封閉火區(qū)評價方法探討

袁樹杰

（1. 煤礦安全高效開采省部共建教育部重點實驗室，安徽 淮南 232001；2.

安徽理工大學(xué)能源與安全學(xué)院，安徽 淮南 232001）

摘 要： 討論了確定封閉火區(qū)中煤溫的指標(biāo)以及用火災(zāi)特征曲線分析火災(zāi)發(fā)展趨勢的方法 ，提出用“火災(zāi)特征曲線”對封閉火區(qū)中火災(zāi)的發(fā)展趨勢作出總的分析，在此基礎(chǔ)上再根據(jù) 其他火災(zāi)指標(biāo)進(jìn)一步確定火災(zāi)狀況的思路。

關(guān)鍵詞：礦井火災(zāi)；封閉火區(qū)；火災(zāi)評價

Discussion on Methods of Sealed Fire Assessment YUAN Shu-jie1,2

(1. The Key Laboratory of Safe and Efficient Exploitation in Coal Mining of Mini s try of Education, Huainan Anhui, 232001, China; 2. School of Energy and Safety, Anhui University of Science and Technology, Huainan Anhui 232001, China)

Abstract: In the paper methods of coal temperature determination in sealed areas and assessment of sealed fire states by so-called “fire characteristic” wer e discussed. Its suggested, that on the basis of general analysis of sealed fire development trends by fire characteristic, other fire indexes can be used to fu rther assess fire states.

Key words: underground fires; sealed fire areas; fire assess ment

礦井火災(zāi)是煤礦的主要災(zāi)害之一。我國50%以上的礦井煤層具有自燃傾向性，90%以上的火災(zāi) 是由于煤炭自燃發(fā)火引起的。自燃發(fā)火點常常是隱蔽性的，不能確定確切位置。國內(nèi) 、外在處理自燃發(fā)火時，常常采用封閉法滅火?；瘘c封閉后，會形成一個火區(qū)，在火區(qū)中常 常 會占壓大量的煤炭資源，有時機械設(shè)備也會被封在火區(qū)中，造成煤炭企業(yè)的生產(chǎn)能力下降， 給煤炭企業(yè)帶來嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。火區(qū)形成后，需要對火區(qū)中的火災(zāi)發(fā)展?fàn)顩r進(jìn)行評價，從 而了解各種滅火措施的效果，防止火災(zāi)的擴大和不必要的經(jīng)濟(jì)損失；對火區(qū)狀況進(jìn)行評價的 第二個目的是為了解火是否熄滅，以便能夠及時注銷或打開火區(qū)。

我國煤礦火災(zāi)十分突出。隨著綜采放頂煤開采技術(shù)的發(fā)展，采空區(qū)自燃發(fā)火問題越來 越嚴(yán)重，封閉火區(qū)的數(shù)量不斷增加。因此，對封閉火區(qū)評價的研究具有重大的現(xiàn)實意義和經(jīng) 濟(jì)意義。

1 封閉火區(qū)評價存在的問題

目前，國內(nèi)、外在評價封閉火區(qū)方面，主要是采用氣體分析法。根據(jù)從密閉墻后定期取氣樣 分析火區(qū)中氣體成分的變化來判斷火區(qū)狀況。文獻(xiàn)［1］規(guī)定，封閉火區(qū)只有同時具備下列條件時，方可認(rèn)為火已熄滅：①火區(qū)內(nèi)的空氣溫度 下降到30 ℃以下，或與火災(zāi)發(fā)生前該區(qū)的日?？諝鉁囟认嗤?；②火區(qū)內(nèi)空氣中 的氧氣濃度降到5.0%以下；③火區(qū)內(nèi)空氣中不含有乙烯、乙炔，一氧化碳濃度在封閉期間內(nèi) 逐漸下降，并穩(wěn)定在0.001%以下；④火區(qū)的出水溫度低于25 ℃，或與火災(zāi)發(fā)生 前該區(qū)的日常出水溫度相同；⑤上述四項指標(biāo)持續(xù)穩(wěn)定的時間在1個月以上。波蘭采 礦規(guī)程中沒有規(guī) 定火區(qū)打開的條件，每次打開火區(qū)前都經(jīng)專家組論證，確定是否打開火區(qū)。不論中國《煤礦 安全規(guī)程》給出的評價方法，還是波蘭采礦規(guī)程給出的方法，都不能確切地評價封閉火區(qū)是 否熄滅。在打開火區(qū)時，都是以救護(hù)行動的方式進(jìn)行，隨時準(zhǔn)備重新封閉火區(qū)。有時還會發(fā) 生火區(qū)的復(fù)燃或火災(zāi)氣體爆炸。因為火區(qū)是煤構(gòu)成的非均質(zhì)體，由密閉墻后取的氣樣并不能 完全代表火點的真實情況，它是在時間上的一個平均值，而非最大值。還由于采礦、地質(zhì)條 件的影響，火區(qū)中的氣體成份會發(fā)生改變。比如，向火區(qū)中注氮，密閉區(qū)均壓、調(diào)壓，漏風(fēng) ，從煤巖中涌出甲烷、二氧化碳等，這種改變并不能代表火點狀況的發(fā)展變化。所以關(guān)于封 閉火區(qū)的評價問題，目前還沒有完全解決。

