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露天矿采空区火区快速治理技术研究

时间:2016-03-03来源: 作者: 点击: 295次

张玮1 ,汤笑飞2,朱朝炳2,沈威2,张微2,张云祥2

(1.中煤平朔集团有限公司,山西  朔州036006;2.中国矿业大学  安全工程学院,江苏  徐州221008)

摘要:针对常规的注水、注浆、注氮等技术难以治理露天矿采空区火区的现状,本文采用基于高密度电法与测氡法相结合的火区探测方法和以三相泡沫为主的火区治理技术,构建了包括泡沫发生系统和输运管路系统的综合灌注系统,通过对火区内温度分析,得出三相泡沫灭火技术能够快速、有效地治理露天矿采空区火区,并运用此技术成功治理了安家岭露天矿内20万m2的火区。

关键词:露天矿;采空区火区;高密度电法;测氡法;三相泡沫

1 前沿

煤炭是我国的主要能源,在一次能源生产和消费结构中占70%左右。从空间布局上看,我国煤炭资源主要分布在西北和华北地区,其中新疆、内蒙、山西、陕西、宁夏、甘肃等六省区探明煤炭储量约占全国的80%左右[1],是事关我国能源安全和经济发展的战略能源基地。随着我国煤炭工业布局的进一步西移,上述地区的战略地位日益凸显。然而,这些区域由于长年干旱少雨,煤层厚且赋存浅,加上小煤窑的滥采乱掘,导致煤田火灾频发、火区遍布,其中以新疆、内蒙古、宁夏最为严重。目前新疆共有44处煤田火灾,火区面积达992万m2,年燃煤损失量达552万t,火区威胁储量477亿t,年排放温室气体CO2达到1238万t[2]。内蒙古乌达、桌子山、鄂尔多斯、准格尔、古拉本等几大煤田还存在1903万m2的煤田火区,其中乌达煤田火区2009年的总面积达475.4万m2,比2004年增加了40% [3,4]。宁夏现有煤田火区394.56万m2,每年直接烧失煤炭量近100万t,火区下呆滞的煤炭储量达7872.58万t[5]

地下煤火主要是指在自然条件下,赋存于地下的煤体与空气接触后,发生一系列化学反应,从氧化自燃到剧烈燃烧后形成一定规模,并对环境产生一定影响的煤自燃现象[6]。地下煤火的空间演化以可燃性煤层为基础,以燃烧裂隙为导向,向有利于煤层持续燃烧的环境发展并形成具有危害性的规模。按其成因,可分为自然成因的煤火和人为因素的煤火。前者主要是指在不受外界人为干扰,在自然状态下,煤层发生自燃而产生的煤火,主要是煤层露头火区;后者则主要是指人类活动参与引起煤层自燃的煤火,包括小煤窑形成的火区和大煤矿形成的火区。

小煤窑一般多采用短壁式或掘巷开采,在掘进巷道和采空区内有大量的遗煤,如果漏风通道多或者裂隙严重,则极易发生煤自燃。在露天矿的开采过程中,小窑采空区煤自燃火灾就更为严重,露天煤矿采用爆破剥离煤层,随着开采的继续,煤层及其顶板岩层逐步被剥离,矿区开采范围内的小煤窑也逐步被揭露,漏风的增加导致小窑采空区内的煤自燃现象进一步发展,从而形成大面积的煤田火区。

山西朔州安家岭露天矿大面积煤火就是由于井工小窑滥采乱挖导致采空区遗煤自燃引起的。安家岭露天矿位于山西省朔州市平鲁区,是中煤平朔煤业有限责任公司下属的三大露天煤矿之一,横跨安家岭和安太堡二号两个勘探区。矿田东西宽7842m,南北长6556m,面积28.8832km2。矿区范围内原井工小煤窑数目繁多,且这些小煤窑停产后未及时封闭,采空区、巷道发火情况严重,随着露天矿爆破剥离的进行,小窑上部煤层及其表层逐步被剥离,漏风加剧,火势迅速向纵深处发展,导致安家岭开采平盘内大面积地下火区,严重威胁着矿区安全。

