钻孔瓦斯燃烧防治技术.doc

钻孔瓦斯燃烧防治技术李桂云(.平顶山煤业（集团）有限责任公司 河南 平顶山 467000)摘要:煤矿井下瓦斯火灾、爆炸事故一直是困扰着煤矿安全生产的顽疾，本文对煤矿钻孔瓦斯燃烧开展实验模拟研究，旨在分析引起钻孔瓦斯燃烧的主要影响因素，结合现场，自行设计了细水雾灭火喷头和灭火受限空间，开发了相应于煤矿井下打钻过程中出现瓦斯燃烧现象的灭火技术。开展了针对不同水压下细水雾抑制扑灭瓦斯燃烧的实验研究，并确定了在不同水压条件下，喷头喷雾特性与水雾抑制瓦斯火焰传播及灭火的最佳工况。通过研究，有助于对煤矿井下瓦斯抑燃、抑爆防治技术的研究与开发相应技术提供支持，提高煤矿防灾抗灾能力。关键词: 细水雾，瓦斯燃烧，钻孔瓦斯，煤矿，层次分析一、总体技术路线煤矿井下瓦斯火灾、爆炸事故一直是困扰着煤矿安全生产的顽疾，瓦斯灾害防治一直是煤矿安全工作的重点，在我国煤矿的重大灾害事故中70%以上是瓦斯事故。2004年5月30日平煤集团十矿在戊9-1020190工作面发生了一起瓦斯燃烧事故，造成1人死亡，15人受伤，产生损失巨大。在该矿区，所有煤层硬度较低，遇水即产生较严重的吸水现象。在打钻过程中，若用湿式打钻方式，则会造成严重的排渣不畅、“抱钻”、阻力大等问题。因此，在实际打钻过程中，一般采用干式打钻工艺。然而，干式打钻过程中，由于钻杆与煤层摩擦，钻孔内温度很高(一般超过瓦斯燃点)，极易导致瓦斯燃烧问题。特别是退钻时，钻孔内瓦斯量大，此时若有空气(氧气)供给，发生瓦斯燃烧的可能性极大。总体技术路线如图1所示。资料调研实验室实验采集煤样瓦斯燃烧影响因素确定各因素对瓦斯燃烧影响程度的层次分析防止瓦斯燃烧的技术工艺设计工作面防止瓦斯燃烧实验室试验确定最佳的防止工作面瓦斯燃烧综合措施 图1 总体技术路线首先对煤矿钻孔瓦斯燃烧开展实验模拟研究，旨在分析引起钻孔瓦斯燃烧的主要影响因素，结合现场，自行设计了细水雾灭火喷头和灭火受限空间，开发了相应于煤矿井下打钻过程中出现瓦斯燃烧现象的灭火技术。开展了针对不同水压下细水雾抑制扑灭瓦斯燃烧的实验研究，并确定了在不同水压条件下，喷头喷雾特性与水雾抑制瓦斯火焰传播及灭火的最佳工况。通过研究，有助于对煤矿井下瓦斯抑燃、抑爆防治技术的研究与开发相应技术提供支持，提高煤矿防灾抗灾能力。二、实验研究为了开展实验研究工作，采集了平煤集团所属矿的丁、戊、己、庚组煤，进行煤粉最低点燃温度、瓦斯燃烧最低浓度测定，工业分析及自燃倾向性鉴定。从煤粉最低点燃温度测试结果可以看出，丁、戊、己、庚组煤的煤粉最低点燃温度分别为315、343、322、337，总体差别不大，但十矿丁组煤最低、八矿戊组煤最高。由此可见，在丁组煤打瓦斯抽放钻孔时，更应注意相应的安全防范措施。对浓度值分别为6.0%、5.3%、4.8%、4.3%、3.8%、3.3%、3.0%瓦斯混合气体进行燃烧实验，根据火焰传播速度、火焰外层稳定性、混合气内有无扩散燃烧现象等因素，确定瓦斯燃烧的最低浓度为3.3%。表1 瓦斯最低燃烧浓度测试结果瓦斯浓度(%)火焰传播情况6.0点火后混合气体产生爆炸，火焰 (以爆炸球的形式) 传播极快。5.3点火后混合气体产生燃烧，但火焰传播较慢。4.8点火后混合气体产生燃烧，但仅在点火火焰外层处有稳定的燃烧层，混合气体内无扩散燃烧现象。4.3点火后混合气体产生燃烧，但仅在点火火焰外层处有稳定的燃烧层，混合气体内无扩散燃烧现象。3.8点火后混合气体产生燃烧，但仅在点火火焰外层处有不稳定的燃烧层，混合气体内无扩散燃烧现象。3.3点火后混合气体产生燃烧，但仅在点火火焰外层处有极不稳定的燃烧层，混合气体内无扩散燃烧现象。3.0点火后混合气不产生燃烧。根据采集的4个煤样工业分析及自燃倾向性鉴定结果表明：可燃挥发分为20.630-29.13%，全水分1.005-2.880%、灰分19.045-30.085%、全硫0.37-0.52%、吸氧量0.41-0.58cm3/g，从中可以看出，4个煤样的化学构成对燃烧有一定的影响，特别是可燃挥发分、含硫量等因素。