佳新能源煤层自燃综合治理技术研究2010.5.doc

佳新能源煤层自燃综合治理技术研究 黄献平 魏满刚 张道树 王华胜 （冀中能源 井陉矿业集团，河北 石家庄 050100） 摘 要为了防治佳新能源公司综放采面采空区煤层自燃防治问题，在对1501综放首采面自然发火危险性分析、煤层取样低温自燃和空区注氮模拟实验的基础上，针对可能产生自然发火的地点、时间和发火原因制定了以注氮为主，工作面上下端头砌编织袋密闭堵漏、工作面架间喷洒阻化剂等为辅的综合防治技术措施，并成功地对1501综放面采空区自然发火危险进行了治理。实验证明，保证采空区注氮防火效果的关键是减少采空区漏风、缩小氧化带，前移窒息带和降低被氧化浮煤的温度。 关键词综放工作面；自燃发火；注氮 矿井自燃火灾是影响矿井安全生产的主要因素之一。此类灾害形势严峻，对其实施救灾困难较大，且极易引起瓦斯、煤尘爆炸，造成人员和财产损失。因此，研究自然发火的可能性和防治措施的可行性具有重要意义。 佳新能源公司可采煤层为14、15号煤。矿井批准15号煤层，14号煤层待批。可采煤层均位于太原组下段，层间距6.37m。14号煤层稳定，结构简单，平均煤厚1.07m，中灰、中高硫贫煤 ；15号煤层结构复杂，含1-3层夹矸，单层夹矸厚度最大可达0.5m，平均煤厚6.20m，顶板为砂质泥岩或粉砂岩，底板为泥岩，上距14号煤直接顶K2石灰岩平均7.44m，低灰中灰、中硫中高硫贫煤。2007年山西省煤炭工业局综合测试中心检验报告结果14、15煤层煤尘有爆炸性，自然等级为Ⅰ，自燃倾向性为容易自燃。矿井在整合前老采，于1996年、2002年、2005年、2006年、2008年分别发生过煤层自燃发火现象，现已封闭；与矿井相临的阳泉矿务局石港矿煤层自燃严重，已相继两个综放工作面因自燃而封闭，自燃发火期为76天。2008年矿井整合后，我矿准备的第一个综放面1501工作面走向长930m，倾向80～120m，储量90万吨。工作面构造简单，煤岩层倾角3～12，以东隔30m为老窑空区，以北、以西是未采掘新区，以南是采区下山煤柱。 1 首采面自然发火危险性自然条件分析 一是14、15号煤层均为燃点低、自然发火期短、自然倾向等级Ⅰ，且均为中硫-中高硫煤层；二是放顶煤开采（煤厚6.2m，采2.4m，放3.8m），煤层回收不彻底，空区浮煤为自燃创造物质基础；三是含硫更高的14号煤下距15煤6.37m，15号煤层放顶后，14号煤层垮落至空区上部，是引发空区自燃的一重大隐患；四是14号煤层顶板K2灰岩，平均7.44m，致密坚硬，在15煤层回采后，不易垮落，形成空区非致密带，为诱导自燃创造空间。总之，解决采面空区煤层自燃难题成为矿井安全生产的关键所在。 2 矿井标志性气体的试验与确定 2.1 煤样试验测定 通过对采面进风巷、回风巷、工作面15号煤层、总回风上山14号煤层取样，采用CSC-B2煤低温自燃实验台进行实际测试。试验台由煤升温氧化装置、煤温检测和温控装置、气体分析系统、供风系统四个主要部分组成；试验样品重量450g，温度范围为室温到200℃左右，进气流量为60ml/min；具体升温过程是先以约1℃/min的速度将煤温升高25℃，然后保持煤温恒定25min左右后，再以约1℃/min的速度将煤温升高15℃，然后保持煤温恒定25min左右，依次类推。 2.2 实验结果数据分析 1） CO与煤温的变化关系（附图） CO是煤在氧化自热过程中生成的主要气体产物之一，具有生成时间早，生成量大，生成量随温度的升高基本按指数规律增加等特点。如图所示，煤样的CO最早生成温度基本都在30℃，发生速率的总体趋势也基本相同，随着煤温的升高CO的发生速率增大，尤其是在145℃左右出现突变，表现出了极强的规律性，有着良好的指数对应关系，可见CO是检测煤炭早期自然发火非常灵敏的指标。 2） 甲烷与煤温的变化关系 煤层中的甲烷主要是在成煤时期煤吸附形成的，因而在低温加热过程中产生的甲烷可认为是煤吸附甲烷气体脱附的结果，而不是氧化的产物。如图，随着温度的升高，煤与空气中的氧气发生氧化反应也生成大量的链烷，不同取样点甲烷浓度变化差别很大，不能表现出很强的规律性，因而不取甲烷作为预测煤自燃发火的指标气体。 3） 乙烷与煤温的变化关系 实验结果由图可得乙烷浓度随温度变化整体逐渐上升，但有些煤样基本没有变化，各煤样测得的乙烷数据有较明显的差异，规律性不明显，所以乙烷不宜作为预测煤自燃发火的指标气体。 