喬國厚,張公慈,呂建立(義馬煤業(yè)集團公司耿村煤礦,河南澠池472431)

摘　要:耿村煤礦一綜放工作面發(fā)生一起大面積火災(zāi),工作面面臨封閉危險。三相泡沫新技術(shù)在治理該特大火災(zāi)中充分發(fā)揮了三相泡沫覆蓋面廣、滅火快、效果好的特點,以較快的速度撲滅了火災(zāi),同時應(yīng)用了泥漿膠體和噴漿堵漏等綜合滅火技術(shù)有效處理了火情。

關(guān)鍵詞:礦井火災(zāi);三相泡沫;火區(qū)綜合治理

中圖分類號:TD75+2.2　　　文獻標識碼:B　　　文章編號:1003-496X(2006)06-0023-02

　　自1984年沈陽礦務(wù)局蒲合礦進行了我國第一個綜采放頂煤工作面開采實驗以來,綜放開采技術(shù)得到逐步改進和完善,發(fā)揮了良好的經(jīng)濟和社會效益,但還有一些關(guān)鍵技術(shù)亟待解決,易自燃煤層綜放開采的防火技術(shù)就是其中之一。眾所周知綜放工作面火災(zāi)一般發(fā)生在“兩道”“兩線”,而“兩道”則因煤體暴露時間長更易自然發(fā)火。國內(nèi)外廣泛采用黃泥灌漿、噴灑阻化劑、注惰氣、凝膠、膠體泥漿、阻化氣霧、泡沫樹脂,壓注惰性泡沫等技術(shù)及材料進行綜放面防滅火取得了良好效果,義馬煤業(yè)集團耿村礦在綜放面進風(fēng)巷則采用了以三相泡沫為主并輔以其它滅火手段,有效處理了一起重大火災(zāi)。

1　三相泡沫組成及滅火機理

1.1　三相泡沫組成

三相泡沫是由固態(tài)不燃物(粉煤灰或黃泥等)和惰氣,再加入一定量的表面活性劑(發(fā)泡劑、穩(wěn)泡劑),以一定分散度分散在水中形成的體系。由于在純固-液漿液中和純水中一樣,很難形成固-液-氣的三相泡沫。因此必須加入表面活性劑來降低漿液的表面張力,再將氣體通入漿液中,通過加壓或強烈的機械攪拌形成三相泡沫。

1.2　三相泡沫防滅火機理

三相泡沫被注入到采空區(qū),進行防滅火,主要發(fā)揮以下三方面的作用。

(1)隔絕空氣,阻止煤的氧化。三相泡沫中含有固態(tài)不燃物,它們是三相泡沫面膜的一部分,可較長時間保持泡沫的穩(wěn)定性,即使泡沫破碎了,具有一定粘度的固體顆粒仍然可較均勻地覆蓋在浮煤上,可持久地減少浮煤表面的O2濃度,從而有效地阻礙、破壞碳氧絡(luò)合吸附與解吸,防止煤的氧化。漿液通過注入惰性氣體后形成三相泡沫,體積大幅度增大,在采空區(qū)中堆積的高度可達3~4 m,對低、高處的浮煤都能覆蓋。同時,三相泡沫具有很好的堵漏性能,能減少漏風(fēng)供O2,減少采空區(qū)內(nèi)O2濃度,從而降低反應(yīng)速率和產(chǎn)熱量,達到防止煤炭自燃的目的,這是三相泡沫的防滅火性能的特點之一。

(2)增加煤體外在水份,吸熱降溫,抑制煤炭氧化的發(fā)展。采空區(qū)浮煤自燃反應(yīng)的速度隨煤體和環(huán)境溫度的升高而快速增大,而采空區(qū)內(nèi)的碳氧絡(luò)合吸附與解吸的反復(fù)循環(huán),將不斷地氧化產(chǎn)熱,提高環(huán)境和煤炭的溫度,導(dǎo)致煤炭氧化進程速度加快,從而引起自然發(fā)火。但三相泡沫中的漿水具有吸熱降溫作用,從而,可以降低化學(xué)反應(yīng)的速率,減少反應(yīng)的產(chǎn)熱量,避免環(huán)境溫升。

(3)惰化采空區(qū)。若采空區(qū)中O2濃度充足,則煤自燃的化學(xué)反應(yīng)速率和放熱速率就會增大。因此,在必要時,需要降低采空區(qū)內(nèi)的O2濃度。三相泡沫的泡沫內(nèi)包裹大量的N2,隨著泡沫的破裂,N2被釋放出來,能較長時間滯留在采空區(qū)中。同時三相泡沫具有很好的穩(wěn)定性,能在很長的時間內(nèi)不斷的釋放出N2。泡沫破裂后,N2就可以充滿任何形狀的有限燃燒空間和預(yù)防自燃的空間,發(fā)揮它的阻燃抑爆作用,使采空區(qū)的氣體惰性化。這樣不僅可以對煤礦采空區(qū)深部、高冒之處以及人們難以接近的地點進行防滅火,而且可以防止瓦斯和煤塵的爆炸。