根据典型温度下，煤样中易燃成分的分解变化趋势（量）分析，当温度达到300时，煤样中会大量产生CO、CH4、C2H4，这些气体可燃性极强，对煤粉燃烧具有较强的促进作用。此外，4个煤样实验的煤粉最低点燃温度为315-343，显然易燃成分的分解对煤粉燃烧具有“共振”作用。瓦斯燃烧的发生受多种因素的影响，而且这些因素往往是不明确的，具有一定的模糊性。在对钻孔瓦斯燃烧危险性因素进行模糊综合评价时，需要考虑每一个因素对钻孔瓦斯燃烧的影响程度。首先对防止钻孔瓦斯燃烧建立了一套评价指标体系，利用层次分析法对所建立的评价指标进行了系统的分析和计算，求解了各评价指标的具体权值。所建立的层次模型指标为：煤层地质、顶板周期来压规律、煤层厚度变化规律、工作面推进速度、煤的硬度、煤层瓦斯含量、采煤方法、合理的配风量、煤质、优化采区布置方式、机械冲击与摩擦、钻孔施工工艺、煤自燃性、明火产生源。经对这14个防止钻孔瓦斯燃烧评价指标进行了综合的评定，结果表明：钻孔施工工艺、合理的配风量、煤层瓦斯含量是防止钻孔瓦斯燃烧中优先考虑的影响因素。图2 防止钻孔瓦斯燃烧评价指标体系结构模型当然，影响钻孔瓦斯燃烧还有许多其它不确定性因素，项目研究中只选择了一些有代表性的影响因素进行了分析。从评价的结果来看，得出的结论符合实际情况，说明所建立的指标体系是合理，符合实际的，能为防止钻孔瓦斯燃烧提供可靠的依据。根据分析结果，对钻孔施工工艺的钻具进行温度场模拟研究，分析钻具在打钻过程中产生的高温区及可能引燃瓦斯点。从模拟的结果可见，钻具在正常工况下，其产生的最高温度值并不大，特别是在低转速、小功率时，钻进过程中钻具产生的最高温度，并不足以点燃瓦斯引起火灾。而钻具在非正常工况下，将产生较高温度值，可以点燃瓦斯引起火灾。图3 非正常工作情况下钻孔横剖面图图4非正常工作情况下钻孔纵剖面图图5 输入功率为8kw时钻具的温度场图6 输入功率为10kw时钻具的温度场图7 输入功率为15kw时钻具的温度场三、瓦斯抽放钻孔瓦斯燃烧的治理方案瓦斯抽放钻孔在成孔的过程中，钻具不可避免的要出现高温区域。在正常工作情况下的数值模拟结果显示，钻具的高温区域在钻头处，如果钻孔内的瓦斯含量达到燃烧浓度，钻头的高温足以点燃瓦斯，引起火灾，但在打钻过程中，往往出现钻孔内瓦斯含量已达到燃烧浓度，但并未燃烧的情况，这是因为钻头高温部被煤屑所包围，高温区附近氧气含量低的缘故。瓦斯抽放钻孔在成孔过程中，随时都有发生钻孔起火的可能，但要出现火灾，须满足三个条件，第一是钻头或钻杆要达到点火的温度，第二是钻孔内的瓦斯含量要达到燃烧的浓度，第三是钻孔内的含氧量要达到一定的程度。对于瓦斯抽放钻孔的湿式打钻工艺，由于一、三两个条件的限制，发生火灾的可能性往往较小，但对于平煤集团目前使用的液压钻机，由于采用的是干式打钻工艺，且使用中空钻杆高压空气排屑，故具备了钻孔起火的基本条件。通过对目前国内外现有关灭火技术和灭火方法的研究比较，传统的灭火技术和灭火方法均不适合该地区井下瓦斯抽放钻孔的防灭火，故最终采用了目前比较先进的细水雾技术，对瓦斯抽放钻孔进行灭火、降尘综合治理。 图8 细水雾喷头设计图根据灭火时所设计的灭火系统应具有的捕尘、灭火效果要求，设计了灭火受限空间。图9 除尘灭火受限空间结构图四、防止钻孔瓦斯燃烧实验根据实验结果，考察有关灭火方案、灭火技术的可靠性，在实验室开展有关防治钻孔瓦斯燃烧的实验。为了模拟瓦斯抽放钻孔火灾及灭火过程，并考虑实际工况条件下火灾规模的限定、控制和便于扑灭，设计加工了如图10所示的实验系统，该系统可以模拟瓦斯抽放钻孔起火及灭火的全过程。