惰性氣體在治理高瓦斯綜放工作面火災中的應用

章才光,郭 建

(1. 大同煤礦集團 鐵峰煤業有限公司,山西 右玉 037003;2. 遼寧工程技術大學 安全科學與工程學院,遼寧 阜新 123000)

1 綜放面火災概況

鐵峰煤礦現開采3#煤層,采取南北兩翼開采,各翼生產系統和通風系統相對獨立。煤層自燃傾向性等級為Ⅲ級,屬不易自燃煤層。煤層瓦斯涌出量大。鐵峰煤礦N1203綜放工作面長300 m,走向長1.8 km,煤厚6 m,采用放頂煤機械化采煤方法,放頂高3.2 m。頂板管理采用垮落式落頂方法。2011年6月22日8時,鐵峰煤礦N1203綜放工作面發生大面積火災。

2 綜放面火災原因分析

1)火災是由于截煤機切割斷層帶巖石時產生的摩擦火花引起瓦斯燃燒,界定為外因火災。外因火災發生發展迅速突然,情況多變,涉及影響區域大。

2)火災發生地點位于綜放工作面和膠帶順槽交叉口內部55 m處,此處存在大量可燃物瓦斯,加之綜放工作面氧氣量充足,在綜放工作面上方形成瓦斯-空氣預混氣,由此導致摩擦火花引燃瓦斯-空氣預混氣,界定為富氧富燃料預混燃燒。而富燃料不會自行熄滅,因此需對火區進行惰化阻燃,采取封閉措施。

3 惰性氣體的惰化阻燃性能

1)氧含量。目前國內制氮機產出的N2最大含氧量為3%,而此次滅火使用的液態CO2含氧量為0,液態CO2對惰化防火十分有利。

2)吸附性。煤作為吸附劑,CO2、N2作為吸附質。實驗表明煤對CO2的吸附量為48 L/kg,對N2的吸附量為8 L/kg。煤在吸附過程中,把吸附熱傳導至惰性氣體,遏制火災的連鎖反應,提高惰化阻燃效果,CO2的惰化阻燃效果良好。

3)臨界氧濃度。據測定,火區內N2惰化對應的阻燃臨界氧濃度9.5%,阻爆臨界氧濃度11.5%;火區內CO2惰化對應的阻燃臨界氧濃度12.0%,阻爆臨界氧濃度14.6%。CO2的阻燃阻爆效果良好。

4)火區惰化覆蓋率。N2的相對密度為0.98,比空氣輕,注入到N1203綜放工作面容易向上方裂隙擴散,使N2惰化效果受到影響。CO2的相對密度為1.53,比空氣重,而滅火的重點防范區域位于底部,CO2注入到N1203綜放工作面后其覆蓋率高,阻燃阻爆效果良好。

4 惰性氣體滅火工程

4.1 井下密閉

在北翼區南端西側通往南翼生產區的通道上布設四處防火墻,切斷火區與南翼之間的聯系,防止火災蔓延造成更大規模的損失,保證了南翼正常安全生產。在北翼進風井和回風井布設兩處防火墻,密閉火區。

4.2 地面鉆孔

采用凝膠技術,通過鉆孔對井下N1203發火工作面就近進行封閉。在地面對應于井下N1203綜放面火區上方共布置了8個鉆孔,如圖1所示,其中6#孔考慮其井下終孔位置附近就有密閉墻,故取消該孔。實際成孔數為7個,其中3#、4#、7#、8#孔為凝膠封閉孔,1#、5#孔為液態CO2注入孔,2#孔作為取氣樣孔測定氣體濃度與溫度,孔徑為212 mm,孔深為530 m左右,成孔后下套管,管徑為193 mm。

圖1 N1203發火工作面鉆孔布置圖Fig.1 Layout of boreholes on N1203 combustion working face

4.3 惰性氣體灌注

采用液態CO2地面灌注防滅火裝備系統,將液態CO2轉換成氣體,然后經管道輸送灌注于火區。地面氣化的氣態CO2注入北翼進風井,惰化整個北翼封閉區,注入情況見表1。

表1 惰性氣體灌注情況統計表Table 1 Inert gases injection

5 滅火效果分析

在北回風井防爆蓋內設置的火災氣體監測點的監測數據反映了火區的真實情況,最具代表性。地面2#鉆孔的終孔地點位于N1203綜放面與該面膠帶運輸巷的交叉處,能夠真實地反應N1203綜放面火災氣體的變化規律。以北回風井防爆蓋內數據與2#鉆孔的數據作為依據分析滅火效果。

5.1 北回風井防爆蓋內監測數據分析

對北回風井防爆蓋內的氣體進行監測。北回風井防爆蓋內O2濃度降低迅速,7月9日已降至0.5%,降幅大，惰化效果良好,而隨后O2濃度反彈上升是由于停注惰性氣體使北回風井防爆蓋內惰性氣體不足,北進風井漏風導致O2濃度上升。CO2濃度變化呈急劇上升態勢,7月9日已由初始濃度10.5%上升至38.6%,惰化效果好。6月27日CO濃度由1%急劇下降至0.256‰,火區內已轉入窒息滅火狀態,隨后CO濃度持續下降。由此可見惰性氣體充分控制了火區火災發展,具有良好的惰化滅火效果。

5.2 2#鉆孔監測數據分析

對地面2#鉆孔進行監測。7月10日檢測2#鉆孔內O2濃度最高為2.1%,滿足《煤礦安全規程》第二百七十九條要求。CO2濃度保持在39%～43%,CO濃度持續下降,惰化情況良好。而2#鉆孔所測火區氣溫為27 ℃,比井下遠離火區防火墻外的溫度高,說明火區內處在陰燃階段。

6 結束語

對鐵峰煤礦N1203綜放面火災現場應用情況的分析表明:

1)惰性氣體注入火區后可降低O2含量,抑制燃燒,使火災因缺氧窒息而熄滅,并成功在鐵峰煤礦實踐,處理了其N1203綜放面火災。

2)將惰性氣體用于礦井防滅火中,節約經費,運輸方便,滅火效果好,恢復生產快。