封閉火區(qū)熄滅標(biāo)準(zhǔn)的確定對于安全啟封火區(qū)、恢復(fù)通風(fēng)是非常重要的。 火的熄滅取決于氧氣濃度和煤溫。這兩個參數(shù)的變化在時間上不是一致的。

2 火區(qū)狀況評價方法研究ザ曰鵯狀況的評價包括三個方面的內(nèi)容：①火是在發(fā)展還是在減弱；②火區(qū)中的氣 體是否具有爆炸性；③火是否熄滅。其中，對火是否熄滅進(jìn)行評價是比較困難的。決定 煤火是否熄滅的條件有兩個：封閉區(qū)中氧氣的濃度；火源點處煤的溫度。

評價火區(qū)狀況的難點是火源點煤溫的確定。由于火源點的隱蔽性，往往不能確切知道火 源點的位置，因此很難直接測量火源點煤溫的絕對值。

對火區(qū)狀況的分析和評價不正確有可能導(dǎo)致對火區(qū)狀況的錯誤評價：

(1) 封閉火區(qū)不能排除空氣流入火區(qū)，空氣流經(jīng)火源會使自熱停止或繼續(xù)；

(2) 由于一氧化碳會吸附在焦炭上，不能僅僅因為一氧化碳濃度降到0，就籠統(tǒng)地說火熄滅 了；

(3) 火區(qū)均壓使空氣不能通過密閉墻，封閉區(qū)中少量的一氧化碳也有可能長期存在。一 氧化碳也有可能是其他有機物低溫氧化的產(chǎn)物，而不僅僅是煤炭燃燒形成的；

(4) 在密閉墻不嚴(yán)實的情況下，氧濃度有可能隨著CO、CH4、H2等的增加而增加。當(dāng)封 閉區(qū)位于大的地質(zhì)構(gòu)造帶、裂隙、斷層等附近，特別是位于煤層之間或接近地表的采空區(qū)附 近，封閉區(qū)中的氧濃度很難下降；

(5) 從地層中涌出的甲烷或向火區(qū)注氮都會改變火災(zāi)氣體的組分，從而影響從密閉 墻后取的氣樣對火區(qū)狀況作出正確評價；

(6) 由于不知道封閉區(qū)中溫度的分布情況，很難估算火源點的溫度。如果溫度不下降， 盡管封閉區(qū)中氧濃度很低，悶燃也會發(fā)生。當(dāng)封閉區(qū)打開時，就會引起復(fù)燃。

因此，根據(jù)單一火災(zāi)指標(biāo)，不管是單一指標(biāo)的瞬時值，還是其值隨時間的變化，都不能對火 區(qū)狀況作出正確評價。可以通過分析火災(zāi)氣體成分隨時間的變化趨勢及氣體成份 之間的相互關(guān)系，來排除采礦地質(zhì)因素對火區(qū)狀況評價的影響。

波蘭目前是世界煤礦安全技術(shù)先進(jìn)國家，其采礦規(guī)程［2］中規(guī)定用三個指標(biāo)來評價 封閉火區(qū)中煤的溫度。

玏P1=[SX(]φ(CO)[]φ(H2)[SX)][JY](1)

玏P2=[SX(]φ(C2H4)+φ(C3H6)[]φ(H2)[SX)][JY](2)

玏P3=[SX(]φ(C2H4)+φ(C3H6)[]φ(C2H2)[SX)][JY](3)

從火區(qū)中取樣分析上述氣體的含量，用式(1)～式(3)計算玏P1 、WP2和WP3的值。從同一封閉火區(qū)中取煤樣在實驗室條件下加熱氧化煤樣，加熱 溫度從35

