周連春，王　濱

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

老石旦煤礦031601工作面自然發(fā)火的原因分析與滅火實踐

周連春1，王濱2

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

摘要：針對老石旦煤礦采空區(qū)自燃的事實，認真分析了老石旦煤礦031601工作面自然發(fā)火的原因，并且根據(jù)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(qū)注氮氣，并在地面填堵采空區(qū)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(chǎn)。

關鍵詞：采空區(qū)遺煤;自然發(fā)火；防滅火；老石旦煤礦

二十世紀八、九十年代，我國內(nèi)蒙古自治區(qū)阿拉善神寧集團烏蘭礦曾發(fā)生過數(shù)次礦井火災，火災致因一度被懷疑是某種硫化物所為，但并沒有對其進行深入的研究。隨著石油化工行業(yè)油氣罐在運輸、儲運過程中發(fā)生火災事故致因研究的不斷探索，國內(nèi)外許多專家學者對FeS的自燃特性進行了深入研究，有的學者認為FeS自燃過程中如沒有其他可燃物支持，將產(chǎn)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。當周圍有其他可燃物存在時，會冒出濃煙，并引發(fā)火災和爆炸[1]。這些研究為FeS自燃引發(fā)高硫煤煤礦火災事故提供了理論基礎和事實依據(jù)。2015年4月，內(nèi)蒙古烏海市神華烏海能源公司老石旦煤礦發(fā)生了井下火災事故，事故發(fā)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(fā)前的CO監(jiān)測中，沒有測試出CO，甚至在礦井下產(chǎn)生“煙氣”的時候，監(jiān)測到的CO濃度值仍然為0，這與常規(guī)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入的研究，并探討相應的防滅火措施。

1礦井概況

老石旦煤礦位于內(nèi)蒙古自治區(qū)烏海市，核定生產(chǎn)能力150萬t/a，礦井防滅火系統(tǒng)以注氮防滅火為主、噴灑阻化劑為輔，并安裝了束管監(jiān)測系統(tǒng)，對易發(fā)火地點實時監(jiān)測預報。2014年6月該礦12#、16#煤層自燃傾向等級鑒定結果均為Ⅱ類自燃煤層；最短自然發(fā)火期分別為12#煤層59天，16#煤層63天。老石旦煤礦031601工作面位于北三井口東北側，16#煤露頭北西700 m。工作面開采煤層為16#煤層，為高硫煤，硫含量超過2%，煤層厚度8.5 m，走向長1 370 m，傾斜長280 m，煤層傾角5°～30°，煤層賦存較穩(wěn)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642 m3/min，031601回風順槽回風，風量為662 m3/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1.19 m3/min；礦井瓦斯絕對涌出量為5.49 m3/min，相對涌出量2.07 m3/t。

2火災事故致因分析

2015年4月16日10∶35分，老石旦煤礦031601回風順槽出現(xiàn)煙氣，經(jīng)檢測煙氣中CO濃度0.000 4%、CO2濃度1.3%、O2濃度18.7%、CH4濃度0.06%；到11∶30分，上隅角CH4濃度為0.1%，CO濃度為0.001 2%、CO2濃度1.4%、O2濃度18.1%(由于老石旦煤礦將CO作為煤炭自燃標志性氣體，所以重點觀測CO 濃度變化情況)。調(diào)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(yè)地點撤人、停電。11∶48向公司生產(chǎn)指揮中心匯報。公司領導及相關部室領導專家立即來礦，根據(jù)井下現(xiàn)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。井下火災致因分析如下：