图10 灭火实验系统构成框图在设计开发适应于煤矿井下打钻过程中出现瓦斯燃烧的细水雾喷头及灭火受限空间实验系统中，利用激光多谱勒三维粒子测试系统(LOV/APV)对自行设计的喷头水雾特性参数进行了测定，对不同水压条件下，水雾抑制气体爆炸火焰传播的过程、机理进行了分析探讨。表2 灭火试验数据记录表喷嘴编号水雾压力（MPa）雾场参数（SMD）灭火时间（s）1.2126.9212.41.6104.859.12.088.676.81.2110.2311.01.691.258.72.069.726.61.2106.3910.51.688.718.12.066.566.31.295.489.31.676.217.22.058.635.8通过实验研究，发现了一定条件细水雾作用下的瓦斯燃烧火焰传播及火焰阵面拉伸的现象，实验结果表明:（1）水雾对瓦斯燃烧火焰传播的抑制是由于水雾的吸热降温和隔氧窒息作用的结果，同时起到很好的除尘作用。（2）在实验条件下，当液滴直径范围在150300m内、水雾区长度不小于250cm时，对传播速度在30m/s以下的低速传播火焰可以达到很好的抑制效果。（3）在不同水雾通量条件下，预混气体火焰阵面发光区呈现出不同的发光特性：当雾区内水雾通量不足时，与水雾相互作用的火焰阵面发光呈亮红色；当雾区水雾通量充足时，火焰阵面呈暗红色，传播火焰很快被抑制。（4）利用研究设计的号喷头，对于到达水雾区时火焰传播速度在10m/s左右的气体传播火焰具有很好的抑制效果，在喷雾工作压力为1.6MPa时，实际雾区长度最小为700mm时，6s就可以将类似的低速传播火焰完全熄灭。可见细水雾对防治钻孔瓦斯燃烧起到很好的扑灭效果，同时它对抑制火焰传播与水雾雾通量、雾区浓度、水雾区长度以及火焰到达水雾区的传播速度也有很大的关系。参考文献：1 中国矿业联合会.瓦斯利用率低是矿井瓦斯爆炸内因.中国矿业，2001(11):92 国家安全生产监督管理局.国家煤矿安全监察局.国家安全生产科技发展规划煤矿领域研究报告(20042010)，2003(12):1-103 李景余.工作面局部瓦斯燃烧爆炸事故浅析及对策J.煤矿安全，1996(1):24-284 江长青.煤层钻孔瓦斯涌出量的测定J.中州煤炭,1997(2):41-425 李荣强.残采工作面瓦斯燃烧事故分析及问题的探讨J.煤矿安全，1998(3) :40-426 傅维镜、张永廉.燃烧学M.北京：高等教育出版社，19897 范维澄、万跃鹏.流动及燃烧的模型与计算M.合肥：中国科学技术大学出版社，19928 王 凯、俞启香、蒋承林.钻孔瓦斯动态涌出的数值模拟研究J.煤炭学报,2001. 26(3):279-2859 余明高.我国煤矿防灭火技术的最新发展及应用J.矿业安全与环保.2000,27(1):21-2310 许树柏.层次分析法原理M.天津大学出版社199811 汪应洛.系统工程M.机械工业出版社，200212 王显政、杨富、朱凤山等.煤矿安全新技术M.煤炭工业出版社，200213 张铁岗、张建国.十矿高位钻孔瓦斯抽放参数优化J.煤炭科学技术，1994,27(4)20-2214 张铁岗、张建国.十矿戊、己组煤层高位钻孔瓦斯抽放参数优化研究J.平顶山煤炭，1999，47-5015 魏风清、张建国、程伟.平顶山十矿戊9-10煤层掘进工作面突出预测指标初探J.煤矿安全，2003,34(8)16 王金山、谢家平.系统工程基础与应用M.地质出版社，199617 魏 兵、张兴水、赵迁贵.线性代数(第二版)M.中国矿业大学出版社，199918 余明高, 黄继铭.谢桥煤矿火区启封及撤架的防灭火技术J, 煤矿安全. 2000, 31(10). 10-12 19 程新明、卢英俊,复杂地质条件下回采工作面高位钻孔瓦斯抽放J.煤矿安全，2002(3):28-2920 Chi D N, Perlee H I. 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