地面钻孔清水灭火技术在拜家河煤矿的应用

吴海龙，李玉杰，陈德勇，杨相海

（陕西能源职业技术学院 能源工程系，陕西 咸阳 712000）

地面钻孔清水灭火技术在拜家河煤矿的应用

吴海龙，李玉杰，陈德勇，杨相海

（陕西能源职业技术学院 能源工程系，陕西 咸阳 712000）

本文以拜家河煤矿南下山冒顶区煤炭发生自燃火灾为研究对象，在经过初期封闭井筒、构造密闭等方法进行隔绝法灭火，启封火区后煤炭发生复燃并发生爆炸事故的复杂环境下，该煤矿采用地面钻孔对井下火灾进行灌注清水灭火。该煤矿进行了地面钻孔位置选择设计，计算了灌注清水体积，进行气体、温度和水位监测，为同类型煤矿地面钻孔清水灭火提供工程实践借鉴。

煤炭自燃；地面钻孔；清水

1 拜家河煤矿概况

拜家河煤矿位于陕西彬县西南约20 km处。行政区划属陕西省咸阳市彬县太峪乡管辖，矿井东南距西安市160 km，有矿区公路相连，距312国道约7 km，距陇海铁路咸阳车站132 km，交通便利。拜家河煤矿矿井设计生产能力为0.45 Mt/a，主要可采煤层为8号煤层，可采厚度1.0～7.3 m，平均3.50 m，厚度较稳定，煤层结构较复杂，含夹矸3～6层。拜家河煤矿8号煤层具有自燃发火倾向，属Ⅰ类容易自燃发火煤层，且煤尘具有爆炸危险性[1]。

该矿采用斜井单水平开拓，水平标高为+1 035.5 m。矿井采用中央并列式通风方式，抽出式通风方法，主斜井、副斜井进风，回风立井回风，矿井总进风量为52.0 m3/s。现开采南下山8105工作面。

2 火区概况

2.1 火区位置

2.1.1 着火点位置

拜家河煤矿于2014年10月9日，矿井南下山七联巷一处高冒区顶部发生煤层自燃，并引燃高冒区架设的木垛。

2.1.2 封闭范围

事故发生后，采用灌水直接灭火的方法进行火点灭火，明火得到有效控制。监控数据显示，CO浓度由500ppm降至37 ppm。经过对灾区侦查后，达成统一决定，依照救护队建议在南下山三个巷道口进行封闭。由于多方面原因，三个下山口未封闭完成，火势加大。经研究决定，对整个矿井实施封闭措施，利用隔绝灭火法进行灭火[2]。

2.2 发火的原因

开采煤层为8号煤层，平均煤厚3.50 m，硫含量1.17%，8号煤层属Ⅰ类容易自燃发火煤层。矿井南下山七联巷顶部发生冒落，煤在外力作用下破碎，产生大量裂隙，冒落区未采取有效的防止煤炭自燃措施，联巷冒落处持续供风，顶板煤层得到持续供氧，热量不断集聚难以释放，达到煤层自燃的条件，发生煤炭自燃发火，并引燃高冒区的支撑木垛，导致火灾发生[3]。

2.3 火区综合治理方案（第一阶段）实施情况

着火点位于矿井南下山七联巷，该巷道和与其连接的回风下山均为木支护巷道。图1为着火点及周围巷道示意图，图中阴影部分为木支护巷道。着火点周围巷道在发火后未进行密闭，仅对井口实施了封闭。

图1 着火点及周围巷道示意图

2.4 火区综合治理方案（第二阶段）实施情况

经过三个多月的密闭区域的气体监测，至2016年11月矿方认为已初步具备启封皮带下山的条件。

根据第一阶段方案的实施情况，矿井运输及回风大巷全风压通风系统已完全恢复。皮带下山是进入火区的必经巷道，因此，该巷道冒落物必须首先进行处理，并对冒落区巷道进行可靠支护，以便进入皮带下山进一步侦查火区情况，设计在皮带下山口上风侧运输大巷设置局部通风机并接好风筒备用，供皮带下山排放有害气体[4-6]。现场勘查发现巷道冒落严重，处理难度较大，且皮带下山内的巷道支护、气体成分及浓度及是否存在火点等情况不明，安排工人在矿山救护队监护下处理巷道冒落物。若巷道冒顶已处理完毕，且巷道已疏通，则由矿山救护队采用锁风逐段排放有害气体，逐步向皮带下山下部进行侦查及排放有毒有害气体。如皮带下山内部仍有冒顶情况，则继续由矿方安排工人在矿山救护队监护下进行处理，直至处理完毕继续按前边的方法侦查并排放有毒有害气体。直至皮带下山带式输送机机尾处施工5号密闭（见图2），并继续采用局部通风机向皮带下山通风。按第一阶段的方法，由救护队建造临时板壁，完成后气体正常后再建立两道带风门的密闭，以便建好后救护队进入火区侦查灾区情况。待皮带下山机头巷道维修完成后，建造临时板壁，气体正常后建立两道带风门的密闭，再实施下一步灭火方案[7]。