4） 乙烯与煤温的变化关系 实验发现煤温在升高到90℃左右时会解析出乙烯（C2H4），一般矿井的大气中不会含有乙烯的，因此，只要当井下空气中检测出乙烯时，就可判断煤已经发生自燃了。各煤样有少量C2H4出现，随温度变化趋势不明显，增减差别比较大，规律性不明显，但C2H4灵敏度较高，可将乙烯作为预测煤自燃发火的指标气体。 5） 二氧化碳与煤温的变化关系 实验结果从图中可以发现二氧化碳从升温实验刚开始（20℃）就开始出现；在100℃以前，二氧化碳的产生量随温度升高而略有上升；100℃以后，二氧化碳的浓度呈现出频繁的起伏变化，规律性不明显；所以二氧化碳不宜作为预测煤自燃发火的指标气体。 6） 烷烯比（C2H4/C2H6）与煤温的变化关系 实验结果烯烷比随温度的升高基本呈现出先升高后降低的趋势，虽然各煤样呈现出相似的趋势，但这种变化趋势却发生在不同的温度段内，不同煤样变化幅度也不相同，无明显的规律性，所以烯烷比（C2H4/C2H6）不宜作为我矿预测煤自燃发火的指标气体。 2.3 指标气体的优选 通过对14，15煤层多个煤样的升温氧化实验数据分析，可以把一氧化碳和乙烯作为该矿预测煤自燃发火的指标气体。首先，只要检测到一氧化碳的存在，且持续存在，说明发火点温度已经达到了30℃以上，如果浓度持续增加，说明煤的氧化进一步加强，如果发现含量出现突变，说明进入加速氧化阶段，就是煤炭自燃的可靠象征。一氧化碳作为预报的温度为30～200℃；其次，乙烯的灵敏度较高，准确性较好，只要检测到乙烯，便可以判定自燃发火进入了加速氧化阶段，预报温度为110～200℃；再是，在110～200℃这段温度范围内用一氧化碳和乙烯同时作为指标气体，旨在保证预测的准确性，因此在检测到一氧化碳的同时，需同时检测到乙烯的含量。一旦发现一氧化碳含量持续增加，而乙烯同时出现，表明煤自燃已进入加速氧化。 3 预防性注氮技术 注氮是矿井防灭火的一项重要技术。实践证明当氧含量降低到5～10％时，可抑制煤的氧化自燃，而氧含量降低到2％以下时，则可以使煤炭燃烧熄灭并阻止其复燃。注氮防灭火优点一是资源丰富，工艺简单；可使防治区域缺氧惰化，迅速灭火；二是造成防治区域正压，防止或杜绝新鲜空气流入，以保持氮气惰化度；三是具有降温作用；四是扩散半径大，惰化覆盖面广；五是不污染防治区，无腐蚀作用；六是注氮属一次性投资，管理方便。注氮防灭火缺点一是在存在漏风通道的情况下，氮气易遗失，不能像泥浆那样长期起到防灭火作用；二是注氮能迅速遏制火灾，但灭火降温困难，使火区完全熄灭时间相当长，因此，注氮灭火的同时，要辅助其它灭火措施，处理残火，以防复燃；氮气本身虽无毒，但具有窒息性，对人体有害（井下作业场所氧含量下限值为19％）。 3.1 采空区注氮效果数值模拟 采空区气体的流动规律属于多孔介质渗流。根据我矿地区特点，注氮对预防自燃、特别是采空区自燃具有较好的效果。其原因相比其它措施主要有一是采空区火源点往往处于高位，其它措施难以到达高处，而氮气相对空气比重轻，具有充填高处的能力；二是因为有14煤层的作用，氮气可充填上部孔隙，起到对14煤层预防作用。 采空区注氮CFD模拟显示 1）注氮管在采空区距工作面10米处（附图3-1） 图3－1采空区横断面的氮气浓度等值线图 图3－2采空区横断面氮气浓度分布等值线图 2） 注氮管在采空区距工作面20米处（附图3-2） 3） 注氮管在采空区距工作面30米（附图3-3） 图3－3采空区氮气浓度等值线图 图3－4采空区横断面氮气浓度分布等值线图 4） 注氮管在采空区距工作面35米（附图3-4） 根据模拟结果显示，在进风侧顺风注氮，氮气流经采空区深部，取代了工作面向采空区的漏风，尤其是在距工作面30米处的采空区注氮，缩小了采空区高氧浓度的范围，氮气利用率较高，有效地控制了采空区遗煤升温自燃的危险性。 3.2 采空区防火惰化指标 预防综放面采空区内煤炭自然发火，重点是将采空区氧化带进行惰化，使氧含量降到阻止煤炭氧化自燃的临界值以下，从而达到使氧化带内的煤炭处于不氧化或减缓氧化的状态。 按煤炭氧化自燃的观点，采空区气体组分中除氧气外，氮气、二氧化碳等均可视为惰性气体，对煤炭的氧化起抑制作用。氧气是煤炭自燃的助燃剂，注氮后采空区氧化带内氧气浓度的高低反映出注氮效果的好坏，因此把氧含量临界值作为惰化指标是合理的。