綜合防滅火技術在老石旦煤礦的實踐與應用

王　濱，周連春，劉文郁

（1.中煤科工集團工程科技有限公司，北京100013；2.神華烏海能源有限責任公司老石旦煤礦，內蒙古烏海016033）

綜合防滅火技術在老石旦煤礦的實踐與應用

王濱*1，周連春2，劉文郁1

（1.中煤科工集團工程科技有限公司，北京100013；2.神華烏海能源有限責任公司老石旦煤礦，內蒙古烏海016033）

針對老石旦煤礦采空區自燃的事實，認真地分析了老石旦煤礦031601工作面自然發火的原因，并且根據實際情況采取了井下注液氮、利用井下移動制氮機和地面制氮機向火區注氮氣，并在地面填堵采空區上覆地表裂縫等綜合防滅火措施，收到了良好的防滅火效果，保證了礦井的安全生產。

綜合防滅火技術；實踐；應用

1　概述

在20世紀八、九十年代，我國內蒙古自治區阿拉善神寧集團烏蘭礦曾發生過數次礦井火災，其火災致因一曾被懷疑過是某種硫化物所為，但并沒有對其進行深入的研究探討。隨著石油化工行業油氣罐在運輸、儲運過程中發生火災事故致因研究的不斷探索，國內外許多專家、學者對FeS自燃特性進行了深入的研究，有的學者認為FeS自燃的過程中如沒有一定的可燃物支持，將產生白色的SO2氣體，常被誤認為水蒸汽，伴有刺激性氣味；同時放出大量的熱。當周圍有其它可燃物存在時，會冒出濃煙，并引發火災和爆炸［1］。這些研究為FeS自燃引發高硫煤煤礦火災事故提供了理論基礎和事實依據。2015年4月，內蒙古烏海市神華烏海能源公司老石旦煤礦發生了井下火災事故，事故發生后，采用綜合防滅火方法對其進行了治理，在火災事故處治結束后對事故致因進行了分析，在事發前的CO監測中，沒有測試出CO，甚至在礦井下產生“煙氣”的時候，觀察測試的CO仍然為0，這與常規的礦井火災致因理論不符，很有可能是其他原因引起的礦井火災，因此非常有必要對老石旦煤礦火災致因進行深刻的研究分析，并采取封閉火區、注液氮、填埋地表裂縫等防滅火措施來治理火區。

2　礦井及工作面概況

老石旦煤礦隸屬于神華集團烏海能源有限責任公司，核定生產能力150×104t/a，礦井采用斜井—立井混合式開拓方式，采用單一水平采區式開采，目前主采北三采區12#、16#煤層，在12#煤層布置一個綜采工作面，16#煤層布置兩個綜放工作面。

礦井采用中央分列式通風，全礦有4個井筒，主、副井、北三風井進風，回風立井回風。回風立井安裝了2臺主要通風機，一臺運轉，一臺備用，雙電源供電，型號均為FBCDZ№23，功率2×132kW。礦井4月份風量測定：總進風量為5021m3/min，總回風量為5191m3/min；礦井通風壓力1950Pa，礦井通風等積孔為2.4m2。礦井有效風量率為87.3%。

2014年礦井瓦斯等級鑒定，瓦斯絕對涌出量為5.49m3/min，相對涌出量2.07m3/t，屬瓦斯礦井［3］。礦井防滅火系統以注氮防滅火為主、噴灑阻化劑為輔，并安裝了束管監測系統，對易發火地點實時監測預報。2014年6月煤炭科學研究總院重慶研究院鑒定該礦自燃傾向等級鑒定結果為12#、16#煤層均為Ⅱ類自燃煤層；最短自然發火期分別為12#煤層：59d、16#煤層：63d。

031601工作面位于北三井口東北側，16#煤露頭北西700m。工作面開采煤層為16#煤層，煤層厚度8.5m，走向長1370m，傾斜長280m，煤層傾角5°～30°，煤層賦存較穩定。采煤方法采用走向長壁式全部垮落法綜采放頂煤開采。工作面通風方式為U型布置，031601運輸順槽進風，風量為642m3/min，031601回風順槽回風，風量為662m3/min；2014年8月礦井瓦斯等級鑒定為瓦斯礦井，031601工作面最大絕對瓦斯涌出量為1.19m3/min。031601工作面于2011年10月開始回采，現已回采943m，剩余427m。

