張志晶 孟龍川 杜珮穎

(1.山西潞安環(huán)保能源開發(fā)股份有限公司五陽煤礦，山西省長治市，046200；2.中國礦業(yè)大學(xué)(北京)應(yīng)急管理與安全工程學(xué)院，北京市海淀區(qū)，100083)

近年來，礦井火災(zāi)事故時常發(fā)生，給煤炭行業(yè)的持續(xù)、穩(wěn)定發(fā)展帶來嚴(yán)重影響。因此，進(jìn)一步加強(qiáng)礦井火災(zāi)救災(zāi)技術(shù)的研究對煤礦安全生產(chǎn)工作及社會發(fā)展具有重要意義。陜峰[1]以山西某礦為例，根據(jù)其地質(zhì)條件，提出了綜合防自燃發(fā)火技術(shù)措施，并成功在實(shí)踐中運(yùn)用；尹曉雷[2]以劉莊礦151305綜采面為例，結(jié)合數(shù)值模擬及MIN-MAX方法，提出了高抽巷抽采條件下綜采工作面煤炭自燃防治技術(shù)；王輝[3]以七一新發(fā)煤業(yè)5006綜采工作面采空區(qū)著火事件為例，利用調(diào)風(fēng)及注二氧化碳?xì)怏w的方法，有效解決了采空區(qū)的著火問題；許石青[4]等以某礦1422高瓦斯工作面為例，采用數(shù)值模擬軟件建立并開發(fā)了與其對應(yīng)的CFD模型，對深部高瓦斯綜采面注氮防滅火方式進(jìn)行了優(yōu)化；楊世瀟[5]以福城煤礦1903N綜采工作面為例，采用模擬實(shí)驗(yàn)與現(xiàn)場觀察相結(jié)合的方法，模擬了9#煤樣自燃全過程，進(jìn)而確定了其工作面自燃規(guī)律，設(shè)置了與其對應(yīng)的應(yīng)急防滅火措施；針對煤礦綜采面過斷層期間易發(fā)生內(nèi)因火災(zāi)的問題，多名研究人員對綜合防滅火措施進(jìn)行了分析研究，如預(yù)測預(yù)報(bào)、采用防漏風(fēng)措施、鉆孔注氮等措施，優(yōu)化了綜采面過斷層防滅火技術(shù)，對減少采空區(qū)煤層自燃事故具有重要意義[6-8]。

綜采工作面火災(zāi)事故對于煤礦生產(chǎn)具有重大影響，因此綜采面的火災(zāi)防治工作也變得舉足輕重。本文在前人對綜采面火災(zāi)防滅火研究的基礎(chǔ)上，以五陽煤礦7607回采工作面火災(zāi)為例，詳細(xì)闡述了整個防滅火過程，對其他煤礦綜采面火災(zāi)防治工作的優(yōu)化具有重要意義。

1 綜采工作面概況

五陽煤礦7607回采工作面屬76采區(qū)，地面標(biāo)高+830～926 m，位于76膠帶巷以西，7605采空區(qū)以北，7609運(yùn)輸巷以南，井田西部邊界以東，井下標(biāo)高在+370～430 m。7607工作面開采山西組中下部3#煤層，該煤層賦存穩(wěn)定，平均厚6.06 m，含兩層夾矸，分為3個自然分層。煤層傾角1°～6°，屬近水平厚煤層，容重1.38 t/m3，為不易自燃煤層。7607工作面煤層平均原始瓦斯含量最大值為10～16 m3/t，平均瓦斯含量最大值為13 m3/t，殘存瓦斯含量為2.5 m3/t。

7607工作面采用Y型通風(fēng)系統(tǒng)，其中7607運(yùn)輸巷為主要進(jìn)風(fēng)巷，供風(fēng)量約3000 m3/min，7607軌道巷為輔助進(jìn)風(fēng)巷，供風(fēng)量約1000 m3/min，7607回風(fēng)巷風(fēng)量約3500 m3/min，高抽巷瓦斯混合氣抽放量為500 m3/min，瓦斯抽采濃度約為3%。7607火區(qū)發(fā)火時已經(jīng)回采86 m，在采面回采過程中瓦斯絕對涌出量45 m3/min，相對涌出量15.6 m3/t，采取本煤層順層鉆孔預(yù)抽煤層瓦斯+高抽巷抽采+采空區(qū)埋管抽采瓦斯的抽采方式治理瓦斯。

