五阳煤矿7607综采工作面综合灭火措施

2020-04-01张志晶孟龙川杜珮颖

中国煤炭 2020年3期

张志晶孟龙川杜珮颖

(1.山西潞安环保能源开发股份有限公司五阳煤矿，山西省长治市，046200；2.中国矿业大学(北京)应急管理与安全工程学院，北京市海淀区，100083)

近年来，矿井火灾事故时常发生，给煤炭行业的持续、稳定发展带来严重影响。因此，进一步加强矿井火灾救灾技术的研究对煤矿安全生产工作及社会发展具有重要意义。陕峰[1]以山西某矿为例，根据其地质条件，提出了综合防自燃发火技术措施，并成功在实践中运用；尹晓雷[2]以刘庄矿151305综采面为例，结合数值模拟及MIN-MAX方法，提出了高抽巷抽采条件下综采工作面煤炭自燃防治技术；王辉[3]以七一新发煤业5006综采工作面采空区着火事件为例，利用调风及注二氧化碳气体的方法，有效解决了采空区的着火问题；许石青[4]等以某矿1422高瓦斯工作面为例，采用数值模拟软件建立并开发了与其对应的CFD模型，对深部高瓦斯综采面注氮防灭火方式进行了优化；杨世潇[5]以福城煤矿1903N综采工作面为例，采用模拟实验与现场观察相结合的方法，模拟了9#煤样自燃全过程，进而确定了其工作面自燃规律，设置了与其对应的应急防灭火措施；针对煤矿综采面过断层期间易发生内因火灾的问题，多名研究人员对综合防灭火措施进行了分析研究，如预测预报、采用防漏风措施、钻孔注氮等措施，优化了综采面过断层防灭火技术，对减少采空区煤层自燃事故具有重要意义[6-8]。

综采工作面火灾事故对于煤矿生产具有重大影响，因此综采面的火灾防治工作也变得举足轻重。本文在前人对综采面火灾防灭火研究的基础上，以五阳煤矿7607回采工作面火灾为例，详细阐述了整个防灭火过程，对其他煤矿综采面火灾防治工作的优化具有重要意义。

1 综采工作面概况

五阳煤矿7607回采工作面属76采区，地面标高+830～926 m，位于76胶带巷以西，7605采空区以北，7609运输巷以南，井田西部边界以东，井下标高在+370～430 m。7607工作面开采山西组中下部3#煤层，该煤层赋存稳定，平均厚6.06 m，含两层夹矸，分为3个自然分层。煤层倾角1°～6°，属近水平厚煤层，容重1.38 t/m3，为不易自燃煤层。7607工作面煤层平均原始瓦斯含量最大值为10～16 m3/t，平均瓦斯含量最大值为13 m3/t，残存瓦斯含量为2.5 m3/t。

7607工作面采用Y型通风系统，其中7607运输巷为主要进风巷，供风量约3000 m3/min，7607轨道巷为辅助进风巷，供风量约1000 m3/min，7607回风巷风量约3500 m3/min，高抽巷瓦斯混合气抽放量为500 m3/min，瓦斯抽采浓度约为3%。7607火区发火时已经回采86 m，在采面回采过程中瓦斯绝对涌出量45 m3/min，相对涌出量15.6 m3/t，采取本煤层顺层钻孔预抽煤层瓦斯+高抽巷抽采+采空区埋管抽采瓦斯的抽采方式治理瓦斯。

2 工作面火势分析

五阳煤矿7607综采工作面在推进过程中，由于煤层内存在加矸现象，因此割煤机在回采过程中切割到矸石时会产生机械火花，引燃瓦斯，从而导致外因火灾发生，由于瓦斯燃烧扩散十分迅速，导致工作面支架上方瓦斯被引燃，从而火势迅速扩大，井下工作人员在直接灭火无效的情况下，迅速汇报调度室，组织人员安全撤离。

7607工作面的瓦斯涌出量非常大，工作面瓦斯被引燃后迅速蔓延至顶板上方，可以判断，工作面顶板上部必然积聚着相当量的瓦斯，且存在火区发生瓦斯爆炸的风险，直接威胁着现场救援人员的生命安全。

为了进一步确定7607工作面火灾状况，2016年11月15日上午10:00救护大队人员对五阳煤矿回风井口和7607工作面高抽巷抽采管路进行气体取样分析，得出高抽巷CO浓度为1.686%、CO2浓度为1.1600%，回风井CO浓度为0.372%、CO2浓度为0.2826%。通过计算矿井火区状态，为制定火区救援方案提供依据。