3　問題的提出及原因分析

3.1問題的提出

2015年4月16日10：35分，031601回風順槽出現煙氣，經檢測CO濃度4ppm，到11：30分，上隅角瓦斯濃度為0.1%，CO濃度為12ppm。調度值班員立即匯報礦領導，并啟動應急預案，通知井下各作業地點撤人、停電。11：48分向公司生產指揮中心匯報。公司領導及相關部室領導和西北防滅火分院專家立即來礦，根據井下現場探查綜合分析，決定先封閉該工作面，并進一步采取注氣氮、液氮措施進行處理。

3.2事故原因分析

經過西北防滅火研究院專家和礦相關技術人員認真分析認為：

（1）礦方對其上覆的12#和9#煤層采空區密閉長期觀測，以及事故后對12#和9#煤層采空區密閉取樣分析均未發現CO，也未發現鄰近采空區CO等有害氣體侵入031601工作面，因此可以排除上覆12#和9#煤層采空區自然發火因素。另外031601工作面自開采至今，通過束管分析、安全監控系統監測、人工取樣分析、人工檢測等方法，均未發現工作面采空區、上隅角、回風流出現CO及煤的自燃標志性氣體。031601工作面從出現煙氣后，CO氣體從初始4ppm經過13h迅速上升至1000ppm以上，同時C2H4、C2H2氣體伴隨出現，C2H4氣體最大濃度122ppm，C2H2氣體最大濃度525ppm，這些數據不符合煤的自然發火基本規律，所以采空區遺煤自然發火因素可能性不是很大。

（2）031601工作面開采的16#煤層為高硫煤，其中16-1#煤層含硫量2.94%，16-3#煤層含硫量1.72%，16-4#煤層含硫量1.62%。在無氧條件下，工作面回風順槽遺留的金屬棚、金屬網等金屬物品受水長期侵蝕作用與煤中硫化物結合易形成硫化亞鐵［4］，其化學方程式如下：

根據工作面采空區束管監測數據，回風側“氧化帶”最大寬度約20m，且采空區一直采取連續注氮方式，采空區“氧化帶”進而縮短；硫化亞鐵具有較高的自然氧化活性，極易與空氣中的氧氣迅速反應快速燃燒［5］，而4月15日，阿拉善左旗發生5.8級地震，老石旦煤礦震感明顯，031601工作面對應地表生成多個新的裂縫，最大裂縫的寬度0.5m，受采動和地震誘導因素影響，地面與本煤層采空區通過裂隙形成漏風通道，使采空區形成的硫化亞鐵具備了燃燒的條件，其化學方程式如下：

進而引燃了周邊浮煤或高分子材料，導致031601工作面火災事故。

4　綜合防滅火技術的應用

注氮防滅火技術是防治綜放工作面采空區自然發火的有效方法之一。由于氮氣比空氣輕，所以當氮氣注入采空區后，不但可以向上浮動而且可以向四周擴散并充滿整個采空區，降低采空區的氧氣濃度，從而達到抑制采空區自然發火的目的［6］。另外，根據以往經驗，采空區自燃火災往往發生在頂板或冒落區內較高的位置，而采用注漿、注阻化劑等常規防滅火手段，防滅火材料往往不能到達發火的區域，起不到有效的防滅火作用。而向采空區內注入氮氣恰恰能夠有效地充填到這一區域，起到惰化防滅火的作用。老石旦煤礦采用以注氮、注液氮為主，配合地面封堵裂縫、井下封閉火區等形式的綜合防滅火技術收到了良好的防滅火效果。

4.1封閉工作面

為了防止火災事故蔓延，威脅全礦井的安全，經過研究決定首先封閉031601工作面，即在031601運輸順槽皮帶機尾處和031601回風防火墻處各施工一道防火密閉，4月17日11：47分031601運輸順槽密閉和回風防火墻處施工的密閉開始同時封閉，12：50分上下順槽密閉同時封閉完畢；4月18日，決定在031601回風順槽原密閉前7m處施工第二道防火密閉，4月19日18：00密閉施工及噴漿工作完成。通風隊在031601運輸順槽安排專職瓦檢員檢查氣體情況，每隔30min匯報一次氣體情況；031601回風順槽由救護隊負責檢查氣體情況，每隔20min匯報一次氣體情況；監控中心做好氣體監測及分析工作，每1h做一次031601上隅角氣體分析，及時上報應急指揮部。

4.2注液氮防滅火

2015年4月17日礦方決定于神華寧煤集團靈新礦聯系安排專業技術人員來該礦指導注液氮工作，計劃從031601回風順槽密閉處注液氮。老石旦煤礦用卡車從神華寧煤集團拉來25t液氮（共一車），交替向兩個注液氮罐中注液氮（每個液氮罐能夠裝1t液氮），然后利用16#進風斜井向031601回風順槽運送液氮，最后注液氮罐到達031601回風順槽后開始向防火密閉中注液氮，注液氮具體步驟如下：

