井下封閉火區(qū)火災(zāi)防治研究

蔡振禹，梁小龍

（1.河北工程大學(xué)，河北邯鄲　056038；2.邢臺學(xué)院，河北邢臺　054001）

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井下封閉火區(qū)火災(zāi)防治研究

蔡振禹1，2，梁小龍1

（1.河北工程大學(xué)，河北邯鄲056038；2.邢臺學(xué)院，河北邢臺054001）

摘要：高瓦斯礦井煤層自燃火災(zāi)往往與瓦斯災(zāi)害之間有著必然的關(guān)聯(lián)，礦井防滅火過程中需統(tǒng)籌兼顧，綜合治理。結(jié)合實際高瓦斯突出礦井封閉火區(qū)項目實施，闡述了惰性氣體防滅火的原理，分析了具體封閉火區(qū)注氮治理技術(shù)與管理措施；項目實施一階段后各種氣體與溫度指標(biāo)能夠保持持續(xù)的穩(wěn)定，達(dá)到了火區(qū)啟封的條件，為礦井安全生產(chǎn)提供了有力保障。

關(guān)鍵詞：高瓦斯突出礦井；封閉火區(qū)；火區(qū)治理；注氮

近年來，隨著煤礦開采深度的不斷增加，煤礦災(zāi)害發(fā)生頻率亦逐漸增加。尤其是礦井火災(zāi)情況，雖采用先進(jìn)設(shè)備與技術(shù)使其危險性得到較大程度的控制，但其潛藏的威脅對礦井的安全生產(chǎn)造成巨大的影響，須采取有效措施從根本上解決危險源。高瓦斯礦井火災(zāi)與瓦斯災(zāi)害有著必然的聯(lián)系，當(dāng)傳統(tǒng)的礦井火災(zāi)治理方式行之無效時，應(yīng)及時封閉火區(qū)。封閉火區(qū)會造成其內(nèi)部瓦斯?jié)舛鹊难杆僭黾?，易?dǎo)致瓦斯爆炸事故的發(fā)生，應(yīng)用過程中需采取有效方式破壞災(zāi)害發(fā)生條件，避免事故危害性的進(jìn)一步增加。

1　項目礦井概況

某礦井現(xiàn)階段采煤層為6#煤，煤層平均厚度為1.2m，傾角8°，為高瓦斯突出礦井。該煤層工作面采用對拉布置方式，現(xiàn)開采W2604工作面，工作面走向與傾向長度分別為150m、1068m，仰斜開采，頂板管理方式為垮落法。對拉工作面推進(jìn)過程中，因南翼工作面區(qū)域煤層變薄，進(jìn)行封閉處理；而北翼工作面推進(jìn)約460m時，后方采空區(qū)煤層發(fā)生自燃并導(dǎo)致瓦斯爆炸事故發(fā)生，且運輸順槽上隅角有明火情況出現(xiàn)。為避免災(zāi)害的進(jìn)一步擴(kuò)大，設(shè)計對該工作面所有巷道進(jìn)行封閉處理，并充填惰性氣體治理采空區(qū)。火區(qū)封閉項目自2014年1月15日開始施工，共計施工密閉防火墻十道，防火墻構(gòu)筑位置及封閉范圍如圖1所示。

2　惰性氣體防滅火技術(shù)原理

瓦斯爆炸通常需要具備三大主要條件，即瓦斯?jié)舛?、氧氣濃度、火源。這三個主要條件在該工作面采空區(qū)都已具備，如將采空區(qū)進(jìn)行封閉，火區(qū)內(nèi)瓦斯?jié)舛葘杆僭黾?，并達(dá)到爆炸臨界值；而在封閉初期氧氣濃度較高，已經(jīng)符合瓦斯爆炸所需氧氣濃度，在封閉實施一段時間后才能得以降低，實測情況如圖2所示。因此，在火區(qū)實施封閉之初，瓦斯爆炸所需條件可能都已具備，具有巨大的危險性。

在封閉火區(qū)內(nèi)充入惰性氣體是破壞瓦斯爆炸條件的有效措施。惰性氣體分子結(jié)構(gòu)十分穩(wěn)定，并且化學(xué)性質(zhì)不活潑，在一般條件下并不會與其他物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)。隨著封閉區(qū)內(nèi)惰性氣體含量的增加，氧氣含量會逐漸減少，抑制瓦斯的產(chǎn)生；同時，當(dāng)氧氣濃度下降到一定數(shù)值（4%～10%）時，煤層的氧化自燃現(xiàn)象將能得到有效的控制，而體積分?jǐn)?shù)小于3%時，煤炭自燃現(xiàn)象基本能夠消除，并可抑制其引燃和復(fù)燃。煤礦常用的惰性氣體為液態(tài)CO2和N2或其混合物，具體根據(jù)情況進(jìn)行選擇，本礦井火區(qū)惰性氣體選擇氮氣。惰性氣體防滅火原理主要可概括為以下兩個方面：

