高瓦斯礦井綜采放頂煤采空區(qū)自然發(fā)火的治理研究

摘 要： 主要通過(guò)對(duì)內(nèi)蒙古阿刀亥煤礦綜采放頂煤工作面采空區(qū)自燃發(fā)火的治理研究，得出高瓦斯礦井出現(xiàn)火災(zāi)事故被迫全礦井封閉后，如何采取安全有效的滅火措施，治理采空區(qū)火災(zāi)事故提供參考。

關(guān)鍵詞： 高瓦斯礦井；綜采放頂煤；采空區(qū)；自燃發(fā)火

一、概述

阿刀亥煤礦為年產(chǎn)90萬(wàn)噸礦井，主采煤層厚度10-70m，平均22.58m，煤層傾角78-84°，急傾斜煤層，高瓦斯礦井，煤塵有爆炸性，煤層自然傾向性為Ⅱ類(lèi)。采煤方法為急傾斜特厚煤層水平分層綜采放頂煤采煤法。水平分層厚度16m，采高2.2m，放頂煤13.8m。由于地面煤層露頭廣泛出露，淺部煤層受多年地面小窯開(kāi)采及露頭火區(qū)影響，火區(qū)的存在嚴(yán)重威脅下部煤層的開(kāi)采。

阿刀亥煤礦東部采區(qū)布置有1177、1193綜采工作面，東翼1155綜采工作面于2013年8月回采，2014年12月10日停采，停采線(xiàn)距外口67m，2015年1月6日停采封閉。工作面停采回撤后南北巷各修筑兩道500mm厚防火墻，留設(shè)注氮管孔，磚墻間距800mm，預(yù)留充填羅克休。

二、自燃發(fā)火隱患確定

2015年10月31日礦井總回風(fēng)CO傳感器報(bào)警，后派人查看發(fā)現(xiàn)1155采空區(qū)北巷外口密閉及回風(fēng)側(cè)木板擋風(fēng)墻倒塌，北巷密閉口以里約30m位置出現(xiàn)火盆，巷道頂部出現(xiàn)層狀青煙，初步分析，工作面回撤封閉后，采空區(qū)未及時(shí)采取注氮等防火措施，上部老火區(qū)下延造成1155采空區(qū)出現(xiàn)自燃發(fā)火，引爆采空區(qū)瓦斯，沖擊波將北巷磚閉及回風(fēng)側(cè)擋風(fēng)墻摧倒，11月1日北巷密閉外CO濃度嚴(yán)重超標(biāo)，火勢(shì)蔓延擴(kuò)大至北巷外口，無(wú)法及時(shí)恢復(fù)1155北巷口密閉，后采取灌注液態(tài)CO2滅火，未能達(dá)到預(yù)期效果，為防止火災(zāi)事故進(jìn)一步擴(kuò)大， 2015年11月19日停止供電，人員撤出，被迫全礦井封閉，封閉后，停止主扇供風(fēng)，采取隔絕O2控制火勢(shì)，井下O2濃度降至14%，CO濃度2000ppm，CH4濃度4%并呈現(xiàn)持續(xù)上漲趨勢(shì)。

三、滅火治理措施

考慮到火勢(shì)發(fā)展情況及礦區(qū)地質(zhì)、現(xiàn)場(chǎng)施工條件等因素影響，確定了如下滅火治理方案：

1.控制火勢(shì)（封堵漏風(fēng)）

由于冬季受自然風(fēng)壓影響較大，各井口密閉漏風(fēng)嚴(yán)重，井下O2在14%，持續(xù)供氧，井下火勢(shì)始終處于蔓延發(fā)展?fàn)顟B(tài)，為此對(duì)各井口采取了風(fēng)機(jī)解體，塑料布封堵蝶閥，地面風(fēng)硐四周黃土填埋，硐頂防水處理，硐壁壘砌磚墻配合充填粉煤灰等堵漏風(fēng)措施，井下O2降到12%，CO由13000ppm降到3000ppm，火勢(shì)得到了一定控制。

