煤礦巷道高位火災治理過程中注漿對溫度場變化的影響

苗惠良 李 斌

(晉煤集團澤州天安宏祥煤業,山西省晉城市,041019)

煤礦巷道高位火災治理過程中注漿對溫度場變化的影響

苗惠良 李 斌

(晉煤集團澤州天安宏祥煤業,山西省晉城市,041019)

采用同位素測氡法和鉆探法相結合的方式對宏祥煤業礦井火源進行了探測,采用地面打鉆注漿的方法對煤層自燃火區進行滅火,運用合理簡化三維溫度場的方法分析了注漿與高溫火區溫度場變化的關系,結果表明,在火區周邊帷幕孔注漿過程中,由于孔溫較低,隨著注漿量的增加,溫度呈線性連續下降;在中心火區高溫孔注漿過程中,當注漿量達到一定值(漿液接觸到高溫煤體)時,溫度會出現不同程度的反彈,隨后又會繼續下降,直至正常。

巷道高位火災 煤層自燃 注漿滅火 注漿參數 溫度場

1 火區概況

天安公司宏祥煤業為資源整合礦井,2009年開始資源重組整合,批準重組后井田面積為11.5971 km2,開采3#、9#、15#煤層,核準生產能力為1200 kt/a,屬低瓦斯礦井。3#煤層為低灰、特低硫和特高熱值之無煙煤,為不易自燃煤層。

2010年2月20日上午檢查瓦斯、排水過程中,發現回風主井處原3#煤層采空區密閉處往外冒煙氣,懷疑3#煤層采空區內可能存在著火現象,礦方隨即采取了回風立井水封堵漏措施。經過晉煤集團救護大隊2月22日和23日兩次現場觀察檢測后,回風立井風口處CO高達0.9817%,證實井下存在火區。

2 火源探測及滅火方法確定

由于該礦井的地質資料不明確,決定采用同位素測氡法和鉆探法相結合對該煤礦進行了地面火源探測,在測場內按點距10 m×10 m布點,共布置測點136個,總探測面積約11200 m2,火源探測結果認為A區為高溫火區,B區為高溫氧化區。

由于地質資料不明確,情況復雜,不具備井下滅火施工條件,故制定“地面打鉆灌(注)漿”的滅火施工方案。具體火源探測及鉆孔布置見圖1。

圖1 宏祥煤業火源探測及鉆孔布置圖

3 巷道溫度場的建模及簡化

3.1 三維非穩態溫度場

物質系統內各個點上溫度的集合稱為溫度場,隨時間而變的溫度場又稱為非穩態溫度場,滅火過程中礦井內的溫度場為三維非穩態溫度場。

用公式可表示為:

式中:x,y,z——溫度場內某一點的坐標;

t——時間,h;

T——溫度場內某一點在時間t時的溫度,℃。

探明該礦井的火源位于回風立井附近的主運輸巷內,沿巷道在火源中心附近布置了H1、H2、H3、H4和H5共5個注漿鉆孔,溫度場示意圖見圖2。

圖2 巷道三維溫度場示意圖

3.2 二維非穩態溫度場

根據火源探測結果以及礦方提供的資料,可以確定A區為巷道高位火災。為了在滅火過程中研究巷道內溫度場的變化,使溫度場內某一點的溫度變化更具有可對比性,只研究巷道內頂板層的溫度變化,即某一個面的溫度場。在此,把巷道三維溫度場簡化為二維溫度場,如圖3所示,只研究平面上各點的溫度變化。

圖3 巷道二維溫度場示意圖

3.3 一維非穩態溫度場

由于在實際工程中,沿巷道呈線性布置了1排鉆孔,且每個鉆孔用XMZ-102鉆孔溫度測量儀所測的是巷道頂板層內一點的溫度,故最終把溫度場簡化為一維線性非穩態溫度場,即T=如圖4所示。