℃到350 ℃。在加熱過程中取氣樣分析，得出上述氣體在不同溫度 下的濃度，用式(1)～式(3)計算不同煤溫下玏P1、WP2和WP3的值。比較實測計算值和實 驗室標(biāo)準(zhǔn)實驗計算值，得出封閉火區(qū)中煤的溫度(見圖1)。

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圖1 玏P1、WP2、WP3指標(biāo)值與煤溫之間的關(guān)系標(biāo)準(zhǔn)曲線

從圖1中可以看出，對于煤炭自燃處于初期發(fā)展階段的封閉火區(qū)，如果能準(zhǔn)確測定 封閉區(qū)中的氣樣成份，可以得出煤溫變化的大概情況。對于發(fā)展程度較高的火災(zāi)，煤溫很高 ，單憑上述指標(biāo)曲線就很難確定煤溫，因為玏P1、WP2、WP3的值不是隨著煤溫的升高單 調(diào)增 加的，到一定的溫度值以后，它們的值會隨煤溫的升高而降低。在火災(zāi)減弱，溫度降低時， 玏P1、WP2、WP3的值也會隨之降低，在不能確切知道火災(zāi)發(fā)展趨勢的時候，就很難 確定 煤溫是升高了，還是降低了。必須結(jié)合其他方法，在確定了火災(zāi)的發(fā)展趨勢以后，才能用上 述指標(biāo)來確定煤溫的變化情況。

文獻(xiàn)［3］提出，用“火災(zāi)特征曲線”法分析封閉火區(qū)中火災(zāi)的發(fā)展趨勢。封 閉區(qū)中的煤炭自熱或自燃是一個緩慢的，連續(xù)的氧化過程，火的熄滅也是一個連續(xù)過程； 封 閉區(qū)中火災(zāi)氣體成分的突然變化，不能作為評價火區(qū)狀況的基礎(chǔ)。可以用時間序列分析 法，研究氣體成分在一段時間內(nèi)的變化，來分析火區(qū)狀況。為了避免采礦地質(zhì)因素引起的火 災(zāi)氣體成分的變化或個別氣樣分析錯誤，采用“三期移動平均”法來分析火災(zāi)氣體隨時間的 變化趨勢，用“火災(zāi)特征曲線”對火災(zāi)的發(fā)展趨勢作出總的分析。

火災(zāi)特征曲線就是在同一 張圖上用曲線來描述火災(zāi)氣體組分（氧，氮，二氧化碳，一氧化碳和碳?xì)浠衔铮┰跁r間上 的變化趨勢。封閉火區(qū)中各種氣體成分在觀測期間的變化趨勢可以給出有用的信息。

(1) 封閉火區(qū)中氧濃度的變化趨勢 如果在封閉區(qū)中煤發(fā)生了氧化，氧的濃度會下降。氧 濃度的下降速度取決于氧化的強度。氧化強度越大，氧濃度的下降速度越快。在煤自熱 或自燃時，氧濃度連續(xù)下降，其變化過程可以用從火區(qū)封閉后算起的時間的指數(shù)函數(shù)來描述 。如果有瓦斯或煤塵爆炸發(fā)生，封閉區(qū)中的氧濃度會急劇下降。如果沒有發(fā)生自熱、自燃或 爆炸，氧濃度的變化過程是單調(diào)的。如果火趨向熄滅，氧濃度會增加或穩(wěn)定在某一確定值。 當(dāng)甲烷等氣體從巖層涌出到封閉區(qū)中，氧濃度下降。

(2) 一氧化碳濃度的變化趨勢 一氧化碳是主要的火災(zāi)指標(biāo)氣體。當(dāng)煤氧化時，封閉區(qū)中 一氧化碳濃度的增加速度比其它氣體產(chǎn)物大得多，一氧化碳濃度增加，說明煤發(fā)生了燃燒或 低溫氧化。與二氧化碳不同，一氧化碳只來自于煤或其它有機質(zhì)的燃燒或低溫氧化，一氧化 碳在空氣中燃燒的下限濃度為12.5%，除了火以外，幾乎不受其他因素的影響而變化。一般 地說，在火熄滅后，一氧化碳濃度會緩慢下降。在某些情況下，封閉區(qū)中火熄滅后，一氧化 碳濃度可以保持很長的時間，這可能造成對火區(qū)狀況的錯誤評價。

