新疆龟兹煤矿西井防灭火技术研究_慈忠贞.pdf

202312技术应用与研究109Modern Chemical Research当代化工研究新疆龟兹煤矿西井防灭火技术研究慈忠贞1 徐泽怡2（1.新疆龟兹矿业有限公司 新疆 8430002.中国矿业大学 江苏 221000）摘要：煤炭是我国极其重要的化石能源，未来几年煤炭也仍在能源消费中占主导地位，但煤炭开采却一直面临煤自燃发火的危害。为了抑制煤层自燃发火，降低煤田火灾的发生概率，本文以新疆龟兹煤矿西井A303工作面实例，在煤自燃基础理论上，通过自燃标志性气体及其临界值的测定，自燃“三带”的划分，确定了以注氮防灭火和阻化剂防灭火结合，并配合安全监测系统的综合防灭火技术，有效抑制了煤自燃。关键词：自燃标志性气体；自燃“三带”；氮气防灭火；阻化剂防灭火中图分类号：X936 文献标识码：ADOI：10.20087/ki.1672-8114.2023.12.036Research on Fire Prevention Technology in the West Shaft of Xinjiang Qiuci Coal MineCi Zhongzhen1,Xu Zeyi2(1.Xinjiang Qiuci Mining Industry Co.,Ltd.,Xinjiang,8430002.China University of Mining and Technology,Jiangsu,221000)Abstract：Coal is an extremely important fossil energy source in China,and it will still dominate the energy consumption in the coming years,but coal mining has been facing the hazard of coal spontaneous combustion and fire.To suppress the spontaneous combustion of coal seams and reduce the probability of coalfield fires,this paper takes the example of A303 working face of west shaft of Xinjiang Qiuci coal mine,based on the basic theory of coal spontaneous combustion,through the determination of spontaneous combustion signature gas and its critical value,and the division of spontaneous combustion“three zones”,and determines the comprehensive anti-fire suppression technology by combining nitrogen injection and suppression agent,with safety monitoring system.The comprehensive fire prevention technology combining nitrogen fire prevention and inhibitors to prevent fire with safety monitoring system has effectively suppressed coal spontaneous combustion.Key words：spontaneous combustion landmark gas；spontaneous combustion three belts；nitrogen fire prevention；inhibitors to prevent fire我国煤炭消费量占能源消费总量的50%以上1，未来几年煤炭仍然在我国能源消费利用中占主导地位2。