（1）降低氧氣體積分?jǐn)?shù)含量，充入火區(qū)的惰性氣體會將氧氣排擠出危險區(qū)域，降低氧氣含量，進(jìn)而破壞煤層自燃與火區(qū)爆炸發(fā)生的條件。

（2）高瓦斯礦井通風(fēng)方式通常為負(fù)壓通風(fēng)，大量惰性氣體注入火區(qū)后將使封閉區(qū)域呈現(xiàn)正壓狀態(tài)，外界氣體將不能輕易進(jìn)入火區(qū)。

3　封閉火區(qū)監(jiān)測及治理技術(shù)措施

3.1火區(qū)監(jiān)測

火區(qū)監(jiān)測是整個施工設(shè)計的關(guān)鍵內(nèi)容，監(jiān)測內(nèi)容主要瓦斯、氧氣、一氧化碳等氣體含量，以及空氣溫度、出水溫度和氣壓情況等。管理工作中應(yīng)做好相關(guān)設(shè)備及人員的組織安排，保證監(jiān)測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性與有效性。

3.2注氮

注氮是整個施工的關(guān)鍵，其設(shè)計參數(shù)對項目最后效果有著關(guān)鍵的影響。注氮施工主要參數(shù)包括注氮量與注氮速率，注氮量計算公式為：

圖1　密閉防火墻構(gòu)筑圖示

圖2　封閉火區(qū)初期瓦斯與氧氣體積分?jǐn)?shù)變化

其中：QN為注氮量，單位m3；V0為封閉火區(qū)體積，單位m3；C1、C2為平均氧氣濃度與惰化指標(biāo)，取值分別為16%和12%。

按照上式計算得到注氮量為438499 m3，歷時近100天。為保證施工過程的安全，注氮速率按照最小值13m3/min設(shè)定，具體情況可相應(yīng)性地進(jìn)行調(diào)整。

3.3調(diào)整通風(fēng)系統(tǒng)

礦井通風(fēng)采用負(fù)壓通風(fēng)方式，W2604工作面由于地形條件特殊，該區(qū)通風(fēng)負(fù)壓值非常高；同時，工作面運輸巷護(hù)巷方式為預(yù)制墩，因此存在嚴(yán)重的漏風(fēng)情況。礦井封閉火區(qū)治理過程中需要調(diào)整工作面風(fēng)壓與風(fēng)量，原始風(fēng)機負(fù)壓與礦井風(fēng)量為3118 Pa和25049 m3/min，經(jīng)過計算后調(diào)整為2850 Pa與23298 m3/min。風(fēng)量調(diào)整原則應(yīng)保證礦井的正常需風(fēng)量，不致造成礦井其他工作面生產(chǎn)受到影響。

3.4封閉區(qū)域瓦斯抽放措施

為避免火區(qū)封閉過程中瓦斯?jié)舛确e聚增加，繼而導(dǎo)致嚴(yán)重的瓦斯爆炸事故?；饏^(qū)封閉期間應(yīng)繼續(xù)瓦斯抽放施工，在火區(qū)封閉施工完成后停止抽放，避免封閉區(qū)域負(fù)壓增加，而使得外界新鮮空氣進(jìn)入封閉區(qū)域，導(dǎo)致區(qū)域氧氣含量增加。與此同時，為改善封閉區(qū)域負(fù)壓狀況，應(yīng)及時注入N2，并停止各瓦斯巷的抽放施工，達(dá)到降低O2含量與抑制煤炭自燃的目的。

3.5封堵漏風(fēng)

由于封閉施工過程中沒有終端瓦斯抽放操作，并向封閉區(qū)域大量的注入N2，使得防火密封墻處于正壓狀態(tài)；同時，礦井所處地應(yīng)力較大，在礦山壓力與風(fēng)壓的綜合作用下，防火密封墻出現(xiàn)不同程度的破損，漏風(fēng)情況嚴(yán)重。此種情況還造成密封墻區(qū)域積聚了大量的瓦斯，瓦斯?jié)舛壬踔脸霈F(xiàn)超標(biāo)，形成巨大的安全威脅。為改善密封墻的密封效果，設(shè)計對密封墻體及其周邊一定范圍的圍巖進(jìn)行加固，注漿材料選擇聚亞胺膠脂材料。具體實施過程中可改良聚亞胺膠脂材料的加固方式，如頂板破碎嚴(yán)重時可先進(jìn)行噴漿再灌注聚亞胺膠脂材料等。此外，防火密封墻之外，工作面封閉相關(guān)區(qū)域進(jìn)行檢查并認(rèn)真封堵。