1)礦方對上覆12#和9#煤層采空區(qū)密閉長期觀測，以及事故后對12#和9#煤層采空區(qū)密閉取樣分析均未發(fā)現(xiàn)CO，也未發(fā)現(xiàn)鄰近采空區(qū)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(qū)自然發(fā)火因素。另外031601工作面自開采至今，通過束管分析、安全監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)測、人工取樣分析、人工檢測等方法，均未發(fā)現(xiàn)工作面采空區(qū)、上隅角、回風流出現(xiàn)CO及煤的自燃標志性氣體。031601工作面從出現(xiàn)煙氣后，CO氣體濃度從初始0.000 4%經(jīng)過13 h迅速上升至0.1%以上，同時伴隨C2H4、C2H2氣體出現(xiàn)，C2H4氣體最大濃度0.012 2%，C2H2氣體最大濃度0.052 5% ，這些數(shù)據(jù)不符合煤的自然發(fā)火基本規(guī)律，所以采空區(qū)遺煤自然發(fā)火因素可能性不是很大。

2)老石旦煤礦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(wǎng)等金屬物品受水長期侵蝕作用與煤中硫化物結合易形成FeS[2-3]，并放出熱量(Q)，其化學反應式為：

Fe2O3+3H2S=2FeS+3H2O+S+Q

2Fe(OH)3+3H2S=2FeS+6H2O+S+Q

Fe3O4+4H2S=3FeS+4H2O+S+Q

根據(jù)工作面采空區(qū)束管監(jiān)測數(shù)據(jù)，回風側“氧化帶”最大寬度約20 m，且采空區(qū)一直采取連續(xù)注氮方式，采空區(qū)“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[4]。4月15日，阿拉善左旗發(fā)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0.5 m，受采動和地震誘導因素影響，地面與本煤層采空區(qū)通過裂隙形成漏風通道，使采空區(qū)形成的FeS具備了燃燒的條件[4]，其化學方程式為：

4FeS+3O2=2Fe2O3+4S+Q

由于FeS遇氧燃燒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。

3老石旦煤礦防滅火工程實踐

1)封閉工作面

為了防止火災事故蔓延，威脅全礦井的安全，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7 m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，密閉施工位置示意圖如圖1所示。通風隊在031601運輸順槽安排專職瓦檢員檢查氣體情況，每隔30 min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20 min匯報一次氣體情況；監(jiān)控中心做好氣體監(jiān)測及分析工作，每1 h做一次031601上隅角氣體分析，及時上報應急指揮部。

2)注液氮防滅火[5-8]

2015年4月17日礦方在神華寧煤集團靈新礦專業(yè)技術人員指導下開始注液氮工作，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25 t液氮，交替向兩個注液氮罐中注液氮(每個液氮罐能夠裝1 t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，4月19日20:38分開始注液氮，4月22日19:35分結束，共注液氮25 t，氣化氮氣20 000 m3。注液氮具體步驟及注意事項為： ①如圖2所示，將裝注液氮罐的平板車放平穩(wěn)，固定好防止下滑和移動； ②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； ③現(xiàn)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0.01 MPa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(nèi)注液氮，以達到防滅火的效果。

圖1　031601工作面封閉及鉆孔注氮示意圖

1—防火密閉；2—注漿管；3—閥門；4—閥門；5—注液氮軟管；6—壓力表；7—注液氮罐；8—平板車；9—軌道；10—枕木

3)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(qū)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(xù)不斷向火區(qū)注氮氣進行火區(qū)惰化，截止5月6日，共注氮氣26.261 6萬m3。

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(yè)廣場安裝注氮機，注氮設備采用地面DM型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(chǎn))，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，可滿足高氮氣壓力需求的用戶。適合遠距離輸送，并可移動。主要技術指標：氮氣產(chǎn)量1 000 Nm3/h，氮氣純度 ≥ 97%，O2含量≤ 3%，氮氣出口壓力 ≥ 0.8 MPa(可調(diào))。氮氣是一種無色無味的惰性氣體，不能支持人的生命，同時是一種窒息氣體，含 85% 以上的氮氣在短時間內(nèi)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(qū)域。連接注氮管路1 500 m(管路型號為133 mm )至技改主運輸巷1 200 m處。4月17日由專業(yè)打鉆隊伍計劃從技改主運輸巷1 200 m及以里位置向031601采空區(qū)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447 m，其中1#孔77 m，2#孔78 m，3#孔75 m，4#孔74 m，5#孔70 m，6#孔73 m，另外1#、2#、3#孔下套管成功，鉆孔示意圖如圖1所示。從4月25日12:30分開始注氮氣，共注氮氣6.667 9萬 m3。