2　工作面概況

(2-3)12190備用工作面位于耿村煤礦西采區(qū)2-3煤軌道下山東側(cè),北側(cè)和南側(cè)均為2-3煤實體;工作面走向長1 060 m,傾斜長170 m,煤層厚度為11~15 m,傾角為9°~13°。該面上、下巷采用11#工字鋼對子棚支護,棚距0.5 m,梁長3.1 m,柱長2.8 m,用金屬網(wǎng)片(1 000 mm×600 mm),上面鋪彩條布進行支護。由于采用綜放工藝采煤,巷道沿底掘進,頂煤厚度約在8 m左右。煤種牌號為長焰煤,屬于極易自燃煤層,自然發(fā)火期為1個月,最短僅為14 d。12190工作面上、下巷于2005年10月24日貫通,貫通后進風(fēng)量為1 100 m3/min,回風(fēng)流瓦斯?jié)舛?.6%~0.7%。10月30日,通風(fēng)區(qū)發(fā)現(xiàn)工作面下巷892 m處出煙后,采用常規(guī)的打鉆孔和黃泥注漿方法處理火區(qū)。由于此段巷道正處于斷層附近,煤層變軟;并且是以11°~13°的上坡由煤層底板向煤層頂板的過渡地段,巷道頂煤破碎,空頂嚴重,因此形成高冒區(qū)面積大,漏風(fēng)嚴重;同時,由于工作面的風(fēng)速過高(超過2 m/s)以及巷道高冒區(qū)內(nèi)積存有瓦斯,所以火區(qū)的面積不斷擴大, CO濃度急劇上升,11月3日上午,上巷CO濃度為800×10-6,4日急增至1800×10-6,巷道內(nèi)濃煙滾滾,常規(guī)的滅火手段收效甚微,整個礦井的安全生產(chǎn)受到非常嚴重的威脅。

3　綜合治理火區(qū)的方案和經(jīng)過

(2-3)12190工作面火災(zāi)事故發(fā)生后,礦領(lǐng)導(dǎo)立即召集廣大工程技術(shù)人員,對火區(qū)情況進行了認真、深入細致的研究,確定了以三相泡沫快速滅火為主,以膠體泥漿充填和噴漿封閉相結(jié)合的綜合滅火方案。具體實施的方法和經(jīng)過如下。

3.1　施工鉆孔探明火區(qū)位置,控制火區(qū)蔓延速度11月5日8:00-6日,由該礦二掘隊從下巷880m處向里、向外同時施工深鉆孔,對火區(qū)的范圍進行準確的判定。鉆孔施工的技術(shù)要求是:每3 m打1排,每排2個孔,孔深以打到煤層的頂板為止,鉆孔成孔后,在鉆孔內(nèi)下入Φ38 mm的套管,立即進行大流量灌漿降溫,控制火區(qū)的蔓延速度,為實施壓注三相泡沫快速滅火做好準備。最終探明明火的范圍為860 ~940 m。

3.2　采用三相泡沫新技術(shù)快速滅火

(1)工藝流程。根據(jù)三相泡沫的原理結(jié)合耿村礦的具體情況,采取了如圖1所示的注漿工藝:首先在地面制漿站,將一定量比例(4∶1~5∶1)的水與黃泥混合攪拌形成黃泥漿體后,經(jīng)漿溝輸送到注漿管路口。利用添加泵將發(fā)泡劑和泥漿相混合,進入井下滅火地點的發(fā)泡器中,發(fā)泡器的另一路接N2管,含有發(fā)泡劑的漿液在N2的引入后經(jīng)過發(fā)泡器發(fā)泡,產(chǎn)生大量的三相泡沫,最后通過套管輸送到高冒區(qū)。流程圖如圖1所示。

　　(2)主要技術(shù)參數(shù):①制漿量:20 m3/h;②N2供應(yīng)量:>600 m3/h;③三相泡沫發(fā)泡倍數(shù):30倍;④發(fā)泡劑添加量:0.5/100。

(3)灌注情況。從11月6日下午1:00開始對火區(qū)進行灌注至7日凌晨5:40,共注16 h 40 min,共向火區(qū)注水250 m3,黃土30 m3,約5 000 m3的三相泡沫(理論上應(yīng)注入7 000 m3以上)。大量的三相泡沫在高冒區(qū)迅速堆積,有效地控制了火區(qū)的蔓延, CO等標志性氣體濃度呈迅速下降趨勢,到11月12日,CO濃度降為0,采用三相泡沫滅火技術(shù)實現(xiàn)了快速滅火的目的。

3.3　膠體泥漿滅火和噴漿封閉火區(qū)

三相泡沫成功對火區(qū)實施降溫滅火后,火區(qū)暫時穩(wěn)定,但由于該礦地面灌漿站土質(zhì)不好,泥漿的濃度太稀,在注三相泡沫時泡沫帶進高冒區(qū)的黃泥太少,不能將高冒區(qū)的浮煤覆蓋一層。一旦泡沫破裂,火區(qū)將很容易發(fā)生復(fù)燃。為此,礦上決定采取壓注膠體的輔助措施,來防止火區(qū)的復(fù)燃。自11月8日上午9:20開始到11月11日23:56,共向火區(qū)壓注膠體泥漿1 200 m3,工作面的CO逐漸下降,到11月12日,CO氣體完全消失,12日以后,我們每天安排1個班對火區(qū)的局部地點進行膠體泥漿充填補注工作,用來對膠體脫水后形成的空間進行繼續(xù)的充填,鞏固滅火的成果。與此同時,開四隊按照礦上的安排,全力以赴進行火區(qū)的噴漿封閉工作,11月15日,累計噴漿長度120 m,火區(qū)的狀況一直穩(wěn)定,12190工作面的火區(qū)處理工作圓滿結(jié)束。

　　作者簡介:喬國厚(1961-)男,漢族,河南陜縣人,工程師,2000年畢業(yè)于中南大學(xué)哲學(xué)系,獲碩士學(xué)位,現(xiàn)任義馬煤業(yè)集團公司耿村礦礦長,已發(fā)表論文10篇。