2 工作面火勢分析

五陽煤礦7607綜采工作面在推進(jìn)過程中，由于煤層內(nèi)存在加矸現(xiàn)象，因此割煤機(jī)在回采過程中切割到矸石時會產(chǎn)生機(jī)械火花，引燃瓦斯，從而導(dǎo)致外因火災(zāi)發(fā)生，由于瓦斯燃燒擴(kuò)散十分迅速，導(dǎo)致工作面支架上方瓦斯被引燃，從而火勢迅速擴(kuò)大，井下工作人員在直接滅火無效的情況下，迅速匯報(bào)調(diào)度室，組織人員安全撤離。

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頂板上方，可以判斷，工作面頂板上部必然積聚著相當(dāng)量的瓦斯，且存在火區(qū)發(fā)生瓦斯爆炸的風(fēng)險，直接威脅著現(xiàn)場救援人員的生命安全。

為了進(jìn)一步確定7607工作面火災(zāi)狀況，2016年11月15日上午10:00救護(hù)大隊(duì)人員對五陽煤礦回風(fēng)井口和7607工作面高抽巷抽采管路進(jìn)行氣體取樣分析，得出高抽巷CO濃度為1.686%、CO2濃度為1.1600%，回風(fēng)井CO濃度為0.372%、CO2濃度為0.2826%。通過計(jì)算礦井火區(qū)狀態(tài)，為制定火區(qū)救援方案提供依據(jù)。

為了定量考核7607工作面火勢大小，通過燃燒氣體產(chǎn)物濃度變化計(jì)算熱釋放速率。首先，假設(shè)供給7607工作面空氣中的氧氣在燃燒過程中全部轉(zhuǎn)化至CO和CO2中，即CO和CO2中的氧分子全為燃燒過程中氧氣消耗產(chǎn)生，而火區(qū)中燃燒產(chǎn)生的CO和CO2一部分由高抽巷抽出，另一部分通過回風(fēng)井排出。11月15日10:00時，高抽巷抽放量為500 m3/min，回風(fēng)井風(fēng)量23000 m3/min，回風(fēng)井在發(fā)火之前的CO2濃度為0.2%，因此，可計(jì)算火區(qū)內(nèi)每分鐘氧氣消耗量，其計(jì)算公式如下：

Q單=Q混×C

(1)

式中：Q單——單一氣體的流量，m3/min；

Q混——混合氣體的流量，m3/min；

C——巷道內(nèi)單一氣體濃度，%。

則高抽巷中CO2濃度Q1為5.8 m3/min，CO濃度Q2為0.843 m3/min；回風(fēng)井中CO2濃度Q3為19 m3/min，CO濃度Q4為8.556 m3/min。則火區(qū)生成的QCO2為24.8 m3/min，QCO為9.4 m3/min，綜上所述，氧氣每分鐘消耗流量Q△O2為29.5 m3/min，氧氣每分鐘消耗質(zhì)量M△O2為38.35 kg/min。

根據(jù)氧消耗原理法計(jì)算熱釋放速率，耗氧1 kg所釋放的熱量通常取值為13.1 MJ/kg，因此，7607火區(qū)熱釋放速率為502.385 MJ/min。

由于五陽煤礦每噸煤熱量約為25.1 MJ/kg，所以每分鐘燒煤量為20 kg/min。

通過以上理論分析可知，7607工作面火勢的燃煤當(dāng)量約為20 kg/min。因此，7607工作面的火勢是非常大的，救援人員進(jìn)入火區(qū)進(jìn)行直接滅火的難度和危險性很大。

3 火區(qū)救災(zāi)方案

對于不易采取直接滅火的火區(qū)，一個最有效的救援方案就是對7607火區(qū)進(jìn)行封閉，但是隨著火區(qū)封閉工程的進(jìn)行，雖然供給火區(qū)的原有風(fēng)量大幅減少，但是火區(qū)范圍內(nèi)的氧氣濃度依然降低較慢，鑒于高瓦斯礦井的瓦斯涌出量非常大，瓦斯?jié)舛葧眲≡黾?，瓦斯?jié)舛瓤稍谘鯕鉂舛冉档偷?2%之前達(dá)到爆炸下限，從而容易引起瓦斯爆炸。此時，最有效的防范措施是火區(qū)內(nèi)注入惰氣，讓火區(qū)優(yōu)先惰化，使火區(qū)內(nèi)氧濃度降至12%以下，這樣即使瓦斯?jié)舛妊杆俚竭_(dá)爆炸下限，但是由于預(yù)混氣體內(nèi)摻入大量惰氣而使氧氣濃度大幅降低，一般不會發(fā)生瓦斯爆炸事故。通過分析，五陽煤礦水資源豐富，且7607回風(fēng)巷道處于低洼區(qū)域，判斷7607火區(qū)可以在回風(fēng)巷道內(nèi)進(jìn)行水封處理。