图2 5号密闭施工位置图

2.5 火区现状

皮带巷逐段采用锁风法进入灾区灭火，处理巷道冒落工程量较大，2017年2月，对轨道下山的3号密闭与回风下山的4号密闭进行启封，并逐步恢复巷道内通风，分阶段排放积存的有毒有害气体。在恢复火区通风一段时间后，发现有大量烟雾出现，一氧化碳浓度上升，表明火区复燃，伴随局部瓦斯闪爆现象。经各级煤矿安全监管部门现场调查后，决定将矿井所有井口封闭[8]。

2.6 灭火方案选择

为使矿井能尽快复工复产，决定采用远距离灭火措施，即利用地面钻孔灌水的灭火方法尽快使火区熄灭，保证灭火过程安全高效，保证灭火效果有效。

目前矿井井口已经封闭，总结之前灭火方案，本次灭火有以下方案。

第一方案：采取锁风法启封井筒，逐步缩小火区，该方案历时时间长，且再次启封井筒存在不确定因素，可能发生爆炸事故，且易导致火区综合治理方案效果不理想。

第二方案：地面钻孔灭火。地面钻孔灭火方案由地面实施钻孔至井下巷道并灌入灭火介质，人员不入井，保证作业人员生命安全，同时灭火介质可直接浸润火区，达到灭火效果。拜家河煤矿采矿许可证范围确定开采的是8号煤层，其埋藏最深点740 m，最浅点1 044 m，煤层底板标高740～1 044 m。根据地面海拔高度分析，钻孔施工深度在200 m左右，钻孔施工量在可控范围内。

根据以上分析，选择地面钻孔灭火。

2.7 灭火介质选择

目前我国常用的防灭火用介质主要有清水、黄泥浆、惰性气体（二氧化碳、氮气）凝胶、三相泡沫等[1-3]。清水是常用的基本灭火材料，水覆盖在可燃物表面，阻止可燃物与氧气接触，中断氧化反应，同时水能够快速降低火区环境温度，破坏物质燃烧的温度条件。黄泥浆灭火应用较为广泛，常用于采空区灌浆防灭火，黄泥浆能有效隔绝煤炭与氧气的接触，阻止氧化和自燃，同时能降低火区温度。黄泥浆具有一定黏性，能附着在煤体表面，防灭火效果较好[4]。惰性气体灭火材料主要作用机理是降低火区的氧浓度，煤矿防灭火常用的惰性气体介质有氮气和二氧化碳[5-6]。三相泡沫是一种由粉煤灰（黄泥）、氮气和水组成的灭火介质，并添加极少量的添加剂（发泡剂），形成大量固体颗粒聚集在气泡表面，形成气体-液体-固体三相的体系，在煤矿采空区火灾防治等方面效果显著[7]。

拜家河煤矿七联巷火灾点的井下巷道冒落严重，冒落点分布情况不明，黄泥浆等灭火介质易在巷道起伏、冒落处或拐弯处附近造成沉淀堆积，致使灭火介质流动不畅，利用黄泥浆等其他黏性较大介质灭火容易造成灭火介质不能顺利到达火区。利用地面钻孔灌浆灭火，灌入灭火介质数量较大，灭火材料成本需有效控制。综合分析，选用清水作为地面钻孔灭火介质。

3 地面钻孔灌水灭火方案

经现场实际勘察，对矿井地面情况进行了初步调查，并与矿方就钻孔位置进行了调查研究，拟选出4个可行的钻孔位置作为本次设计的比较方案进行分析。

3.1 防灭火灌水钻孔位置选择

灌水灭火水液入口位置选择是灭火措施的基础，合适的钻孔位置直接影响灭火效果。本设计钻空位置选择有以下几个方案。

方案一：火点位置实施地面1号钻孔

在七联巷起火点附近位置实施地面1号钻孔，钻孔坐标为X=3 862 443.700，Y=36 498 780.450，孔深227 m。将地面与该处巷道贯通，利用钻孔向巷道中注入大量泥水。该方案将出水口设计在起火点位置附近，能迅速降低火区温度。但1号钻孔在火区位置施工，该钻孔注水将下部及该水平的巷道淹没，上部巷道的淹没较为困难，不能达到完全扑灭火灾的效果。该钻孔可作为水位观测孔，有助于灌水量的控制，如图3所示。