031601回風順槽注液氮如圖1所示，首先將裝注液氮罐的平板車放平穩，固定好防止下滑和移動，其次將注液氮軟管5與注漿管2連接好并打開注漿管上的閥門4，然后將注液氮軟管5與注液氮管連接并打開注液氮管上閥門3開始向防火密閉1中注液氮。現場施工人員必須密切觀察壓力表6的變化情況，當壓力表6顯示的值低于0.01MPa時應立即停止注液氮工作，去掉注液氮軟管5，將注液氮罐提升上井，再開始注另一罐液氮，如此往復不停地向防火密閉內注液氮，以達到防滅火的效果。

圖1　031601回風順槽注液氮示意圖

4月19日20：38分開始注液氮，截止4月22日19：35分結束，共注液氮25t，氣化氮氣20000m3。

4.3繼續利用井下移動制氮機進行注氮防滅火

老石旦煤礦平時利用井下制氮機向031601采空區注氮氣進行防滅火，此時利用井下制氮機從031601運輸順槽密閉處連續不斷向火區注氮氣進行惰化火區，截止5月6日，共注氮氣26.2616萬×104m3。

4.4地面制氮機進行注氮防滅火

從技改主運輸巷的地面工業廣場安裝注氮機，注氮設備采用地面DM移動式膜分離制氮機（北京瑞賽長城航空測量技術有限公司生產），本機采用了世界制氮領域的最新技術——中空纖維膜分離注氮技術，主要用于煤礦防滅火。該機注氮壓力高，壓力損失小，可滿足氮氣壓力高用戶。適合遠距離輸送，并可移動。主要技術指標：氮氣產量：1000Nm3/h，氮氣純度≥97%，O2≤3%，氮氣出口壓力≥0.8MPa（可調），氮氣是一種無色無味的惰性氣體，不能支持人的生命，氮氣是一種窒息氣體，含85%以上的氮氣在短時間內導致人體窒息死亡。因此操作此設備的條件是通風良好，要求管路密閉嚴，嚴禁任何人員進入布氮區域。并連接注氮管路1500m（管路型號為133mm）至技改主運輸巷1200m處。4月17日從天榮公司調來專業打鉆隊伍計劃從技改主運輸巷1200m及以里位置向031601采空區及回風順槽施工鉆孔注氮氣進行防滅火工作。4月18日14時開始打鉆至24日21：30結束，共施工6個鉆孔，共計447m，其中1#：77m，2#：78m，3#：75m，4#：74m，5#：70m，6#：73m，另外1#、2#、3#孔下套管成功，從4月25日12：30分開始注氮氣，截止目前為止共注氮氣6.6679×104m3。

4.5地面填堵地表裂縫

031601采空區發生火災后礦方安排專人到采空區對應地表觀察發現由于地震原因新出現了10條裂縫，最長裂縫達到130m左右，最寬裂縫有500mm左右，為了防止地表大氣繼續從裂縫進入采空區引發次生災害，礦上決定填堵上述裂縫，截止4月19日共填堵裂縫10條，用沙子15t，有效地防止了大氣導入采空區。

5　綜合防滅火效果分析

圖2　031601運輸順槽密閉內O2濃度變化曲線圖

圖3　031601運輸順槽密閉內CO濃度變化曲線圖

從老石旦煤礦031601采空區著火以來礦方積極采取綜合防滅火措施，收到了良好的防滅火效果。

通過圖2、圖3分析可以看出，綜合防滅火措施后，031601封閉火區內的O2濃度從原來的17.9382%降到了2.6085%，CO濃度從原來的0.0544%降到了目前的0，這就為火區啟封創造了良好的條件，保證了礦井的安全生產。

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［3］岑可法，姚強，駱仲泱，高翔.燃燒理論與污染控制［M］.北京：機械工業出版社，2004.

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［5］張振華.油品儲罐中硫化亞鐵自然氧化傾向性［J］.石油化工高等學校學報，2004（3）：27.

［6］常鴻，周連春，等.采煤工作面回撤期間防治有害氣體超限技術研究［J］.煤礦機電，2011（8）：19.

TD75

B

1004-5716（2016）08-0150-04

2015-08-31

王濱（1987-），男（漢族），山東泰安人，工程師，現從事礦壓、瓦斯的研究工作。