保障工作面安全生產應急防滅火成套技術在礦產資源開發利用中的應用

（華亭煤電股份有限責任公司，甘肅 華亭 744100）

目前我國礦井每年都要因為自然發火封閉很多工作面，給礦井造成了很大的損失。被迫封閉工作面的主要原因并不是這些礦井不注重防滅火，而是有些地質條件不可預測，意外的發生了工作面推進度太慢，其對防火的要求短時間超出了礦井的防滅火能力，而礦井短時間又不能增加防滅火能力，因而只有被迫封閉工作面[1]。怎樣在短時間大幅增加礦井的防滅火能力，華亭礦井給出了答案。

1 建立應急防滅火系統的必要性

華亭礦井250102-2工作面在開采時存極易自然發火因素，其因素為：①工作面開采資源為Ⅰ類自然發火資源，其最短發火期僅17d；②綜采放頂開采，采空區浮塵較多，而且呈立體分布，不利于注黃泥漿和阻化劑防火；③采空區大量抽瓦斯，增加了采空區的漏風；④上分層均為小礦柱開采，工作面后方的采空區已經連成了一片，增加了防火注氮流量；⑤工作面前方上分層采空區受采動影響，漏風后浮塵提前氧化，易從支架上方掉下高溫浮塵；⑥工作面斷層較多、礦壓較大，推進度不可預測，當推進度特別慢時。易自然發火。綜上所述，巨厚礦層綜采放頂下分層開采時不僅有本分層的自然發火因素，還存在上分層的自然發火因素，為了保障工作面防滅火萬無一失，礦井不僅有常規的防火裝備，而且有必要設置應急防滅火系統。

2 應急防滅火系統功能

2.1 應急防滅火系統組成及防滅火工藝

華亭礦井應急防滅火系統的組成為：惰氣耦合高強度防滅火裝備；地面和井下黃泥灌漿管路和壓風管路；井下移動式制氮機及注氮管。

當二分層采空區CO氣體濃度達到500ppm時，或出乙稀氣體時，立即啟動應急防滅火系統。應急防滅火的工藝為：礦井將35t液氮或液體二氧化碳大槽車拉到地面黃泥灌漿站附近，與地面惰氣耦合高強度防滅火裝置連接，大流量液氮經裝置汽化后通過黃泥灌漿管路和壓風管路并連輸往井下二分層采空區防滅火。

2.2 應急防滅火系統功能

2.2.1 迅速增加工作面防滅火惰氣流量

礦井制氮機能力按工作面防火設計，沒有富余系數，如果工作面發生資源劇烈氧化、自然發火或瓦斯燃燒時，則注入的氮氣流量應比防火大數倍，但短時間礦井不可能增加數倍流量的氮氣量，這就使得采空區浮塵劇烈氧化處理時間長，甚至導致工作面封閉[2]。為此，本項目引進“惰氣耦合高強度防滅火裝備”，使用該裝備，將某化工廠生產的液氮大流量汽化，可在1天之內使礦井注惰氣流量增加2000m3/h～8000m3/h，迅速防滅火。

2.2.2 抑制瓦斯爆炸

礦井二分層工作面為高瓦斯工作面，當高瓦斯工作面出現瓦斯燃燒或自然發火，在封閉工作面時，爆燃的危險性非常大，目前國內外礦井只能憑運氣，不能完全保證制止瓦斯爆炸。例如：①寧夏某礦，工作面自然發火，在封閉工作面時發生了20幾次瓦斯爆炸，幾個救護隊員受傷，最后只得采取封閉全礦井的被動措施，半年后才恢復生產；②吉林某礦，在封閉自然發火的采空區時，瓦斯爆炸，犧牲了數十位工人，最后只得用引河水淹全部井下；③甘肅某礦，工作面自然發火，封閉時連續發生瓦斯爆炸，幾人受傷，最后只得封閉全礦井。這樣的事例數不勝數，救護隊稱封閉高瓦斯發火的工作面為過鬼門關。如果啟動應急防滅火系統，可先封閉進風巷道，從進風密閉向火區注入8000m3/h以上的大流量氮氣或二氧化碳，在1～2天之內將氧濃度降到12%以下，惰化火區，然后再封閉回風密閉，從而保障救護隊員的生命安全，從容封閉火區。

2.2.3 降低注惰氣溫度

使用應急防滅火系統，使用該裝備可按防滅火需要，將氮氣溫度降低20℃，向采空區注入0℃以下的低溫惰氣，降低浮煤的聚熱環境，從而抑制浮塵從劇烈氧化發展為自燃。

2.2.4 增加惰氣比重

空氣的密度1.29kg/m3，二氧化碳密度為1.97kg/m3，二氧化碳的重量是空氣重量的1.52倍，如果我們在氮氣中摻入一定比例的二氧化碳，使氮氣的比重比空氣重，形成耦合惰氣，將其注入采空后流速降低，漏失較小，可以大幅提高注氮防滅火的效果。應急防滅火系統可實現二氧化碳與氮氣耦合，將惰氣比重提高到大于空氣比重。