綜上所述，當(dāng)前的首要任務(wù)是保證火區(qū)系統(tǒng)穩(wěn)定，在控制火勢情況下逐步控風(fēng)，再通過提高注氮量來抑制火區(qū)發(fā)生爆炸的風(fēng)險，以便最終安全封閉火區(qū)。7607火區(qū)整體救援方案如下。

(1)為保證封閉火區(qū)過程中的安全性，決定利用7607工作面回風(fēng)尾巷低洼區(qū)域特點(diǎn)，采取水封進(jìn)行回風(fēng)巷道封閉。

(2)通過地面注氮系統(tǒng)向7607運(yùn)輸巷內(nèi)注入氮?dú)猓氰b于7607工作面瓦斯涌出量大的特點(diǎn)，為了保證7607工作面水封過程中不發(fā)生瓦斯爆炸，決定在7607火區(qū)上方使用鉆井機(jī)向在距離7607工作面后方30 m位置打1#、2#和3#地面鉆孔，以便通過液氮直注等方式向火區(qū)內(nèi)大劑量注氮。

(3)由于打地面鉆孔需要一定的時間周期，而水封工作需要立即進(jìn)行。因此，在水封過程中，如果地面鉆孔還不具備注氮的條件，而7607工作面回風(fēng)流已經(jīng)減小至2500 m3/min，則需要停止水封，以保證7607工作面不會產(chǎn)生瓦斯積聚的條件。

(4)維持高抽巷抽采系統(tǒng)穩(wěn)定，以減少7607工作面瓦斯積聚速度，但需要通過地面監(jiān)測系統(tǒng)隨時監(jiān)測高抽巷瓦斯?jié)舛龋羲膺€沒有結(jié)束，而高抽巷瓦斯?jié)舛却笥?%，高抽巷需要停止抽采。

(5)在地面鉆孔施工完成具備注氮條件后，加大地面鉆孔和地面壓風(fēng)管路注氮量，同時提升水封速度，以便對火區(qū)實(shí)施迅速封閉，待水封完成后，關(guān)閉高抽巷，同時關(guān)閉7607運(yùn)輸巷和7607軌道巷防火門，火區(qū)穩(wěn)定24 h后，救護(hù)隊(duì)員在7607運(yùn)輸巷和7607軌道巷防火門前方構(gòu)筑永久密閉墻。

3.1 火區(qū)封閉

7607運(yùn)輸巷、軌道巷密閉采用防火門加密閉墻進(jìn)行封閉，密閉墻采用料石砌筑，尺寸為5 m×3.5 m×2 m(高×寬×厚)，中間填500 mm黃土，兩邊各800 mm厚的料石墻，密閉上留有觀察孔和瓦斯抽放管，密閉墻距防火門距離為0.5 m。7607運(yùn)輸巷、軌道巷支護(hù)形式為錨網(wǎng)支護(hù)，密閉長度1154 m。7607軌道巷在1#聯(lián)絡(luò)巷附近存在水淹區(qū)域，7607軌道巷積水標(biāo)高為380.2 m，積水量為10883 m3，積水長度885 m(測點(diǎn)0722向里40 m至測點(diǎn)0742向里65 m)，如圖1所示。

圖1 7607軌道巷水淹區(qū)域圖

7607工作面回風(fēng)巷巷道利用水封，并在76南部放水巷回風(fēng)巷口構(gòu)筑密閉墻，墻體厚度為800 mm,采用料石砌筑。

7607水封積水區(qū)目前積水水位標(biāo)高為339 m，76南部放水巷巷道最低標(biāo)高為339.5 m(已透氣500 mm),積水量為15000 m3，積水巷道包括76南部放水巷、80采區(qū)膠帶運(yùn)輸巷、80采區(qū)輔助運(yùn)輸巷、80采區(qū)1#專用回風(fēng)巷、8000-1#聯(lián)絡(luò)巷、8000-2#聯(lián)絡(luò)巷、80-1#水倉、80-2#水倉、80采區(qū)1#貫眼、原7607、7605水倉。