2 火区探测

煤火治理的前提是要找准火区的位置,因此,煤火的探测是煤田灭火的基础。地下煤火的发展在时间和空间上是一个连续的变化过程,在变化过程中,由于火区地质状态的迅速变化,其物理场、化学场也发生同步变化。结合安家岭矿区内火区埋藏浅、地表较松散破碎的特点,采用了高密度电法与测氡法相结合的探测方法[7-9]

在视电阻率拟断面图上分辨电阻率异常区,分析引起电阻率异常的原因,根据采空区和火区在剖面上分别表现为高阻和低阻异常的特性做出判断,并参考矿井开采资料和已有采空区分布资料,定位采空区和火区位置。然后把测氡法预处理后的数据进行成图,并与高密度电法的分析结果进行对比分析,将各测线的火区分布区间标在各测线的对应位置上,综合分析各测线火区位置之间的关联并最终圈定火区范围,共圈定火区15处,面积共计57537.6756 m2,其中面积最大的火区为5号火区,面积达17963.8668 m2

通过前期探测圈定火区与后期钻探实际火区对比,计算得出高密度电法和氡气探测法相结合的探测方案得到的火区的准确度达79%,为后期安排生产计划和布置爆破钻孔提供了重要依据。

3 三相泡沫灭火技术

3.1 三相泡沫发生系统

大流量三相泡沫发生系统由制浆系统、发泡剂添加系统、发泡系统和管路运输系统组成,图1为三相泡沫系统安装示意图。

图1 三相泡沫系统安装示意图

将水、黄土按照一定量的比例加入制浆灌,泥浆在制浆灌内通过搅拌器搅拌均匀后由注浆泵送入管路中,在管路中由定量添加泵加入一定量发泡剂。加入发泡剂的泥浆在三相泡沫发生装置内与空压机提供的压风混合产生大流量、高倍数泡沫,并进入泡沫输送管路[10,11]

3.2 输送管路系统

(1)分流器的制作

为了满足多个钻孔的同时灌注,通过对分流设备进行反复的实验和测试,最后采用能同时满足5个钻孔灌注需求的分流器,如图2所示。分流器入口段与主管路相连,5条支路通过消防水带实现对5个不同的钻孔同时实施灭火。此外,分流器各出口安装闸阀,控制每个钻孔的泡沫量。


1-入口;2-稳压管;3-支管;4-阀门;5-快速接头

图2分流器设计图

(2)管路选型

    安家岭火区面积大、地表火和空洞火错综复杂,不同的火源需要不同的治理措施;同时,灭火系统管路必须根据生产进度及时调整,若采用常规的四寸钢管连接则存在以下不足:管路固定不易移动、耗材大,成本高;管路布置工期长,效率低等。因此,灭火过程中系统主管路采用柔性耐高压DN100高压胶管连接制浆罐、三相泡沫发生系统和分流器,分管路采用DN65、16MPa的高压消防水带链接分流器与灭火介质灌注装置。

(3)地面钻孔用灭火介质灌注装置

煤矿地面钻孔用灭火介质灌注装置由变径钢管、旋转手柄、支撑部件和圆柱橡胶管组成[12]。变径钢管入口为倒扣槽结构,出口车有外螺纹,钢管中下部为倒喇叭形锥柱体结构,其上变径口以上车有外螺纹;圆柱橡胶管内部为光滑锥柱形,外部为粗糙面,套装于变径钢管锥柱体处;支撑部件上部与旋转手柄轴承结构连接,中部为圆形托盘,下部为中空圆环结构,圆环外径与橡胶管外径相同;中空圆环管与柱橡胶管的长度之和等于变径钢管锥柱体的长度,圆柱橡胶管的长度在50-70cm之间;旋转手柄、支撑部件通过内螺纹与变径钢管的外螺纹连接;变径钢管的弯头处设有气体温度采集口和控制阀门,通过控制阀门的开启对钻孔内部温度、气体成分和浓度分析。