2.2.5 增加惰氣純度

氮氣的純度一般為97%～98%，系統產生的氮氣或二氧化碳的純度可達到99.99%，注入采空區后具有更好的降氧效果。

氮氣的純度對采空區降氧起到關鍵作用，雖然制氮機生產的氮氣純度大于97%就能送到井下采空區防火，這個純度與液氮的純度也只相差2.99個百分點，但其降氧作用卻相差太大，根據“氮氣防滅火規范”中的采空區防火注氮流量計算公式計算，當氮氣純度為98%時，防火注氮流量為2000m3/h，當氮氣純度為99.99%時，防火流氮流量僅為1400m3/h，相當于純度為98%的氮氣防火流量的70%。因此純度為99.99%液氮汽化氮氣比制氮機氮氣在采空區的降氧效果要提高30%左右。

2.2.6 提高惰氣泡沫壓力

氮氣泡沫由于壓力低，因而發泡效果差，應急防滅火系統可提高惰氣壓力，使惰氣泡沫流量大，發泡效果好。

2.2.7 增加采空區注氮地點

使用應急防滅火系統可迅速增加采空區數倍注氮流量，但由于采空區原有埋管直徑偏小，不能有效地將大流量氮氣或二氧化碳注入采空區，因此本系統還配制了向采空區打鉆的大直徑鉆桿和鉆頭，可向工作面下隅角以里打入2根30m長的注氮鉆桿，通過大直徑鉆桿直接注氮氣[3]。

2.2.8 成本低

任何防滅火系統，如果投資高，則其推廣性就差。華亭某礦應急防滅火系統采用“惰氣耦合高強度防滅火裝置”作為主要裝備，僅花了60余萬元的投資，利用現有管路，就形成了能增加8000m3/h流量惰氣的防滅火應急系統。

3 應用實例

華亭礦井250102-2工作面推進到850m時，工作面遇斷層推進度很慢，僅30/月左右，在工作面前方30m的回順上分層監測鉆孔束管測到CO氣體為80ppm，隨后幾天CO氣體快速上升，僅3天時間就上升到420ppp，溫度由平時的27℃上升到35℃，經分析，由于工作面推進度很慢，加上工作面礦壓較大，上分層采空區漏風后浮塵長期氧化，導致上分層采空區出現高濃度CO和較高溫度的浮塵[4]。為了抑制上分層采空區浮塵的劇烈氧化，礦井啟動了應急防滅火系統。由于上分層采空區漏風較大，決定向采空區注高比重、高純度、低溫、較大流量耦合惰氣防滅火，其方法如圖2所示：①在工作面前方進風順槽向上分層采空區打鉆孔2個，鉆孔間距10m，以打透到采空區為準，鉆孔下ф108mm套管到孔底，用馬利散快速封孔。②廠家將35t二氧化碳大槽車拉到地面黃泥灌漿站附近，與地面“惰氣耦合高強度防滅火裝置”連接，液態二氧化碳經裝置汽化后通過黃泥灌漿管路輸往井下，與井下制氮機生產的氮氣在注氮管內耦合后輸往上分層采空區鉆孔，通過鉆孔向上分層采空區連續注耦合惰氣，一直注到上分層采空區內CO氣體濃度正常為止。③工作面風流為1500m3/min，經計算，抑制上分層高溫浮塵的劇烈氧化需注耦合惰氣3000m3/h，為此，按照耦合惰氣中氮氣與二氧化碳3:1的比例，由井下制氮機提供2000m3/h流量氮氣，地面“惰氣耦合高強度防滅火裝置”提供1000 m3/h流量的汽化后的二氧化碳氣體（1.8t/h液體二氧化碳）。二種氣體在井下管路中耦合后形成3000m3/h的耦合氣體注入上分層采空區。

向上分層采空區連續注入6天耦合惰氣，共計注入360000m3耦合惰氣，將上分層采空區CO氣體由420ppm降到0ppm，溫度由35℃降到27℃，然后停止注耦合氮氣。工作面一直到推過這段上分層浮塵劇烈氧化區，上分層采空區CO氣體始終為0。

4 結論

（1）華亭礦井250102-2工作面放頂分層開采Ⅰ類易燃巨厚礦層，存在極易自然發火因素，有必要建立應急防滅火系統。

（2）應急防滅火系統由“惰氣耦合防滅火裝置”、黃泥灌漿管路、壓風管路和廠家臨時運來的液氮或液體二氧化碳槽車組成。

（3）應急防滅火系統的主要功能為：可在一天之內為礦井增加2000m3/h～8000m3/h的氮氣或二氧化碳或耦合惰氣。增加的氮氣具有低溫、高純度的特點，增加的二氧化碳和耦合惰氣具有高比重、低溫、高純度的特點。

（4）利用礦井應急防滅火系統向工作面上分層采空區注入3000m3/h的耦合惰氣，將CO氣體濃度由420ppm降為0，保障了工作面的安全推進。