方案二：2号地面钻孔

2号钻孔位于轨道下山与六联巷交汇处，钻孔坐标为X=3 862 489.650，Y=36 498 682.700，孔深206 m。该处与着火点水平标高基本相近。若火灾向上部蔓延后，在保证2号钻孔能够监测井下气体成分前提下（钻孔不淹没），不能保证上部灭火效果。

方案三：3号地面钻孔

3号钻孔位于轨道下山与五六联巷交汇处，钻孔坐标为X=3 862 547.500，Y=336 498 702.500，孔深170 m。该钻孔孔底水平标高较着火点水平标高出60 m左右，通过该钻孔泥水能够有效淹没火区，同时该钻孔能作为检测孔使用。根据井上下对照图分析，3号钻孔地面位置在河谷平地，机械设备及车辆能顺利进入场地，施工条件较好。

方案四：4号地面钻孔

4号地面钻孔位于皮带下山与运输大巷交汇处，钻孔坐标为X=3 862 819.500，Y=36 498 978.000。该钻孔孔底标高较高，孔深为106 m，工程量较小，钻孔施工成本低，与着火点距离较远，灭火介质淹没着火区域延程流动距离较远，井下巷道垮塌严重，不能保证灭火介质能够顺利到达火灾区域。

图3 地面钻孔位置图

综上所述，本次设计第一阶段选用1号钻孔及3号钻孔作为矿井地面钻孔灌水灭火孔。即1号、3号钻孔为灌水钻孔，1号钻孔同时作为观测孔。在实施本方案设计第二阶段时，同时布置4号钻孔作为观测孔，也可作为灌水孔。

3.2 灌水量计算

利用钻孔向井下灌水灭火，灌水量是灭火的关键参数，由于该矿着火点水平线以下有8105工作面，并推进90 m，顶板垮落及地板膨胀泄压变形，能够形成漏水裂隙，为灌入水量的流失提供通道。矿井发火点位于七联巷，根据2·14瓦斯爆炸事故调查情况，火灾未大范围蔓延，火区集中在七联巷附近。因此钻孔灌水灭火分两个阶段。

第一阶段：

第一阶段水位灌至六联巷，水位标高至+906.6 m，以六联巷顶板水平标高为基准，该水平以下淹没计算总水量。

灌水量由下式计算：

式中：Q——总灌水量，m3；Q巷道——巷道体积，m3；Q采空区——采空区体积，m3；C——采空区充水系数，取0.4；K——灌水系数（无量纲），取1.2。

第二阶段：

根据第一阶段灌水情况进行火区检测，若各项指标显示井下火灾熄灭，则第二阶段方案终止，若各项指标显示井下火灾仍未熄灭，以3号钻孔孔底水平淹没线为基准进行灌水，孔底标高+940.8 m。进行水位监测、气体监测，除去第一阶段灌水区域，该水平下淹没巷道的长度为210 m，取平均断面面积为6 m2，采空区按照完全采空的空间计算，Q采空区=推进度×工作面长度×煤厚。3号钻孔水位线以下有两个工作面，其中一个工作面已开采完毕，但是否存在漏水可能尚未清楚，本次计算将采空区计算在内，则第二阶段需灌水量。由下式计算

式中：Q——总灌水量，m3；Q巷道——巷道体积，m3；Q采空区——采空区体积，m3；C——采空区充水系数，取0.4；K——灌水系数（无量纲），取1.2。

3.3 灌水时间计算

数据显示地面可利用水源流量约为80 m3/h，参考钻孔所在地水源流量，设计输送管流量取100 m3/h，最大灌水量取88 m3/h。根据管径与流量推荐值选取输送管管径为DN150，推荐流速1.6 m/s。设计钻孔施工孔径上部黄土层为D300 mm，下部岩层为D200，分别下D250 mm套管与D180 mm套管。

第一阶段理论最大灌水量Q为34 754.4 m3，灌水流量q为88 m3/h，灌水时间T=Q/q=395 h。

每天24 h连续灌水约16.5天，考虑设备故障、天气等影响，保守估计20天即可灌至第一阶段设计水位。若存在井下导水裂隙等不确定因素，水量可能增加，灌水时间加长。由于目前井下灌水目标区域内的采空区及巷道情况与理论值偏差较大，以上计算的灌水时间仅为理论参考值，实际实施过程中应随时观测灌注情况及火区气体、温度等参数的变化情况，以掌握灌注量。