4 效果考察

为深入了解安家岭矿火区温度演化规律,探索露天矿小窑采空区火区发展特点,在治理前期、中期、后期分别对火区范围内钻孔温度进行了实地测量,以期利用温度数据考察火区治理效果。根据测量的钻孔温度数据,基本掌握了治理区域内部火区的分布情况,选取了坐标点为(11683,70678)、(11883,70678)、(11683,71223)、(11883,71223)区域内的钻孔,利用Matlab软件绘制了该区域的温度分布图,如图3、图4、图5所示。


图3 安家岭矿第一阶段治理前火区钻孔温度分布图


 

 

 

 

 

图4安家岭矿第一阶段治理中期火区钻孔温度分布图


图5安家岭矿第一阶段治理末期火区钻孔温度分布图

通过对温度坐标值为(11683,70678)、(11883,70678)、(11683,71223)、

(11883,71223)的火区内温度进行对比分析,得出以下结论:

   (1)治理前期,火区范围内温度普遍较高,温度在300℃以上,火势极为严重,这一点在温度分布图上得以证明;

   (2)治理中期,从温度分布图上看,火区温度得到了有效控制。大部分区域温度均低于100℃,局部仍然有高温区域存在,但最高温度不超过200℃;

(3)治理后期,火区温度只有小范围区域超过60℃,大部分区域温度在30℃左右,从温度分析来看,火区范围内的高温点已经熄灭,火区治理效果良好。

5 结论

(1)高密度电法与测氡法相结合的探测方法大大提高了露天矿火区的圈定准确度,通过前期圈定火区与后期钻探实际火区对比,得出火区准确度达79%。

(2)三相泡沫灭火技术同时具备注水、注浆等常规灭火方法的优点,能够在很短时间内将火区的温度降低到30℃左右,保障了人员及设备的安全,保证了安家岭矿完成年度生产进度,9个月内成功治理了安家岭露天矿20万平米的火区,取得了显著的经济与社会效益。


 

参考文献

 

[1]      李洪雁. 西北六省区探明煤炭储量占全国80%[N]. 中国石化报,2010-07-15(7).

[2]      新疆煤田灭火工程局. 新疆维吾尔自治区第三次煤田火区普查报告[R]. 2009.

[3]      周英峰. 发展改革委:2015年前完成境内主要煤田火区治理[EB/OL].  http://www.gov.cn/jrzg/2008-06/14/content_1016442.htm,2008-06-14/2011-02-21.

[4]      贾跃荣. 乌达煤田火灾现状及治理情况调查分析[J]. 2010内蒙古煤炭工业科学发展高层论坛论文集,2010,219-221.

[5]      齐俊德. 宁夏煤田火灾的危害及综合治理研究[J]. 能源环境保护,2007,21(2),36-39.

[6]      张建民,管海晏,曹代勇. 中国地下煤火研究与治理[M].煤炭工业出版社,2008.

[7]      中国矿业大学,中煤平朔煤业有限责任公司. 地下煤火发展区域探测及快速治理关键技术与应用[R]. 徐州:中国矿业大学通风防灭火研究所,2010.

[8]      武建军,蒋卫国,刘晓晨,等. 地下煤火探测、监测与灭火技术研究进展[J]. 煤炭学报, 2009,35(12):1669-1674.

[9]      熊盛青,陈斌,于长春,等.地下煤层自燃遥感与地球物理探测技术[M].北京:地质出版社,2006.

[10]  王德明,张仁贵,李增华,等.防治煤炭自燃的三相泡沫发生装置[P]. 中国专利:ZL 02 1 48411.2, 2004.

[11]  王德明,秦波涛,任万兴.一种用于防治煤炭自燃的三相泡沫制备系统[P]. 中国专利: ZL 1009521308, 2008.

[12]  仲晓星,王德明,曹凯, 等. 一种煤矿地面钻孔用灭火介质灌注装置[P].中国专利: 2010101218015, 2010.


 

作者简介:张玮(1986~ ),男,汉族,山西朔州人,现任中煤平朔集团安家岭露天矿穿爆副主管,主要从事露天矿防灭火及爆破管理工作。

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