。
老底为L8灰岩。
工作面气体监测情况:
工作面正常回采时上隅角及采空区CO浓度为零;2005年4月因水患工作面推进度受限(平均15米/月),上隅角及采空区CO浓度最大14PPm;2005年8月4日工作面停采,测得各测点CO浓度逐渐攀升,其中采空区11号测点(第83架处)最高浓度达1040PPm,形势十分危机。
二、工作面采空区防灭火的必要性
32051综采工作面自2004年11月开始,受到水患困扰,采面被迫停产。
此前,我们已开始着手对采空区进行注水,对工作面标定测点进行监测,CO浓度(11测点)最高14PPm。
工作面停产后,采空区CO浓度明显有增大趋势。
尽管我们采取了一系列措施,通过调整工作面风量减小压差、堵塞漏风通道、对11号测点等高温点实施注射MEA灭火剂隔离降温进行控制等,虽有效果,但情况较为反复,都不能从根本上解决问题。
第二章技术方案的比较与确定
一、技术方案的比较
用于防治煤层自然发火的措施有灌浆防灭火、注凝胶防灭火、喷洒阻化剂防灭火、均压防灭火注氮防灭火等。
注浆防灭火,容易发生溃浆和透水,不利于工作面整体堵水工作;
采用阻化剂防灭火容易对工作面的液压支架造成腐蚀,且易使井下空气再次受到污染,影响其他地点,特别是工作面堵水地点工作人员的人体健康。
注凝胶防灭火同样容易造成井下空气的再次污染,而且还必须充满全部空间,这样将影响下流水巷的水路疏通;
均压防灭火,必须有完整的区域风压,而用于疏水的下流水巷漏风,势必影响整体均压灭火;
二、技术方案的确定
尽管我们采取了一系列措施,通过调整工作面风量减小压差、堵塞漏风通道、对局部高温点实施隔离降温进行控制等,虽有效果,但情况较为反复,都不能从根本上解决问题。
通过向采空区注氮惰化采空区,局部高温点注MEA—灭火剂等综合措施遏止自然发火不仅能兼顾32051工作面的防治水工作,还能为人员进入工作面观察水情和支架保护情况创造了条件。
因此,采用通过向采空区注氮惰化采空区,局部高温点注MEA—灭火剂等综合措施来达到遏止自然发火的目的,是可行的、稳定的。
第三章技术方案的实施与效果考察
第一节防灭火技术原理
根据煤层自然发火的条件,总结出:
利用较为封闭的煤层及采空区的空间内注入惰性气体,使其把采面中与空气中的氧气相隔离,是煤层失去自燃的条件,从而达到预防、遏止煤层自然发火的目的。
第二节注氮系统
一、制氮系统工作原理
本装置(DM-600型膜分离制氮机)制氮系统为中空纤维膜分离制氮技术。
中空纤维膜分离气体的总过程是由溶解和扩散两步组成的。
即混合气体(空气)在中空纤维膜的高压侧表面,以不同的溶解度溶于膜内,然后在膜底侧压力差的推动下,混合气体的分子以不同的速度,向膜的低压侧扩散,渗透速率较快的气体如:
水、氧气等,透过膜后在膜透侧被富集,而渗透速率相对较慢的气体如:
氮气、氩气等则在滞留侧被富集,从而达到混合气体分离的目的。
高浓度(97%以上)的惰性气体(主要成分是N2)通过管道被压入已采取措施相对封闭的采空区,置换出采空区的空气,大量的惰性气体源源不断的压入,采空区被逐渐“惰化”,破碎的煤体在无氧状态下就丧失了自然发火的必要条件,进而达到防治自然发火的目的。
二、注氮系统有关参数
32051工作面注氮主管路采用无缝钢管,直径为100mm,管路长度360m.制氮机型号为DM-600型井下移动式膜分离制氮机。
系统参数:
氮气产量580m3/h,氮气出口压力≥0.9Mpa,氮气纯度为97.5%-98.5%。
1.DM-600型膜分离制氮机性能指标:
产气量:
600m3/h
氮气浓度:
≥97%O2≤3%
氮气进口压力:
≥0.8Mpa(可调)
空压机功率:
185Kw额定工作电压:
~660V
制氮机功率:
24Kw额定工作电压:
~660V
冷却水量:
25m3/h
2.注氮方式的选择:
注氮方式有两种:
即连续式和间歇式。