2.隔絕滅火（灌注惰氣）

為使O2降到瓦斯爆炸條件以下，2016年2月29日重啟制氮機(jī)采取火源點(diǎn)外圍向中心點(diǎn)附近逐步注氮措施，開(kāi)始由副井向井內(nèi)注氮滅火，注氮量400m3/h，到9月份O2濃度由13%降至5%，CO濃度2000ppm降至5ppm，為進(jìn)一步鞏固效果，9月7日投入一臺(tái)600m3/h制氮機(jī)改由1155采空區(qū)上方注氮管路向采空區(qū)注氮滅火，兩臺(tái)注氮量合計(jì)在900m3/h，O2濃度由5%降至3%，CO濃度由5ppm降至0ppm。通過(guò)采取注氮措施井下火區(qū)處于陰燃狀態(tài)，判斷不具備存在明火條件。

3.火區(qū)降溫（液氮降溫）

前期注氮措施對(duì)井下火勢(shì)起到有效控制，但采空區(qū)及外圍過(guò)火巷道高溫區(qū)域難以徹底消除，由于所處區(qū)域?yàn)槿彼貛?，且地面鉆孔未對(duì)井下巷道封堵前，不具備注漿滅火條件，為此，先期采取低溫惰氣降溫措施。

液態(tài)二氧化碳沸點(diǎn)為-78℃，吸收大量熱量后，形成固體干冰，會(huì)堵塞管路，造成崩管事故，而液態(tài)氮沸點(diǎn)溫度為-196℃，吸熱降溫效果更優(yōu)于液態(tài)二氧化碳，氣化形成低溫氮?dú)?，安全性高，通過(guò)比對(duì)，選取液氮向采空區(qū)輸送降溫。

11月5-18日對(duì)1155采空區(qū)上方以全天24小時(shí)不間斷向1177、1193采空區(qū)注液氮61噸。汽化后與氮?dú)饣旌仙?30～-50℃氮?dú)庖?000m3/h連續(xù)13天對(duì)1177、1193、1209、1155采空區(qū)降溫，累計(jì)灌注-30～-50℃低溫氮?dú)?12000m3.由于各監(jiān)測(cè)點(diǎn)距離1155火區(qū)位置較遠(yuǎn)，無(wú)法直接測(cè)量氣體溫度檢測(cè)降溫效果。

4.高溫探查（氧氣探查）

為檢驗(yàn)降溫效果，判斷火區(qū)是否存在高溫，通過(guò)比對(duì)分析，采取了自然供氧探查方案。10月20日停止制氮機(jī)，開(kāi)始供氧探查，井下O2濃度恢復(fù)到7-8%，24日各井口監(jiān)測(cè)CO濃度由0變化為1ppm，12月4日再次停止注氮，13日井下O2濃度恢復(fù)到11%，各井口監(jiān)測(cè)CO濃度由0變化為4-10ppm，通過(guò)兩次O2探查，判定1155火區(qū)及過(guò)火巷道存在高溫區(qū)域氧化生成CO，采取液氮降溫措施難以徹底消除高溫積熱區(qū)。

5.火區(qū)封閉（地面打鉆）

由于發(fā)火點(diǎn)位于1155采空區(qū)且北巷密閉倒塌采空區(qū)向外漏風(fēng)，不徹底封堵采空區(qū)漏風(fēng)通路難以控制火勢(shì)，為此采取了地面施工定向鉆孔封閉方案，一方面起到封閉采空區(qū)漏風(fēng)作用，另一方面對(duì)外圍巷道封閉注漿，防爆隔爆，以便礦井恢復(fù)通風(fēng)轉(zhuǎn)入井下治理。2015年12月8日開(kāi)始地面選取位置向1155北巷密閉口以里3m位置及1155軌道石門(mén)、運(yùn)輸石門(mén)施工定向鉆孔，并由地面采取灌注混凝土，成功對(duì)1155北巷及外圍1155軌道石門(mén)、運(yùn)輸石門(mén)高溫區(qū)域進(jìn)行了封堵。