而随着煤炭开采深度增大，煤矿环境愈加复杂3，更易发生煤火瓦斯等事故，威胁矿井安全生产4。煤炭自燃发火是煤矿开采面临的严重自然灾害之一5，一旦发生便会烧毁大量煤炭资源、造成巨大的经济和能源损失；产生大量有毒有害气体，污染空气环境；引起瓦斯、粉尘爆炸，致使设备损坏、人员伤亡6。新疆龟兹矿业有限公司西井A2、A3煤层自燃倾向性等级为类，属于自燃煤层，矿井防灭火显得尤为重要7。为了控制此类自燃煤层发生煤自燃从而造成煤矿火灾事故，减少资源浪费，保证职工的生命财产安全，本文对新疆龟兹煤矿西井A303工作面煤样自燃发火标志性气体及临界值进行了测定、监测8；通过监测得到采空区内O2浓度，并利用Fluent软件进行模拟，确定了采空区自燃“三带”；并在上述基础上合理运用注氮防灭火和阻化剂防灭火方法，形成了新疆龟兹煤矿西井的综合防灭火技术，有效控制煤田火灾。1.矿井概况新疆龟兹煤矿西井的矿井开拓方式为平硐+暗斜井的混合开拓方式，采用中央并列式的抽出式通风方法，新鲜风流从主、副平硐进入，浊风沿斜风井回风，掘进工作面采用局扇压入式通风，回采工作面一进一回的“U”型通风方式。进行防灭火技术研究时，矿井布置1个回采工作面（A303回采工作面），1个掘进工作面（A202胶带运输顺槽掘进工作面），一个其他全风压通风巷道（A2泄水巷）、一个独立通风硐室（+1660m变电所、水泵房）。A303工作面位于A3采区，工作面标高为+1693.5m+1745.3m，工作面对应地面标高范围为+1880m+1940m。工作面平均走向长12101211m，倾斜长181m。煤层赋存稳定，煤层最小厚度4.8m，最大厚度5.6m，平均4.8m。2.自燃发火指标气体测试分析煤在氧化过程中会产生多种气体，且各种气体产生的最低温度，以及气体生成量和煤温之间的关系因煤氧化难易程度不同而异，其中能用来预报煤炭自燃202312技术应用与研究110Modern Chemical Research当代化工研究发火程度的气体称为煤炭自燃标志性气体。在采煤过程中针对不同煤优选出合适的指标性气体，并对此类气体进行监测，可以对采空区遗煤自燃及其阶段进行准确预报，使得煤自燃防治工作更具有针对性。(1)实验过程煤自燃发火气体产物测试分析试验装置如图1所示，主要由气体分析仪、程序控温箱、控制及显示面板构成，程序控温箱中主要有铜质煤样罐、测温元件等，此外还包括预热气路、气体质量流量控制器等附属元器件。图1 指标气体实验系统图实验时，将磨好的粒度为4080目的目标煤样取1g放入煤样罐内，在程序控温箱内连接好进、出气气路和温度传感器，要保证温度传感器在煤样罐的中心位置。当煤温达到室温（一般设置30）时向煤样内通入100mL/min的干空气，在室温至100范围将升温速率调整至0.5/min，在100200范围内时调整升温速率为1.0/min，在200350范围内调整测试炉升温速率为2.00/min。在反应初期每10分析一次气体成分和浓度，加速氧化阶段每12min分析一次气体成分和浓度。(2)煤层自燃发火指标气体及临界值通过对测试煤样测试研究，根据A3煤层煤样在同一聚煤期内形成，煤质演化过程相近，因此A3煤层煤样煤种、煤质及自燃发火特性均具有相似性。根据龟兹矿业西井A3煤层A303综放面煤自燃指标气体测试分析结果，给出A3煤层自燃发火监测的指标气体为CO、C2H4和C2H2。工作面的自燃发火标志气体的临界值为TsCO为50，TsC2H4为100.6，TsC2H4为229。根据计算得到工作面回风隅角CO临界值为0.004846%如表1所示。表1 龟兹矿业西井A3煤层自燃发火标志气体标志气体出现温度防火临界温度快速温升防灭火建议CO3050100CO开始突增即达到临界温度，是防灭火的关键温度；CO快速增加，即出现高温点C2H4100.6C2H4出现，即具备100.6的高温点C2H2229C2H2出现，即有高温点温度已达到229以上3.303回采工作面自燃“三带”分布采空区煤的自燃发火“三带”的具体划分及范围是采空区煤自燃的治理的基础，其理论依据是煤氧复合理论的煤炭自燃条件9。