鑫順煤業(yè)高瓦斯礦井回采工作面

采空區(qū)注氮滅火技術(shù)的應(yīng)用

白翠花¹

（山西省煤炭工業(yè)廳資源地質(zhì)局，山西太原，030045）

摘要：介紹了鑫順煤業(yè)150109回采工作面采空區(qū)，運用氮氣成功治理了一起高瓦斯礦井中由于煤層自燃引起的火災(zāi)的實例，對今后高瓦斯礦井中各類火災(zāi)的防治和防止災(zāi)害擴(kuò)大積累了一點經(jīng)驗。

關(guān)健詞： 瓦斯、火災(zāi)、氮氣、治理

1    概況

山西煤炭進(jìn)出口集團(tuán)左權(quán)鑫順煤業(yè)有限公司為我省煤炭企業(yè)兼并重組后的保留礦井，由原山西左權(quán)鑫順煤業(yè)有限公司和原山西左權(quán)突提煤業(yè)有限公司兼并重組而成。生產(chǎn)能力1800kt/a，批采4、15號煤層。原突提煤業(yè)開采4號煤層時批復(fù)等級為高瓦斯礦井。據(jù)2010年9月28日晉煤瓦發(fā)[2010]1119號文件的批復(fù)，現(xiàn)鑫順煤業(yè)在開采4、15號煤層時，礦井最大相對瓦斯涌出量為66.31 m³/t，最大絕對瓦斯涌出量為251.17 m³/min，預(yù)測結(jié)論為高瓦斯礦井。且井田內(nèi)開采的4、 15號煤層均有爆炸危險性，均屬不易自燃煤層。

2    內(nèi)因火災(zāi)的引發(fā)原因

2010年1月28日礦井總回風(fēng)大巷CO有升高的趨勢，報警濃度的最大值60ppm，持續(xù)3小時。經(jīng)下井檢查，為150109回采工作面回風(fēng)順槽閉墻前和瓦斯尾巷密閉前CO涌出。1月29日上午在瓦斯抽放管路內(nèi)和150109工作面尾巷閉墻前采兩個氣樣，經(jīng)檢測，煤層燃燒的標(biāo)志性氣體CO、C₂H₄、C₂H₆濃度很高，分析結(jié)果為150109回采工作面采空區(qū)著火。分析原因為：鑫順煤業(yè)15號煤層150109工作面采空區(qū)火源來自上距15號煤層間距13m左右的14號煤層，因15號煤層采空后頂板巖層塌陷后形成裂隙、通道，左權(quán)地區(qū)的14號煤層硫和磷的含量較高，極易自燃。在有裂隙、通道的情況下，14號煤層先著火，后坍塌至15號煤層采空區(qū)，給15號煤層的浮煤提供了著火火源。是一場內(nèi)因火災(zāi)。

3    應(yīng)用惰性氣體滅火方案的提出

經(jīng)研究分析，制定了兩個方案：一直接滅火。二采用成熟的、經(jīng)濟(jì)的惰性氣體滅火。通過現(xiàn)場狀況分析，此時現(xiàn)場不具備直接滅火條件。既有瓦斯又有火，可謂瓦斯與火并存，如果打開密閉直接滅火，會增加采空區(qū)的氧氣濃度，增大火勢，同時可能引發(fā)瓦斯爆炸，且有害氣體通過沿途都無法進(jìn)行其它工作。顯然直接滅火行不通，不但不能滅火，且可能是災(zāi)情進(jìn)一步擴(kuò)大，殃及礦井安全?？刂苹馂?zāi)事故擴(kuò)大、防止瓦斯事故發(fā)生已是當(dāng)務(wù)之急、迫在眉睫。由于這是首次出現(xiàn)在本礦高瓦斯礦井回采工作面采空區(qū)內(nèi)的火災(zāi)事故，以往也無經(jīng)驗借鑒，綜合分析著火原因，決定采取第二方案。先撤出井下影響區(qū)域內(nèi)的所有人員，由救護(hù)隊下井偵查險情。關(guān)閉150107工作面回風(fēng)順槽的臨近層抽放鉆孔，減少150109工作面采空區(qū)的供氧量。在救護(hù)隊的監(jiān)護(hù)下，使用高分子快速封堵材料對與150109工作面采空區(qū)相通的各道閉墻進(jìn)行進(jìn)一步封堵，以減少漏風(fēng)量。并做到正常供風(fēng)以防瓦斯局部積聚。然后采用惰性氣體滅火。