3.6注水降溫

由于工作面封閉后發(fā)生過多起瓦斯爆炸，且運輸巷存在明火現(xiàn)象，因此使得采空區(qū)內(nèi)熱量大量積聚。與液態(tài)CO2不同，N2自身變化過程中并不會產(chǎn)生吸熱作用，因此需另外采取措施降低封閉區(qū)域溫度。工程選用封閉區(qū)域注水的方式進(jìn)行降溫，注水孔選擇密封墻之上，水中摻入0.5%工業(yè)鹽以改善所注入水的降溫效果。為進(jìn)一步降低封閉區(qū)域熱量，采空區(qū)遺留煤亦應(yīng)做到保水保濕，盡可能降低火源的復(fù)燃概率。項目實施過程中應(yīng)實時監(jiān)測封閉區(qū)域空氣溫度、出水情況及墻體完整性，根據(jù)實際情況及時調(diào)整注水方案。

4　火區(qū)治理效果分析

4.1CO體積分?jǐn)?shù)變化

項目自實施初期就對封閉區(qū)域內(nèi)氣體進(jìn)行監(jiān)測，監(jiān)測主要包括CH4、O2、CO、溫度等指標(biāo)，而衡量火區(qū)煤層燃燒狀況的因素主要為CO，圖3所示為監(jiān)測期間CO體積分?jǐn)?shù)變化情況。分析圖3可知，采空區(qū)未封閉期間CO含量較高，并呈現(xiàn)多次的峰值波動情況，其主要為煤層自燃消耗與再次積聚的過程；而隨著惰性氣體的注入，W2604工作面運輸巷與回風(fēng)巷內(nèi)CO體積分?jǐn)?shù)基本保持在一穩(wěn)定狀態(tài)，穩(wěn)定數(shù)值不超過0. 001%。

圖3　CO體積分?jǐn)?shù)變化情況

4.2O2體積分?jǐn)?shù)變化

圖4所示為氧氣體積分?jǐn)?shù)變化情況。分析圖4可知，其變化趨勢大致與CO類似，未實施火區(qū)封閉期間，由于礦井系統(tǒng)通風(fēng)的作用而使得火區(qū)氧氣含量較高，且已經(jīng)達(dá)到了瓦斯爆炸的氧氣濃度。自開始實施封閉火區(qū)治理措施后，工作面巷道氧氣體積分?jǐn)?shù)得到有效控制，氧氣體積分?jǐn)?shù)不超過5%，且長時間處于穩(wěn)定狀態(tài)。

圖4　O2體積分?jǐn)?shù)變化情況

4.3溫度變化

封閉區(qū)通過注氮與注水兩種方式有效控制火區(qū)內(nèi)熱量的傳遞與交換。監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，封閉區(qū)方案實施后空氣溫度基本恒定在30℃以下，而且出水溫度亦保持在31℃左右，與工作面開采時情況正常相同。

綜合分析可知，到4月28日，封閉區(qū)內(nèi)各項指標(biāo)基本已經(jīng)達(dá)到正常水平，且能夠長時間保持在一穩(wěn)定狀態(tài)，滿足火區(qū)啟封的條件。

4　結(jié)論

封閉火區(qū)內(nèi)注入惰性氣體能夠有效降低氧氣含量，抑制煤層自燃與瓦斯災(zāi)害的發(fā)生。施工過程中需要較高的技術(shù)要求與組織管理水平，需要綜合采取監(jiān)測封閉區(qū)、注氮、停抽瓦斯、封堵漏風(fēng)、注水降溫等綜合措施，保證封閉過程的安全。工程實踐表明，項目實施后CO、O2、溫度等指標(biāo)正常，達(dá)到了工作面安全啟封的標(biāo)準(zhǔn)，該項目的成功實施為類似礦井條件防滅火提供了樣本，具有一定的推廣價值。

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［作者簡介］蔡振禹（1965-），男，河北河間市人，畢業(yè)于天津大學(xué)，正高級工程師，碩士研究生導(dǎo)師，主要從事煤礦井下安全開采技術(shù)研究.

［收稿日期］2016-01-10

中圖分類號：TD712

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1672-4658（2016）02-0182-04