现在普遍是按照各带间的氧气浓度划分为散热带、氧化带和窒息带，散热带由于靠近工作面漏风充足，氧气含量较高，一般取18%，8%18%为氧化带，氧气含量低于8%为窒息带。通过在采空区内进行束管布点，随着工作面的推进，测点逐渐深入，束管采集监测系统就可以对采空区内各个部位的气体进行采集和组分分析，真实连续反应各个区域氧气含量，故常用这种方法来对采空区自燃发火“三带”进行划分。(1)束管采样系统的建立回采工作面监测点布置方案，分别为工作面回风隅角、散热带（工作面切顶线向采空区方向010m范围）、氧化带（工作面切顶线向采空区方向1050m范围）、窒息带（工作面切顶线向采空区大于50m），共布置4个测点，如图2所示。图2 回采工作面束管监测点布置示意图在工作面回风顺槽按照“三带”距离向采空区埋设束管，为防止束管堵塞和损坏，束管进入采空区前要使用DN50mm钢管进行防护，束管终端使用束管采样器进行保护或打孔呈蜂窝状，每根束管负责一个测点监测。(2)采空区“三带”数值模拟在现场测定的基础上采用Fluent软件，对A303工作面内气体流场和气体浓度等进行模拟，与实测数据相互验证，从而准确划分采空区“三带”。根据A303回采工作面参数建立物理模型。工作面长181m，宽8m；进回风巷宽4m，巷道断面12.2m2；采空区位于工作面右方，采空区长250m，宽181m；风流由进风巷流入，经工作面和采空区在回风巷流出。模拟结果如图3。202312技术应用与研究111Modern Chemical Research当代化工研究图3 空区氧气浓度分布云图(3)采空区自燃“三带”分布现场监测数据与模拟数据相结合，如图4所示，可以依据氧气浓度划分出采空区自燃“三带”。从图中可知，随着气体实际测点深入到采空区深处，O2体积分数呈现明显下降趋势，进回风侧Fluent模拟数据也呈相同趋势，且曲线基本吻合，证明该O2控制方程为模型的数值模拟结果可信，能够为采空区自燃“三带”划分提供依据。（a）进风侧（b）回风侧图4 进回风氧气分布曲线图从图4（a）可以看出进风侧散热带范围为采空区内距工作面040m左右，氧化带为4070m左右，此后为窒息带。从图4（b）可知回风侧散热带范围为采空区内距工作面010m，氧化带为距工作面1060m，大于60m为窒息带。4.综合防灭火措施根据龟兹矿业的采煤工艺和实际情况，采用“预防为主、防灭结合”的综合防灭火技术，工作面采用注氮和喷洒阻化剂配合束管监测、安全监控系统、人工监测的综合防灭火措施。(1)注氮防灭火氮气是防灭火的理想惰性气体，不燃也不助燃，溶水极微，性质稳定，不易与其他化学元素化合，无腐蚀作用，属于惰性气体。由于氮气的密度接近于空气的密度，因此，气体在采空区内能均匀地扩散，且不易被煤和岩石吸附。采空区采用开放式埋管注氮，在工作面的进风侧沿采空区埋设注氮管路进行注氮。回采工作面注氮量可根据氧化带漏风量计算，公式如式（1）：（1）式中：QN注氮流量（m3/h）；Q0采空区氧化带内的漏风量，可取520m3/min，取7m3/min；C1采空区氧化带内的原始氧浓度，取10%；C2采空区防火惰化指标，取7%；CN注入的氮气纯度，取97%。根据上述公式计算，A303回采工作面需要注氮量为315m3/h。同时在灌注氮气时要利用束管监测系统对灌注区域的气体变化情况进行实时监控，防止发生意外。（a）（b）（c）202312技术应用与研究112Modern Chemical Research当代化工研究（d）图5 采空区注氮管路敷设根据通风负压作用方向，工作面氮气管路敷设在工作面进风顺槽，平行于风水管路吊挂牢固于巷帮或底板上，采用埋管式对采空区进行注氮，注氮管路直径DN100mm。依据龟兹矿业A303工作面“三带”为依据进行布置，如图5所示。