为了定量考核7607工作面火势大小，通过燃烧气体产物浓度变化计算热释放速率。首先，假设供给7607工作面空气中的氧气在燃烧过程中全部转化至CO和CO2中，即CO和CO2中的氧分子全为燃烧过程中氧气消耗产生，而火区中燃烧产生的CO和CO2一部分由高抽巷抽出，另一部分通过回风井排出。11月15日10:00时，高抽巷抽放量为500 m3/min，回风井风量23000 m3/min，回风井在发火之前的CO2浓度为0.2%，因此，可计算火区内每分钟氧气消耗量，其计算公式如下：

Q单=Q混×C

(1)

式中：Q单——单一气体的流量，m3/min；

Q混——混合气体的流量，m3/min；

C——巷道内单一气体浓度，%。

则高抽巷中CO2浓度Q1为5.8 m3/min，CO浓度Q2为0.843 m3/min；回风井中CO2浓度Q3为19 m3/min，CO浓度Q4为8.556 m3/min。则火区生成的QCO2为24.8 m3/min，QCO为9.4 m3/min，综上所述，氧气每分钟消耗流量Q△O2为29.5 m3/min，氧气每分钟消耗质量M△O2为38.35 kg/min。

根据氧消耗原理法计算热释放速率，耗氧1 kg所释放的热量通常取值为13.1 MJ/kg，因此，7607火区热释放速率为502.385 MJ/min。

由于五阳煤矿每吨煤热量约为25.1 MJ/kg，所以每分钟烧煤量为20 kg/min。

通过以上理论分析可知，7607工作面火势的燃煤当量约为20 kg/min。因此，7607工作面的火势是非常大的，救援人员进入火区进行直接灭火的难度和危险性很大。

3 火区救灾方案

对于不易采取直接灭火的火区，一个最有效的救援方案就是对7607火区进行封闭，但是随着火区封闭工程的进行，虽然供给火区的原有风量大幅减少，但是火区范围内的氧气浓度依然降低较慢，鉴于高瓦斯矿井的瓦斯涌出量非常大，瓦斯浓度会急剧增加，瓦斯浓度可在氧气浓度降低到12%之前达到爆炸下限，从而容易引起瓦斯爆炸。此时，最有效的防范措施是火区内注入惰气，让火区优先惰化，使火区内氧浓度降至12%以下，这样即使瓦斯浓度迅速到达爆炸下限，但是由于预混气体内掺入大量惰气而使氧气浓度大幅降低，一般不会发生瓦斯爆炸事故。通过分析，五阳煤矿水资源丰富，且7607回风巷道处于低洼区域，判断7607火区可以在回风巷道内进行水封处理。

综上所述，当前的首要任务是保证火区系统稳定，在控制火势情况下逐步控风，再通过提高注氮量来抑制火区发生爆炸的风险，以便最终安全封闭火区。7607火区整体救援方案如下。

(1)为保证封闭火区过程中的安全性，决定利用7607工作面回风尾巷低洼区域特点，采取水封进行回风巷道封闭。

(2)通过地面注氮系统向7607运输巷内注入氮气，但是鉴于7607工作面瓦斯涌出量大的特点，为了保证7607工作面水封过程中不发生瓦斯爆炸，决定在7607火区上方使用钻井机向在距离7607工作面后方30 m位置打1#、2#和3#地面钻孔，以便通过液氮直注等方式向火区内大剂量注氮。

(3)由于打地面钻孔需要一定的时间周期，而水封工作需要立即进行。因此，在水封过程中，如果地面钻孔还不具备注氮的条件，而7607工作面回风流已经减小至2500 m3/min，则需要停止水封，以保证7607工作面不会产生瓦斯积聚的条件。

(4)维持高抽巷抽采系统稳定，以减少7607工作面瓦斯积聚速度，但需要通过地面监测系统随时监测高抽巷瓦斯浓度，若水封还没有结束，而高抽巷瓦斯浓度大于4%，高抽巷需要停止抽采。

(5)在地面钻孔施工完成具备注氮条件后，加大地面钻孔和地面压风管路注氮量，同时提升水封速度，以便对火区实施迅速封闭，待水封完成后，关闭高抽巷，同时关闭7607运输巷和7607轨道巷防火门，火区稳定24 h后，救护队员在7607运输巷和7607轨道巷防火门前方构筑永久密闭墙。