表1　031601采空區(qū)束管監(jiān)測部分氣體濃度變化表

5)地面填堵地表裂縫

老石旦煤礦031601采空區(qū)發(fā)生火災后礦方安排專人到采空區(qū)對應地表觀察后發(fā)現(xiàn)，由于地震原因新出現(xiàn)了10條裂縫，裂縫最長達到130 m左右，裂縫最寬有500 mm左右，為了防止地表大氣繼續(xù)從裂縫進入采空區(qū)引發(fā)次生災害，礦上決定填堵上述裂縫，截至4月19日共填堵裂縫10條，用沙子15 t，有效地填堵了大氣導入采空區(qū)的通道，防止大氣通過裂縫進入井下采空區(qū)。

4綜合防滅火效果分析

從老石旦煤礦031601采空區(qū)著火以來，礦方積極采取封閉工作面、在井下對采空區(qū)注液氮、利用井下移動制氮機和地面制氮機向封閉火區(qū)注氮氣、在地面填堵采空區(qū)上覆地表裂縫等綜合防滅火安全技術措施對火區(qū)進行了處治[9]，通過表1監(jiān)測結果可以看出,采取綜合防滅火措施后031601封閉火區(qū)內(nèi)的O2濃度從原來的17.938 2%降到2.608 5%，CO濃度從原來的0.054 4%降低到目前的0，收到了良好的防滅火效果，也為下一步火區(qū)啟封創(chuàng)造了良好的條件，保證了礦井的安全生產(chǎn)[10]。

5結論

1)對老石旦煤礦井下火災事故調(diào)查分析，提出FeS自燃進而引燃了周邊浮煤或高分子材料，導致031601工作面火災事故的推斷。

2)采取封閉工作面、在井下對采空區(qū)注液氮、利用井下移動制氮機和地面制氮機向封閉火區(qū)注氮氣、在地面填堵采空區(qū)上覆地表裂縫等綜合防滅火安全技術措施對火區(qū)進行處治，有效抑制了火區(qū)擴展。

3)采取綜合防滅火措施后，031601封閉火區(qū)內(nèi)的O2濃度從原來的17.938 2%降低到2.608 5%，CO濃度從原來的0.054 4%降低到0，收到了良好的防滅火效果。

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(責任編輯：呂海亮)

Cause Analysis of Spontaneous Combustion of 031601 Working Face in Laoshidan Coal Mine and Extinguishing Practice

ZHOU Lianchun1,WANG Bin2

(1.Laoshidan Coal Mine,Shenhua Wuhai Energy Co.Ltd,Wuhai,Inner Mongolia 016033,China;2.Coal Engineering and Trading Co.Ltd,China Coal Technology and Engineering Group,Beijing 100013,China)

Abstract:In view of the goaf spontaneous combustion in Loshidan coal mine,this paper made a deep analysis of the causes for the spontaneous combustion of 031601 working face.According to actual situations,comprehensive measures were taken to prevent and extinguish the combustion such as downhole injection of liquid nitrogen， injection to the fire zone of nitrogen produced by underground mobile nitrogen machine and ground nitrogen machine,and overlying ground cracks in goaf areas.It has been proved that such measures have good fire preventing and extinguishing effects and can guarantee the safety production of mines.

Key words:residual coal in goaf;spontaneous combustion;fire control;Laoshidan coal mine

收稿日期：2015-08-17

基金項目：內(nèi)蒙古自治區(qū)科技創(chuàng)新引導獎勵資金項目(REPORT-52685114930)

作者簡介：周連春(1972—)，男，河南鶴壁人，高級工程師，主要從事煤礦“一通三防”技術管理和研究工作． E-mail：zlc200802116@163.com

中圖分類號：TD752.2

文獻標志碼：A

文章編號：1672-3767(2016)01-0044-04