煤矿巷道高位火灾治理过程中注浆对温度场变化的影响

苗惠良 李 斌

(晋煤集团泽州天安宏祥煤业,山西省晋城市,041019)

煤矿巷道高位火灾治理过程中注浆对温度场变化的影响

苗惠良 李 斌

(晋煤集团泽州天安宏祥煤业,山西省晋城市,041019)

采用同位素测氡法和钻探法相结合的方式对宏祥煤业矿井火源进行了探测,采用地面打钻注浆的方法对煤层自燃火区进行灭火,运用合理简化三维温度场的方法分析了注浆与高温火区温度场变化的关系,结果表明,在火区周边帷幕孔注浆过程中,由于孔温较低,随着注浆量的增加,温度呈线性连续下降;在中心火区高温孔注浆过程中,当注浆量达到一定值(浆液接触到高温煤体)时,温度会出现不同程度的反弹,随后又会继续下降,直至正常。

巷道高位火灾 煤层自燃 注浆灭火 注浆参数 温度场

1 火区概况

天安公司宏祥煤业为资源整合矿井,2009年开始资源重组整合,批准重组后井田面积为11.5971 km2,开采3#、9#、15#煤层,核准生产能力为1200 kt/a,属低瓦斯矿井。3#煤层为低灰、特低硫和特高热值之无烟煤,为不易自燃煤层。

2010年2月20日上午检查瓦斯、排水过程中,发现回风主井处原3#煤层采空区密闭处往外冒烟气,怀疑3#煤层采空区内可能存在着火现象,矿方随即采取了回风立井水封堵漏措施。经过晋煤集团救护大队2月22日和23日两次现场观察检测后,回风立井风口处CO高达0.9817%,证实井下存在火区。

2 火源探测及灭火方法确定

由于该矿井的地质资料不明确,决定采用同位素测氡法和钻探法相结合对该煤矿进行了地面火源探测,在测场内按点距10 m×10 m布点,共布置测点136个,总探测面积约11200 m2,火源探测结果认为A区为高温火区,B区为高温氧化区。

由于地质资料不明确,情况复杂,不具备井下灭火施工条件,故制定“地面打钻灌(注)浆”的灭火施工方案。具体火源探测及钻孔布置见图1。

图1 宏祥煤业火源探测及钻孔布置图

3 巷道温度场的建模及简化

3.1 三维非稳态温度场

物质系统内各个点上温度的集合称为温度场,随时间而变的温度场又称为非稳态温度场,灭火过程中矿井内的温度场为三维非稳态温度场。

用公式可表示为:

式中:x,y,z——温度场内某一点的坐标;

t——时间,h;

T——温度场内某一点在时间t时的温度,℃。

探明该矿井的火源位于回风立井附近的主运输巷内,沿巷道在火源中心附近布置了H1、H2、H3、H4和H5共5个注浆钻孔,温度场示意图见图2。

图2 巷道三维温度场示意图

3.2 二维非稳态温度场

根据火源探测结果以及矿方提供的资料,可以确定A区为巷道高位火灾。为了在灭火过程中研究巷道内温度场的变化,使温度场内某一点的温度变化更具有可对比性,只研究巷道内顶板层的温度变化,即某一个面的温度场。在此,把巷道三维温度场简化为二维温度场,如图3所示,只研究平面上各点的温度变化。

图3 巷道二维温度场示意图

3.3 一维非稳态温度场

由于在实际工程中,沿巷道呈线性布置了1排钻孔,且每个钻孔用XMZ-102钻孔温度测量仪所测的是巷道顶板层内一点的温度,故最终把温度场简化为一维线性非稳态温度场,即T=如图4所示。

图4 实际巷道一维温度场示意图

4 A区注浆对主运输巷温度场的影响

对A、B两个温度异常区的处理采用“边界帷幕隔离——注浆充填”的灭火工艺。因A区为实际着火区,故本文着重讨论A区5个钻孔温度随注浆量变化规律。

A区的中心孔H3和H4孔温度最高,高达80～90℃,而火区边缘帷幕孔H1、H2、H5次之,为30～50℃,在此,分两种情况讨论注浆量和温度的关系。

4.1 帷幕孔温度随注浆量的变化

根据温度与注浆量简化的关系式,并结合现场实测数据,得到各孔温度随注浆量的变化,见图5。

图5 帷幕孔温度随注浆量的变化

由于帷幕孔的温度较低(30～50℃),随着注浆量的增加,采空区内浆液扩散,浆液对火区边缘的高温煤体起到了隔氧降温的作用,因此煤体温度呈线性大幅度下降,直至钻孔注满,温度与气温相同。

4.2 高温孔温度随注浆量的变化

高温孔H3、H4的初始温度为87.3℃和71℃,注浆开始后,温度变化见图6。

图6 中心高温孔温度随注浆量的变化

从图6可看出,高温孔注浆开始时,钻孔温度会呈现阶梯式下降,下降幅度较小,当注浆量达到150～180 m3后,温度会出现一个小的反弹,这是由于巷道高位火灾中煤体高温点(或明火点)位于巷道的中上部,刚开始注浆并不能直接覆盖高温点,而当注浆量达到一定程度,浆液接触到高温点后,大量的水与高温煤体接触,产生高温蒸汽,加之巷道空间减小,会出现温度的反弹,并伴随大量白色水汽从钻孔口冒出。

最终随着时间推移和注浆量的增加,浆液完全覆盖高温煤体,直至钻孔注满,温度降为正常值。

5 结论

煤矿自燃火灾中,影响井下温度场变化的因素众多,如与高温煤体的热交换、对流,外部漏风、注浆等,为了方便对火势的研究,可以合理地简化温度场。对于巷道高位火灾,当在火区周边帷幕孔注浆时,由于孔温较低,随着注浆量的增加,温度呈线性连续下降;当在中心火区高温孔注浆过程中,当注浆量达到一定值(浆液接触到高温煤体)时,温度会出现不同程度的反弹,随后又会继续下降,直至正常。

[1] 周心权,吴兵.矿井火灾救灾理论与实践[M].北京:煤炭工业出版社,1996

[2] 邬剑明.煤矿自燃火灾治理关键技术的研究与应用[J].中国安全科学学报,1998(4)

[3] 邬剑明,周春山.煤自燃实验过程中温度场的数值模拟研究[D].太原理工大学,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,山西长子人,本科,工程师,现任晋煤集团泽州天安宏祥煤业矿长。

(责任编辑 梁子荣)