6.恢復(fù)通風(fēng)（正壓通風(fēng)）

對(duì)1155采空區(qū)及外圍高溫區(qū)域封堵后，采取注氮措施控制采空區(qū)內(nèi)的O2濃度。采取由西風(fēng)井主扇反轉(zhuǎn)正壓通風(fēng)恢復(fù)通風(fēng)，由東風(fēng)井排風(fēng)排放瓦斯的方案，保持了礦井原有通風(fēng)路線(xiàn)。且采取正壓通風(fēng)，相比負(fù)壓通風(fēng)對(duì)采空區(qū)防火有利。

西風(fēng)井風(fēng)機(jī)開(kāi)啟后，由東風(fēng)井利用監(jiān)測(cè)系統(tǒng)連續(xù)監(jiān)測(cè)，2小時(shí)總排風(fēng)CH4濃度由10%降至0.25%，且通過(guò)色譜分析總排風(fēng)內(nèi)持續(xù)未出現(xiàn)CO等發(fā)火標(biāo)志性氣體，從而判定井下火區(qū)已得到控制，可轉(zhuǎn)入井下局部火區(qū)治理。

四、取得經(jīng)驗(yàn)

1、采取全礦井封閉后，井下風(fēng)壓的產(chǎn)生為自然風(fēng)壓作用，采取由閉內(nèi)外測(cè)定靜壓差即為自然風(fēng)壓大小，直接測(cè)定的方法較理論測(cè)算準(zhǔn)確度更高。

2、井下火區(qū)燃燒會(huì)生成H2、CO、CO2、GH4等爆炸性氣體，與O2、N2等氣體混合存在一定的爆炸性，治理火區(qū)應(yīng)充分分析火區(qū)內(nèi)混合氣體的爆炸極限及判定混合氣體爆炸危險(xiǎn)性。

3、火區(qū)滅火措施應(yīng)因地制宜，劇烈燃燒階段不宜采取注水滅火措施，以免形成水煤氣引起爆炸。

4、井下出現(xiàn)自燃發(fā)火后，要盡量采取井下局部封閉，可選取的滅火措施較多；采取地面全礦井封閉措施，一方面各井口密閉漏風(fēng)難以有效控制。另一方面對(duì)火區(qū)滅火措施受到限制。

5、高瓦斯礦井在被迫全礦井封閉期間，要邊通風(fēng)邊封閉，盡量維持原通風(fēng)系統(tǒng)、通風(fēng)路線(xiàn)，以免出現(xiàn)瓦斯事故。

6、數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)手段要多樣，光學(xué)儀器在O2濃度比較低的情況下誤差較大，要選取監(jiān)測(cè)傳感器、便攜式報(bào)警儀、色譜分析、人工監(jiān)測(cè)等手段相結(jié)合，實(shí)時(shí)對(duì)比分析。

7、處理采空區(qū)發(fā)火事故，如不能達(dá)到現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行處理，選取地面施工定向鉆孔的滅火方案最為安全，穩(wěn)妥且成功率較高。

五、結(jié)論

對(duì)于急傾斜煤層多采用水平分層放頂煤開(kāi)采，采空區(qū)漏風(fēng)常常造成遺煤自燃，逐漸發(fā)展為大面積火區(qū)，且隨工作面放頂開(kāi)采持續(xù)下延，威脅下部工作面開(kāi)采，滅火工作的關(guān)鍵在于因地制宜選取安全、經(jīng)濟(jì)、有效的綜合滅火措施，徹底消除高溫區(qū)?！?/p>

作者簡(jiǎn)介：王海朋（1982年7月—），男，漢族、河北唐山人，本科，安全助理工程師，現(xiàn)任開(kāi)灤集團(tuán)荊各莊礦業(yè)公司阿刀亥工程項(xiàng)目部安全副總工程師。