(3) 二氧化碳濃度的變化趨勢 二氧化碳是煤燃燒期間主要的氣體產(chǎn)物。二氧化碳的生成 量 比其它氣體產(chǎn)物多?；馂?zāi)時，隨著氧濃度的降低，二氧化碳濃度以相同的或更高的速度增加 ；反之，如果封閉區(qū)中二氧化碳濃度降低，氧濃度將增加。如果氧濃度緩慢均勻地下降，火 災(zāi)的發(fā)展強度不大；而根據(jù)二氧化碳濃度增加速度小，不能說火災(zāi)的發(fā)展強度小。在煤礦中 ，二氧化碳有可能來自于巖層或碳酸鹽與酸性水的反應(yīng)。二氧化碳可以吸附在焦炭或火災(zāi)生 成的碳黑上，也可以溶于水。

(4) 氮氣濃度的變化趨勢 如果在封閉區(qū)中沒有發(fā)生自熱過程，氮氣濃度的變化趨勢與氧濃 度的變化趨勢相同。當(dāng)有煤的自熱發(fā)生，氮氣濃度的變化趨勢與氧濃度的變化趨勢相反，氮 氣濃度增加，氧氣濃度下降；當(dāng)出現(xiàn)明火時，氮氣濃度保持在一穩(wěn)定值或緩慢下降，而氧濃 度下降很快；當(dāng)有爆炸發(fā)生，氮氣基本保持其在正常空氣中濃度值，而氧濃度急劇下降。

(5) 氫氣和碳?xì)浠衔餄舛鹊淖兓厔?氫氣（H2）、乙烯（C2H4）、丙烯（ C3 H6），有時乙炔（C2H2）或丁烯（C4H8）隨著煤溫的升高，按順序依次放出。在 氣樣中依次檢測到氫氣，乙烯，丙烯和乙炔是自熱發(fā)展的征兆；而當(dāng)自熱減弱時，上述氣體 依相反的次序消失。

火災(zāi)指標(biāo)隨時間的變化趨勢比火災(zāi)指標(biāo)的瞬時值，能提供更好的信息來了解封閉區(qū)中火 災(zāi)的發(fā)展過程。根據(jù)火災(zāi)特征曲線對火災(zāi)的發(fā)展作出總的分析，在此基礎(chǔ)上才能進(jìn)一步 分析復(fù)合火災(zāi)指標(biāo)的變化過程。

如某煤礦44號采煤工作面由于煤炭自燃被封閉?；饏^(qū)封閉后，對密閉墻進(jìn)行了均壓。 從1998年2月21日至1998年4月22日，從密閉墻后采取氣樣。本文選擇從密閉墻T-3后 采取的氣樣進(jìn)行分析(見圖2）。

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圖2 火災(zāi)特征曲線

對從密閉墻T-3后采取氣樣分析得出的火災(zāi)特征曲線進(jìn)行總的分析，得出：

(1) 在整個觀測期間，封閉區(qū)中沒有發(fā)生空氣動力學(xué)現(xiàn)象；

(2) 從第1天至第13天，氧濃度和氮濃度的變化趨勢是相似的，并且趨勢線相互平行。 氧濃度幾乎不下降，而氮濃度不增加。甲烷濃度增加，二氧化碳和一氧化碳濃度下降。這表 明，密封后的最初13天，煤炭自熱減弱。

從第13天至第60天，氧濃度的變化趨勢與氮濃度的變化趨勢相反，氧濃度降低，而氮 濃度增加；甲烷，二氧化碳和一氧化碳濃度增加。從第16天起，一氧化碳濃度降低，第20天 后趨于0。這說明，從第13天到第16天，發(fā)生了重新自熱。從第16天起，自熱趨向消失。在 上述分析的基礎(chǔ)上，可以用玏P1、WP2、WP3指標(biāo)值來確定煤溫的變化趨勢或用其他指標(biāo) 進(jìn)一步分析火災(zāi)的發(fā)展?fàn)顩r。

3 結(jié)論

（1） 封閉區(qū)中火災(zāi)氣體成分的突然變化，不能作為評價火區(qū)狀況的基礎(chǔ)。

（2） 不能根據(jù)單一火災(zāi)指標(biāo)，不管是它的瞬時值，還是其隨時間的變化趨勢，來評價 火區(qū)狀況。

（3） 在評價火區(qū)狀況時，可以通過分析火災(zāi)氣體組分隨時間的變化趨勢以及它們之間 的相互關(guān)系來排除采礦地質(zhì)因素的干擾。

（4） 可以用“火災(zāi)特征曲線”對封閉火區(qū)中火災(zāi)的發(fā)展趨勢作出總的分析，在此基礎(chǔ) 上再根據(jù)其他火災(zāi)指標(biāo)進(jìn)一步確定火災(zāi)狀況。

參考文獻(xiàn)：

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(責(zé)任編輯：何學(xué)華)第4期