当工作面运输顺槽铺设的注氮第一趟管路埋入采空区40m时，开始埋设第二趟管路，如图5（a）；第 一趟管路埋入采空区60m时开始注氮，如图5（b）；当第二趟埋入采空区40m时，开始埋设第三趟管路，如图5（c）；当第一趟管路埋入100m时，从第二趟管路接口处连接灌注管路，断开与第一趟管路的连接，此时第三趟管路埋入20m，第二趟管路埋入60m并向采空区注氮，如图5（d）这样循环注氮，直至工作面采完为止。(2)阻化剂防灭火阻化剂都是一些吸水性很强的有机盐类，如CaCl2、MgCl2等，矿井采用MgCl2（复合专用型）阻化剂，每次添加比10%20%。当它们附着在煤粒的表面时，吸收空气中的水分，在煤粒表面形成含水液膜，从而阻止了煤与氧的接触，起到了阻化作用10。阻化剂喷洒地点主要为采煤工作面开切眼、停采线、服务年限长的煤巷等，在进回风隅角处布置喷枪，沿工作面方向向采空区浮煤喷洒，使浮煤充分润湿、完全浇头，工作面正常回采时喷洒范围一般为工作面上下端20m范围内。采煤工作面采空区的一次阻化剂喷洒量按式（2）计算：V=QycSHL （2）式中：V工作面每刀循环喷洒阻化量，m3；Qy吨煤用液量，一般取0.05m3；工作面丢煤率，取10%；c采空区遗煤密度，1.38t/m3；L工作面长，174m；S一次喷洒宽度，按每刀循环进度，取0.6m；H一次采煤厚度，平均4.6m。经计算：V=0.050.11.380.61744.6=3.3m3。采用无机盐类阻化剂如硫酸镁、氯化钙、卤块、水玻璃等，阻化剂液浓度配置为15%，本矿井采用复合型MZHJ-1阻化剂，阻化剂浓度取10%，密度为1.0t/m3。则阻化剂用量Mz=V10%=0.33t，采煤工作面采空区每日阻化剂用量MA303=N（每日割煤刀数）Mz。5.结论本文针对新疆龟兹煤矿西井采煤工作面可能出现的煤自燃灾害，进行了专项防灭火技术研究。通过对测试煤样测试研究，A3煤层自燃发火监测的指标气体为CO、C2H4和C2H2，临界值分别为50、100.6及229，工作面回风隅角CO临界值为0.004846%，及时的监测预警可以有效防止煤自燃；通过实测数据与Fluent模拟结合，得出A303工作面进风侧散热带范围为距工作面040m，氧化带的范围距工作面4070m，此后为窒息带，回风侧散热带范围距工作面010m，氧化带的范围距工作面1060m，此后为窒息带；在前面研究的基础上采用注氮和阻化剂防灭火方法，采空区内注氮距离为40m，注氮量为315m3/h，阻化剂采用MgCl2（复合专用型）阻化剂，每刀喷洒量0.33t。实践证明“预防为主、防灭结合”的综合防灭火技术可以有效防止煤自燃，消除矿井火灾。【参考文献】1谢和平,吴立新,郑德志.2025年中国能源消费及煤炭需求预测J.煤炭学报,2019,44(07):1949-1960.2武强,涂坤,曾一凡,刘守强.打造我国主体能源(煤炭)升级版面临的主要问题与对策探讨J.煤炭学报,2019,44(06):1625-1636.3彭苏萍.深部煤炭资源赋存规律与开发地质评价研究现状及今后发展趋势J.煤,2008(02):1-11+27.4秦波涛,仲晓星,王德明,等.煤自燃过程特性及防治技术研究进展J.煤炭科学技术,2021,49(01):66-99.5王德明.矿井火灾学M.徐州:中国矿业大学出版社,2010.6赵兴国,戴广龙.氧化煤自燃特性实验研究J.中国安全生产科学技术,2020,16(06):55-60.7任万兴,郭庆,左兵召,等.近距离易自燃煤层群工作面回撤期均压防灭火技术J.煤炭科学技术,2016,44(10):48-52+94.8杜斌.近距离赋存易自燃煤层组自然发火防治技术研究与应用D.煤炭科学研究总院,2019.9李尚国.采空区氧化中心确定原理及方法J.矿业安全与环保,2016,43(03):56-59.10王婕,张玉龙,王俊峰,等.无机盐类阻化剂和自由基捕获剂对煤自燃的协同抑制作用J.煤炭学报,2020,45(12):4132-4143.【作者简介】慈忠贞（1974-），男，汉族，陕西洛南人，本科，高级工程师，研究方向：煤矿技术管理。