3.4 灌注方法

（1）正式灌注之前，需进行试验灌注，以确定合理的流速及单次灌注量。

（2）灌注前，先打开水泵向孔内注水10 min，确认管路及钻孔通畅后，开始灌水。

（3）采用定量不间断灌注法，达到预计水量时，通过钻孔对井下进行水位、温度监测。

（4）灌水过程中，用吊锤探查，发现堵孔用钻具扫孔。

3.5 钻孔的施工

首先将钻机按照指定的平面坐标直角位置进行安装，待所有打钻准备工作完成后，开始进钻。选用XJ350石油钻机进行钻孔施工作业。表土段井径311.1 mm，下244.5 mm套管，并用水泥在壁之间缝隙进行充填固定。二次孔井径215.9 mm，钻至终孔位置，下入D168.3 mm套管。

钻孔施工完毕后，在钻孔中放入D150 mm的输水管，同时在钻孔中布置采气束管、水位检测仪、水温检测仪等管线。

4 效果检验及结论

（1）经两个阶段灌水灭火操作，实际总灌水量为71 005 m3，较设计值用水量65 757.6 m3多消耗5 247.4 m3，分析认为矿井下存在渗水裂隙，部分灭火用水渗入裂隙内部；同时存在一定吸水性，水在渗透压作用下对煤体（岩体）进行浸润。

（2）经一号钻孔取样分析，水温恒定，随灌水量增加，钻孔内水位不断上升，水位标高为+940 m，灌入水已顺利到达火区。

（3）三号钻孔内气体中CH4、CO含量显著下降，浓度保持稳定。钻孔内水温最高达到50℃，随着灌水量增加水温逐渐下降，并保持在22℃。

（4）经井口气体取样分析，井下气体成分逐渐趋于稳定，空气温度呈逐渐下降趋势并趋于稳定。

（5）利用地面钻孔清水灭火，达到了快速灭火的目的，为拜家河煤矿快速恢复生产提供了保障。该矿南下山七联巷区域约10万t煤炭免于火灾侵蚀，按照煤炭价格400元/t计算，为企业挽回经济损失近4 000万元。

1 王志华，吴国光，孟献梁，等.煤炭自燃防灭火材料技术进展[J].能源技术与管理，2010，（1）：49-51.

2 高广伟.中国煤矿氮气防灭火的现状与未来[J].煤炭学报，1999，24（1）：48-52.

3 张福宝.煤矿安全技术与灾变对策［M］.徐州：中国矿业大学出版社，1993.

4 刘英学，邬培菊.黄泥灌浆防止采空区遗煤自燃的机理分析与应用[J].中国安全科学学报，1997，7（1）：36-39.

5 马 砺，王伟峰，邓 军，等.CO2对煤升温氧化燃烧特性的影响［J］.煤炭学报，2014，39（2）：397-404.

6 周光华，钱 钧，刘洪刚，等.氮气与液氮防灭火技术及成本分析[J].煤炭技术，2015，34（1）：212-214.

7 秦波涛，王德明.矿井防灭火技术现状及研究进展[J].中国安全生产科学学报，2007，12（17）：80-85.

8 秦波涛，王德明，毕 强，等.三相泡沫防治采空区煤炭自燃研究[J].中国矿业大学学报，2006，3（35）：162-166.

The application of surface drilling and Water fire extinguishing technology on Baijiahe coal mine

Wu Hailong, Li Yujie, Chen Deyong, Yang Xianghai
(Department of Energy Engineering, Shanxi Energy Institute, Xianyang 712000, China)

The roof caving zone of Nanxiashan in Baijiahe coal mine which has happened spontaneous combustion fire was studied in the thesis. During initial period, we took Isolation method of extinguishing like Closed wellbore and structural trap. After fire zone reopening, coal happened again with explosion, and then we took surface drilling and poured water into the well to put out the fire. We also designed how to choose the ground drilling location; Calculated the volume filling water and monitored gas, temperature and level. These Provide engineering reference for the same type coal mine which using surface drilling and Water fire extinguishing technology.

coal mine spontaneous combustion fire; surface drilling; water

TD752.2

A

1008-9500(2017)05-0134-05

2017-03-26

吴海龙（1988-），男，河南平顶山人，硕士研究生，研究方向：煤矿瓦斯灾害防治及防灭火技术。