圖4 實際巷道一維溫度場示意圖

4 A區注漿對主運輸巷溫度場的影響

對A、B兩個溫度異常區的處理采用“邊界帷幕隔離——注漿充填”的滅火工藝。因A區為實際著火區,故本文著重討論A區5個鉆孔溫度隨注漿量變化規律。

A區的中心孔H3和H4孔溫度最高,高達80～90℃,而火區邊緣帷幕孔H1、H2、H5次之,為30～50℃,在此,分兩種情況討論注漿量和溫度的關系。

4.1 帷幕孔溫度隨注漿量的變化

根據溫度與注漿量簡化的關系式,并結合現場實測數據,得到各孔溫度隨注漿量的變化,見圖5。

圖5 帷幕孔溫度隨注漿量的變化

由于帷幕孔的溫度較低(30～50℃),隨著注漿量的增加,采空區內漿液擴散,漿液對火區邊緣的高溫煤體起到了隔氧降溫的作用,因此煤體溫度呈線性大幅度下降,直至鉆孔注滿,溫度與氣溫相同。

4.2 高溫孔溫度隨注漿量的變化

高溫孔H3、H4的初始溫度為87.3℃和71℃,注漿開始后,溫度變化見圖6。

圖6 中心高溫孔溫度隨注漿量的變化

從圖6可看出,高溫孔注漿開始時,鉆孔溫度會呈現階梯式下降,下降幅度較小,當注漿量達到150～180 m3后,溫度會出現一個小的反彈,這是由于巷道高位火災中煤體高溫點(或明火點)位于巷道的中上部,剛開始注漿并不能直接覆蓋高溫點,而當注漿量達到一定程度,漿液接觸到高溫點后,大量的水與高溫煤體接觸,產生高溫蒸汽,加之巷道空間減小,會出現溫度的反彈,并伴隨大量白色水汽從鉆孔口冒出。

最終隨著時間推移和注漿量的增加,漿液完全覆蓋高溫煤體,直至鉆孔注滿,溫度降為正常值。

5 結論

煤礦自燃火災中,影響井下溫度場變化的因素眾多,如與高溫煤體的熱交換、對流,外部漏風、注漿等,為了方便對火勢的研究,可以合理地簡化溫度場。對于巷道高位火災,當在火區周邊帷幕孔注漿時,由于孔溫較低,隨著注漿量的增加,溫度呈線性連續下降;當在中心火區高溫孔注漿過程中,當注漿量達到一定值(漿液接觸到高溫煤體)時,溫度會出現不同程度的反彈,隨后又會繼續下降,直至正常。

[1] 周心權,吳兵.礦井火災救災理論與實踐[M].北京:煤炭工業出版社,1996

[2] 鄔劍明.煤礦自燃火災治理關鍵技術的研究與應用[J].中國安全科學學報,1998(4)

[3] 鄔劍明,周春山.煤自燃實驗過程中溫度場的數值模擬研究[D].太原理工大學,2007

Effect of grouting on temperature field during high-level fire control in roadway of coal mine

Miao Huiliang,Li Bin

(Zezhou Tian’an Hongxiang Coal Mine,Jincheng Anthracite Mining Group,Jincheng,Shanxi 041019,China)

The fire source was detected on the ground by Radon detection technique combined with exploration boring in Hongxiang Coal Mine and the fire area caused by coal spontaneous combustion was extinguished by drilling and grouting.The relationship between grouting and temperature field was analyzed by simplified 3D temperature field analysis method.The results showed that the temperature continued to fall linearly with the increase of grouting amount due to low temperature in the hole,when grouting from the curtain holes around the fire area;while the temperature rose and fell variably and then continued to fall to normal temperature when the slurry was enough to flow to the high-temperature seam from the grouting holes above the center of fire area.

high-level over roadway fire,coal spontaneous combustion,grouting for fire extinguishing,grouting parameters,temperature field

TD753.2

A

苗惠良(1971-),男,山西長子人,本科,工程師,現任晉煤集團澤州天安宏祥煤業礦長。

(責任編輯 梁子榮)