理论与实践表明当氧含量降低到5～10％时，可抑制煤的氧化自燃，我国煤矿安全规程明确规定，注氮后采空区氧化带氧含量应小于7；因此在拟定采空区防火惰化指标时以7作为设计依据。 3.2.1 采空区注氮流量理论计算 由于煤矿条件千差万别，目前没有统一的计算公式，只能按综放面的产量、吨煤注氮量、氧化带内氧含量进行计算。 1） 按产量计算 此法计算是在单位时间内注氮充满采煤所形成的空间，使氧气浓度降到惰化指标以下，其经验计算公式为 式中 注氮流量，m3/h; 工作面年产量，t，取45万吨； 年工作日，取330d； 煤的密度，t/m3，1.42 t/m3； 管路输氮效率，取0.9； 采空区注氮效率，取0.7 空气中的氧含量，取20.8； 采空区防火惰化指标，取7。 则 2） 按吨煤注氮量计算 此法计算是指综放面每采出一吨煤所需要的防火注氮量。根据国内外的经验每吨煤需5m3氮气量，可按式计算注氮流量 式中注氮流量，m3/h; 工作面年产量, 取450000t; 工作面回采率，取95； 年工作量，取330d. 则 3） 按采空区氧化带氧含量计算 此法计算是将采空区氧化带内的原始氧含量降到防火惰化指标以下，按下式计算 式中注氮流量, m3/h； 采空区氧化带的漏风量，取90m3/h; 采空区氧化带内原始氧含量，取平均值14; 注氮防火惰化指标,取7; 注入氮气中的氮气纯度，取97。 则 取以上计算结果最大值269.9m3/h,再乘以安全备用系数1.3，则合理注氮流量为 3.2.2 注氮量计算 工作面采用间歇式注氮时，每次注氮必须将采空区的氧化带的氧气含量降到7％以下，才能达到防灭火的作用。 注氮量公式 式中 注氮总量； 注氮系数,取3； 惰化带宽度（工作面斜长）,120m； 惰化带长度，25m。 惰化带高度（采放高度），取其厚的平均值6.2m； 煤的松散系数,取0.5； 即 因注氮机采用2500，最大流量为500m3/h，因此第一次的注氮时间应不少于55.8小时，此后注氮时间由采空区的氧的浓度决定。 建议正常开采的工作面，一般要实行连续式注氮，只有具备了在本煤层注氮防火的实践经验，并且基本掌握了采空区后方“三带”的分布情况，同时具备在任何时间都可以随时注氮的条件后，才可以考虑间歇式注氮方法。相比较连续式注氮，间歇式注氮可以大量节约氮气，可有效减少成本。 采空区或巷道一旦发生火灾，采用注氮法灭火时，注氮初期流量要大，这是因为一方面要迅速将火区空间惰化，另一方面注入的氮气还要惰化漏进的新鲜风流。火区惰化后，继续注入的氮气主要起惰化漏风的作用，注氮流量就相应减少。通常灭火注氮量可按封闭火区体积的3倍左右计算。 实验研究表明为防止采空区内可燃性气体因明火而发生爆炸，火区惰化指标应以氧含量低于3为设计指标。 4、其它预防措施 4.1 防火措施应遵守的4条基本原则一是消除或尽量减少自燃的物质基础。据研究，煤厚0.5m 时方可产生自燃火源，因此，在留有遗煤的地段应尽量增加其分散度。根据这条即可大致判断火源位置。二是控制漏风在易燃风速区V（易燃风速0.06m/minV＜1.2m/min）之外，抑制氧化速度、减小氧化生热。三是采用通风、增大散热面积和增加煤体湿度等方法以增大散热强度，抑制煤温升高。四是采用降低氧化速度、增加散热强度等方法延长煤层的自然发火期。 4.2 简化巷道布置系统一是尽量不施工或少施工生产辅助巷道，减少对工作面通风防灭火漏风工作的管理难度。二是合理安排开采顺序，尽量不采用“间隔跳采法” 形成孤岛采煤。严格采煤工艺，提高回采率，减少人为丢煤量。加快工作面推进速度月推进度一般不低于50米。设置导风障在工作面上部支架间设置导风障，导风障位置从正排至支架后立柱斜导向后排，用以排除后排及后排支架顶部CO及瓦斯。移架时所设风障要随支架一同向前移动。架间喷洒MgCI2阻化剂利用自然水压24小时不间断向采空区喷洒MgCI2阻化剂，阻化剂以漏风风流为载体随漏风风流飘移到易自燃煤体表面，延缓煤的氧化。上下端头垒沙袋墙随工作面的推进每间隔5m在上下端头垒一道沙袋墙，减少向采空区漏风，缩小氧化带范围，使窒息带前移。 5、合治理效果 经佳新防治自燃综合技术研究，不断优化防治措施，使首采综放面发火隐患解除，工作面正常生产12个月至回采结束。经对实测数据分析，达到了缩小氧化带、窒息带前移，改变漏风深度的目的。进一步完善了矿井防灭火技术，增强防灭火能力，保障了矿井的安全生产。