采用那一种方式,取决于氮气在采空区滞留的时间等,根据裴沟矿32051工作面实际现状,漏风所能渗透的范围较小,渗气性较差,氮气在采空区内滞留的时间相对较长,因此,我们在注氮时采用了间歇式。
3.注氮孔布置
工作面通过气体观测孔向采空区注氮,管路编接从上切口一趟4寸钢管上编接两趟高压管路,一趟变为Ф25mm高压管,每隔10米安一个三通接Ф13mm高压管与观测孔连接;另一趟高压管为Ф38mm直接与下尾巷十寸观测孔连接,向采空区注氮。
4.注氮口位置
A注氮释放口的位置既要保证在"氧化带"范围内,又要考虑氮气在采空区的扩散半径,要使氮气在采空区的有效扩散区域覆盖整个"氧化带"。
氮气扩散半径取10m。
注氮区域为整个"氧化带"。
则:
氮气释放口距采面的最小距离:
Lmin=L0+Ln
(1)
式中:
Lmin----注氮口距工作面的最小距离m
L0----采空区散热带的宽度m
Ln----氮气的扩散半径,m
氮气释放口距采面的最大距离:
Lmax=L1-Ln
(2)
式中:
Lmax----注氮口距工作面的最大距离,m
L1----采空区散热带与氧化带的宽度之和,m
根据我矿"三带"的划分,"散热带"取5m,"氧化带"取25m则:
Lmin=15mLmax=20
B采空区每次间歇注氮所需最小量和时间:
采空区间歇注氮时,每次注氮必须将采空区氧化带的氧含量降到7%以下时,才能起到防火作用,每次注氮的最少时间用公式(3)计算确定注氮量,原则是氮气充满整个需要惰化处理的区域,
因此,按下式计算注氮量:
Q=K1×W×L×H×L2(3)
K1----注氮系数,一般取3;
W----惰化带长度,取157m
L----惰化带宽度,取25
H----惰化带高度(采放高度)取平均值9.5m
L2----松散系数,取0.5。
将以上数据代入⑶式得出Q=55932m3,制氮机流量为600m3/h,所以第一次注氮时间不得少于94小时。
以后,每次注氮开停时间根据所监测采空区相关参数而定。
5.注氮系统管路布置
氮气从制氮机出口压出后,经32051上副巷→32051工作面→32051下尾巷10寸观测孔→32051采空区。
第三节技术方案的实施
采空区注氮惰化必须从风量风压调整、采空区封闭漏风通道处理、高温点的控制等方面进行管理,否则,将严重影响注氮效果。
一、调整工作面风量
在保证工作面瓦斯、温度、风速等符合《规程》规定的前提下,将工作面风量由1200m3/min,下调为350m3/min,降低了工作面上、下切口压差,减少了向采空区的漏风量,为采空区注氮惰化创造条件。
二、封闭隔离采空区
在32051下流水巷打板闭,上面喷涂快速密闭,杜绝经流水巷向采空区的漏风通道。
上、下尾巷及煤墙侧,用编织袋装煤接帮顶构筑挡风墙,再注入罗克休,堵塞漏风。
将水泥、黄土按1:
3的比例,对综采支架架间缝隙、放煤窗口、上下安全出口5米的巷道、煤墙侧装煤编织袋墙缝隙,进行抹糊,进一步减小漏风。
通过支架放煤口及架缝,向采空区及架顶打钻,孔深4-6米,角度45°或70°交替布置,下入1寸套管,通过1寸套管压注罗克休,对采空区及架顶的破碎煤体实施全面封闭隔离,使其处于“低氧状态”。
三、对高温点注射MEA煤矿灭火剂隔氧、降温
在上切口5米范围内打4个深孔,终孔位于支架后身5至10米煤层顶板,深度14至20米,深孔控制范围为82架至上尾巷。
在1.5m3的容器中,按1吨水配10KgMEA灭火剂比例,配好并搅拌均匀,利用KBY-70/80型液压注浆泵,通过上切口4个深孔向采空区压注MEA灭火剂,对采空区破碎煤体进行了大面积胶结、隔氧、降温。
通过以上技术处理,32051采空区处于一个相对低氧、稳定的封闭空间,满足注氮惰化的施工要求。
四、适时监测
根据现场实际条件:
80架向上每两架、80架向下每五架通过支架天窗孔口楔入4分钢管,平均深度4米,角度60°做观测孔,每班由救护队员分两组,每组两人对指定测点进行抽取气样、检测温度进行分析,发现异常及时采取措施对异常地点进行治理,消除隐患。
通过对采空区破碎煤体自燃隐患的检测监控,牢牢把握住了防灭火的主动权,而且针对防灭火起到了很好的指导作用。
32051综采面采空区注氮惰化前后
相关参数对比表
测点
编号
具体
位置
注氮前
注氮后
CO
ppm
CO2
%
CH4
%
O2
%
T
℃
CO
ppm
CO2
%
CH4
%
O2
%
T
℃
1
回风流
0
0.1
0.15
19.5
23
0
0.1
0.12
19.6
24.7
2
上隅角
0
0.1
0.12
19
27
0
0.1
0.14
19.4
24.6
3
101架
230
0.6
14.4
11.3
26
0
1.2
9.5
3.5
24.7
5
97架
260
1.4
10.2
10.6
27.4
130
2.2
11.2
0.4
24.5
7
92架
100
1.2
9.3
9.2
27.3
0
1.6
9.6
5.3
24.6
11
83架
1040
1.1
8.7
13
35
0
0.8
9.3
0.2
24.5
15
69架
250
0.8
0.98
16.7
27
0
0.1
0.2
15.2
24.5
19
50架
0
0.1
0.31
20.2
25
0
0.1
0.16
19.2
24
23
30架
0
0.1
0.23
20.2
24.6
0
0.1
0.18
19.2
24.2
25
20架
0
0.3
0.26
19.8
24.5
0
0.1
0.14
19.3
24
第四节效果考察
制氮及其浓度指标考核:
根据《规程》要求,采空区惰化注入的氮气浓度不得小于97%,且氮气源稳定可靠。
该面所选制氮设备性能稳定,制氮浓度完全符合规定要求。
2005年9月23日制氮机开始试运行,利用下尾巷10寸观测孔,不间断地向采空区输送氮气,惰化采空区,相关参数逐渐下降,趋于稳定状态,11测点温度从35℃逐渐降低到25℃。
CO从1040PPm逐渐降至0PPm,氧气浓度从20%降至0.2%。
彻底解决了采空区破碎煤体自燃的发生。
第一阶段累计注氮1580小时。
第四章效益分析
32051综放面采空区通过注氮惰化,解决和控制了自然发火隐患,为该面彻底治理水患赢得了时间,解决了后顾之忧。
方案实施之初购置注氮机、MEA灭火剂、罗克休都需要一定的安全投入,但通过该方案的实施有效地控制了采空区自然发火隐患,为该面治水工作有条不紊的开展创造了有利条件,并提供了强有力的安全保证。
治水期间,职工情绪高涨,矿井各项工作开展正常,有力的促进了矿区的社会稳定,社会效益十分明显。
第五章关键技术和创新点
1.注氮前,必须对工作面的风量进行控制,减小压差,减少漏风量,为采空区注氮惰化创造条件。
2.注氮前必须对所有通向采空区的漏风通道进行封堵,定期对封堵效果检查。
3.建立专项台帐,对制氮机的运转情况、相关参数、各测点气体监测情况进行详实记录,发现问题,及时处理。
4.注氮前,必须建立专项措施,对采空区的监测、注氮防泄漏、专业注氮技术人员的操作规范等等,作出规定。
第六章结论
1、采空区注氮防灭火工作,环节多,涉及面广,必须统一安排协调处理。
2、要保证注氮效果,必须从风量风压上控制、漏风通道处理、高温点隔绝等环节进行综合去虑,并严格落实。
3、注氮效果的监测,必须准确及时。
4、加强注氮机的检修工作,确保运转正常,各项技术指标符合规定。
5、通过对32051综放面采空区注氮惰化的尝试,摸索出了一些注氮防灭火的规律,对类似条件下的防灭火工作,有较强的指导意义,为在炮采工作面及其他采空区进行防灭火工作,提供了借鉴,具有较好的推广应用价值。
6、氮含量的高低、煤墙及采空区等地点的封闭效果、注氮时间的长短,是注氮防灭火效果体现的关键。