4    方案的確定

惰性氣體滅火常用的有CO₂和N₂兩種： CO₂的密度相當(dāng)于空氣的1.52，對仰斜開采工作面的采空區(qū)和傾斜巷道的下部較好，對水平和上行巷道的效果較差，且易溶于水和吸附在煤體上，損失量比較大，生產(chǎn)成本高，應(yīng)用工藝復(fù)雜。而150109工作面采空區(qū)正是水平分布，不適宜采用。而N₂的密度與空氣相近，易于和空氣混合，具有減少漏風(fēng)的作用、降溫的作用、防止煤的自燃發(fā)熱和自燃的作用、降低燃燒強(qiáng)度的作用，能迅速遏制火災(zāi)，注氮氣滅火過程中不損壞井巷和設(shè)備，使災(zāi)后恢復(fù)工作簡單，恢復(fù)工期短，且生產(chǎn)成本低（原料為大氣中的氮氣資源，氮氣成本0.4元/m³左右），操作簡單。氮氣滅火需要的條件是封閉的環(huán)境，有氮氣輸送的管路，每小時5m³的水，目前工作面的實際情況滿足以上條件。因此最終決定采取注氮滅火的方案。

5    氮氣防滅火作用原理

注氮防滅火的實質(zhì)是向采空區(qū)氧化帶內(nèi)或火區(qū)內(nèi)注入一定流量的氮氣，使其氧含量降到10%或3%以下，達(dá)到防火、滅火和抑制瓦斯爆炸的目的，其作用有：

  1） 消除瓦斯爆炸的危險。在煤礦當(dāng)采空區(qū)一旦出現(xiàn)火災(zāi)，危害最大的是導(dǎo)致其內(nèi)混合氣體的爆炸。由混合氣體爆炸三角形知，混合氣體中氧含量低于12%時就有減小爆炸的可能性。但是，混合氣體爆炸的界限不僅取決于這種氣體在空氣中所占的百分比，還部份地決定于混合氣體的溫度和氣壓。溫度和氣壓的增高使這個界限擴(kuò)大，反之縮小。如果混合氣體被加熱到300℃，氧含量為9%時就能發(fā)生爆炸。國內(nèi)的研究表明，將氧氣的臨界含量控制在5%以下時幾乎能防止任何爆炸，否則爆炸還有可能發(fā)生。而氧氣的含量低于10%時混合氣體的爆炸有顯著的降低。正是從這一理論出發(fā)，向火區(qū)注入氮氣后使其氧含量降低，而且只要氧含量低于10%時就能大大地減少爆炸的可能性。2） 減少漏風(fēng)的作用。采空區(qū)漏風(fēng)是造成自然發(fā)火的主要原因之一。對于封閉或半封閉的采空區(qū)而言，從理論上講，注入氮氣后增加了其注入空間內(nèi)混合氣體的總量，能夠減少封閉區(qū)內(nèi)外之間的壓力差，從而起到減少封閉區(qū)外部向內(nèi)部漏風(fēng)的作用。如果巷道里的密閉墻有裂縫或密閉強(qiáng)有裂縫，當(dāng)密閉區(qū)內(nèi)為負(fù)壓時，空氣可以通過墻縫或繞過密閉墻而進(jìn)入密閉區(qū)。為了防止密閉漏風(fēng)，可向密閉前后墻之間的空間連續(xù)不斷地注入必要流量的氮氣，使該空間形成正壓，阻止新鮮空氣進(jìn)入密閉區(qū)內(nèi)。3）降溫作用。對于有內(nèi)因火災(zāi)的采空區(qū)來說，其溫度大于外界溫度。當(dāng)采用氮氣滅火時，無論是采用液氮，還是氮氣，其氮氣的溫度均低于火區(qū)的氣體溫度，加之氮氣在注入火區(qū)后的流動范圍大，對采空區(qū)來說都有顯的降溫作用。4） 防止煤的自燃發(fā)熱和自燃。煤炭自燃的三要素是：煤有自燃傾向性；有連續(xù)的供氧條件；熱量易于積聚。煤礦生產(chǎn)工作面采空區(qū)氧化帶內(nèi)的漏入風(fēng)量不足以帶走煤氧化產(chǎn)生的熱量，則煤溫就逐漸升高，這時煤處于自燃發(fā)熱。當(dāng)溫度達(dá)到煤的臨界溫度以上，氧化急聚加快，大量產(chǎn)生熱量，又使煤溫迅速升高，達(dá)到煤的著火溫度時便著火燃燒起來，即進(jìn)入自燃狀態(tài)。基于此煤氧復(fù)合學(xué)說，采取向工作面采空區(qū)氧化帶內(nèi)注入一定流量的氮氣，降低該帶內(nèi)的氧氣含量，達(dá)到破壞煤炭自燃的一個要素，使其氧含量降到煤自燃臨界值以下，就達(dá)到了防止煤自燃的目的。5） 降低燃燒強(qiáng)度。無論是外因火災(zāi)，還是內(nèi)因火災(zāi)，當(dāng)火災(zāi)已經(jīng)發(fā)生，向火區(qū)內(nèi)注入一定流量（大于漏風(fēng)量）的氮氣，使該區(qū)內(nèi)的氧含量由21%逐漸降低到10%以下，熊熊大火就逐漸處于自熄。