3.1 火区封闭

7607运输巷、轨道巷密闭采用防火门加密闭墙进行封闭，密闭墙采用料石砌筑，尺寸为5 m×3.5 m×2 m(高×宽×厚)，中间填500 mm黄土，两边各800 mm厚的料石墙，密闭上留有观察孔和瓦斯抽放管，密闭墙距防火门距离为0.5 m。7607运输巷、轨道巷支护形式为锚网支护，密闭长度1154 m。7607轨道巷在1#联络巷附近存在水淹区域，7607轨道巷积水标高为380.2 m，积水量为10883 m3，积水长度885 m(测点0722向里40 m至测点0742向里65 m)，如图1所示。

图1 7607轨道巷水淹区域图

7607工作面回风巷巷道利用水封，并在76南部放水巷回风巷口构筑密闭墙，墙体厚度为800 mm,采用料石砌筑。

7607水封积水区目前积水水位标高为339 m，76南部放水巷巷道最低标高为339.5 m(已透气500 mm),积水量为15000 m3，积水巷道包括76南部放水巷、80采区胶带运输巷、80采区辅助运输巷、80采区1#专用回风巷、8000-1#联络巷、8000-2#联络巷、80-1#水仓、80-2#水仓、80采区1#贯眼、原7607、7605水仓。

3.2 工作面火区治理

2016年11月23日，救援人员在地面钻孔大剂量注氮的配合下实现了对7607火区的安全水封，其中为了保证火区封闭的安全，地面钻孔采取直接注入液氮的方式，2#和3#钻孔的注入液氮量分别达到6 t/h，直接保证了火区水封过程的安全性。在完成7607火区封闭后，救援人员开始转入对7607火区的治理工作，采取“注液氮降温”和“封闭窒息”灭火方法，其主要利用地面钻孔向火区内继续注入液氮，同时利用7607运输巷和高抽巷布置的束管监测系统对火区气体进行实时监测分析，其火区整个治理过程分为3个阶段。

(1)7607封闭火区第1阶段治理。2016年11月24日-2017年1月7日，通过地面钻孔向封闭火区注入液态氮气平均60 t/d(共计2700 t液氮)，用于熄灭及惰化火区。2016年12月24日，打开76南部放水巷密闭墙上排气孔排放76南部放水巷积的存火区气体，2016年12月29日，关闭76南部放水巷密闭墙排气孔。

(2)7607封闭火区第2阶段治理。2017年1月7日-2月6日，火区处于封闭状态，无人为扰动，2月6日下午1点30分，打开3#地面钻孔，以50 m3/min的流量向封闭火区内注入液氮。2月6日晚9点，开启高抽巷，以30 m3/min的流量抽采火区内气体(该流量小于注氮量，以保证密闭墙外不向火区内漏风)。在3#地面钻孔注液氮期间(3#地面钻孔共计注入液氮900 t)，通过对2#地面钻孔的温度和气体指标监测分析得出，2#地面钻孔后方或2#地面钻孔与工作面沿空留巷之间区域存在高温区域。

图2 7607运输巷密闭墙壁后气体浓度变化曲线

(3)7607封闭火区第3阶段注氮治理。在判断出7607火区内高温区域所在位置后，2017年2月16日中午在2#钻孔正式实施注入液氮措施，注入6 t/h液氮，连续注入5 d(共计720 t)，至2月21日中午停止2#钻孔注氮。2月24日—3月13日，通过3#地面钻孔向火区内共注入液氮约1000 t。该阶段7607运输巷和7607轨道巷密闭墙后气体浓度测数据如图2和图3所示，76南部放水巷密闭墙后气体浓度监测数据如图4所示。

鉴于已经向7607火区注入液氮1720 t，其火区各气体指标基本稳定，无任何复燃迹象，因此，为准确判断火区内燃烧状态，于3月13日停止向火区注氮，以便观察分析在无惰性气体稀释影响下火区气体变化。

图3 7607轨道巷密闭墙壁后气体浓度变化曲线

图4 76南部放水巷密闭墙壁后气体浓度变化曲线

4 综合灭火效果

在对整个着火区域采取“注液氮降温”和“封闭窒息”灭火方法处理后，通过对7607火区各密闭墙内环境温度进行测量后发现，7607运输巷密闭墙内气体温度分别为14℃和13℃，7607轨道巷密闭墙内气体温度分别为15℃和14℃，76南部放水巷密闭墙内气体温度都为18℃。7607火区气体中已经4个月没有检测到乙烯、乙炔，7607运输巷密闭墙内CO浓度已经稳定在0.0005%以下满1个月，7607轨道巷密闭墙内CO浓度自从3月13日停止注氮后呈现逐渐下降趋势且已有半个月稳定在0.001%以内。选用了位于7607着火区域上方的2#钻孔来分析火区的真实情况，2#钻孔气体采样数据变化曲线如图5所示。