6    方案的實施及效果

根據(jù)現(xiàn)場條件，決定采用煤炭科學(xué)研究總院重慶分院與溫州瑞氣空分設(shè)備有限公司合作共同研制開發(fā)的礦用地面移動式制氮設(shè)備（氮氣純度為98%，產(chǎn)氣量為200—800m³/h）進(jìn)行注氮滅火。經(jīng)過幾天的不連續(xù)操作，累計注入高濃度氮氣約20萬m³。

在注氮前后的過程中，進(jìn)行了氣樣采樣檢測、CO傳感器監(jiān)測，經(jīng)過資料分析對比，火情已被控制，達(dá)到了滅火的目的。

150109工作面走向長度237m，采長為83m，采高6m。6號鉆場在150109的停采線附近，而停采線附近的浮煤堆積量比較多，加之150107回風(fēng)順槽閉墻和瓦斯尾巷閉墻封閉不嚴(yán)，6號鉆場停泵后對150109形成負(fù)壓，增加對停采線附近采空區(qū)的供氧量，有14號煤層的火源，有連續(xù)的供氧，就給150109的采空區(qū)浮煤提供了燃燒的條件。本次累計注入高濃度氮氣20萬m³，原因為沒有合理布置氮氣釋放口，只有將氮氣注入采空區(qū)的氧化帶內(nèi)，才能有效抑制氧化帶煤炭的氧化自燃。另由于封閉條件不好，因此實際注入的氮氣比預(yù)計多得多。

7    要從火災(zāi)事故分析原因，采取有效措施進(jìn)行防治。

首先要調(diào)查了解火災(zāi)事故引發(fā)的原因，進(jìn)一步分析與火災(zāi)的關(guān)系，然后提出行之有效的措施。煤在供氧量較足的情況下容易自燃，著火后要控制自燃環(huán)境，不要引發(fā)進(jìn)一步的瓦斯燃燒或爆炸，最終達(dá)到慢慢自然滅火。

因此在井下采空后，一閉墻的施工質(zhì)量要提高。二閉墻上要留設(shè)觀測孔，以隨時對采空區(qū)氣樣進(jìn)行化驗和分析。三對于松軟和節(jié)理、裂隙比較發(fā)育的圍巖，在設(shè)計臨近瓦斯抽放鉆孔時應(yīng)進(jìn)一步優(yōu)化。四對類似此地質(zhì)條件的礦井（主指鄰近煤層間距近、巖層比較松軟、瓦斯高、煤層容易自燃），在開采完畢之后，應(yīng)采取有效措施，考慮填充采空區(qū)。從根本上杜絕此類事故的發(fā)生。

8    結(jié)束語

由于決策果斷、采取措施得力有效，使工作面的這次火災(zāi)事故得到有效控制，挽回直接經(jīng)濟(jì)損失300 萬元。也為今后山西高瓦斯礦井、重點瓦斯工作面的管理和內(nèi)因火災(zāi)的防治，積累了一點成功經(jīng)驗。

參考文獻(xiàn)：

1．張國樞.通風(fēng)安全學(xué)[M].徐州.中國礦業(yè)大學(xué)出版社.2004.

2．王省身，張國樞.中國煤炭防治技術(shù)發(fā)展與展望[J].火災(zāi)科學(xué)，1994,3(2).

3. 王省身，張國樞.礦井火災(zāi)防治[M]. 徐州.中國礦業(yè)大學(xué)出版社.1990，20~27.