3.2 工作面火區(qū)治理

2016年11月23日，救援人員在地面鉆孔大劑量注氮的配合下實(shí)現(xiàn)了對7607火區(qū)的安全水封，其中為了保證火區(qū)封閉的安全，地面鉆孔采取直接注入液氮的方式，2#和3#鉆孔的注入液氮量分別達(dá)到6 t/h，直接保證了火區(qū)水封過程的安全性。在完成7607火區(qū)封閉后，救援人員開始轉(zhuǎn)入對7607火區(qū)的治理工作，采取“注液氮降溫”和“封閉窒息”滅火方法，其主要利用地面鉆孔向火區(qū)內(nèi)繼續(xù)注入液氮，同時利用7607運(yùn)輸巷和高抽巷布置的束管監(jiān)測系統(tǒng)對火區(qū)氣體進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測分析，其火區(qū)整個治理過程分為3個階段。

(1)7607封閉火區(qū)第1階段治理。2016年11月24日-2017年1月7日，通過地面鉆孔向封閉火區(qū)注入液態(tài)氮?dú)馄骄?0 t/d(共計(jì)2700 t液氮)，用于熄滅及惰化火區(qū)。2016年12月24日，打開76南部放水巷密閉墻上排氣孔排放76南部放水巷積的存火區(qū)氣體，2016年12月29日，關(guān)閉76南部放水巷密閉墻排氣孔。

(2)7607封閉火區(qū)第2階段治理。2017年1月7日-2月6日，火區(qū)處于封閉狀態(tài)，無人為擾動，2月6日下午1點(diǎn)30分，打開3#地面鉆孔，以50 m3/min的流量向封閉火區(qū)內(nèi)注入液氮。2月6日晚9點(diǎn)，開啟高抽巷，以30 m3/min的流量抽采火區(qū)內(nèi)氣體(該流量小于注氮量，以保證密閉墻外不向火區(qū)內(nèi)漏風(fēng))。在3#地面鉆孔注液氮期間(3#地面鉆孔共計(jì)注入液氮900 t)，通過對2#地面鉆孔的溫度和氣體指標(biāo)監(jiān)測分析得出，2#地面鉆孔后方或2#地面鉆孔與工作面沿空留巷之間區(qū)域存在高溫區(qū)域。

圖2 7607運(yùn)輸巷密閉墻壁后氣體濃度變化曲線

(3)7607封閉火區(qū)第3階段注氮治理。在判斷出7607火區(qū)內(nèi)高溫區(qū)域所在位置后，2017年2月16日中午在2#鉆孔正式實(shí)施注入液氮措施，注入6 t/h液氮，連續(xù)注入5 d(共計(jì)720 t)，至2月21日中午停止2#鉆孔注氮。2月24日—3月13日，通過3#地面鉆孔向火區(qū)內(nèi)共注入液氮約1000 t。該階段7607運(yùn)輸巷和7607軌道巷密閉墻后氣體濃度測數(shù)據(jù)如圖2和圖3所示，76南部放水巷密閉墻后氣體濃度監(jiān)測數(shù)據(jù)如圖4所示。

鑒于已經(jīng)向7607火區(qū)注入液氮1720 t，其火區(qū)各氣體指標(biāo)基本穩(wěn)定，無任何復(fù)燃跡象，因此，為準(zhǔn)確判斷火區(qū)內(nèi)燃燒狀態(tài)，于3月13日停止向火區(qū)注氮，以便觀察分析在無惰性氣體稀釋影響下火區(qū)氣體變化。

圖3 7607軌道巷密閉墻壁后氣體濃度變化曲線

圖4 76南部放水巷密閉墻壁后氣體濃度變化曲線

4 綜合滅火效果

在對整個著火區(qū)域采取“注液氮降溫”和“封閉窒息”滅火方法處理后，通過對7607火區(qū)各密閉墻內(nèi)環(huán)境溫度進(jìn)行測量后發(fā)現(xiàn)，7607運(yùn)輸巷密閉墻內(nèi)氣體溫度分別為14℃和13℃，7607軌道巷密閉墻內(nèi)氣體溫度分別為15℃和14℃，76南部放水巷密閉墻內(nèi)氣體溫度都為18℃。7607火區(qū)氣體中已經(jīng)4個月沒有檢測到乙烯、乙炔，7607運(yùn)輸巷密閉墻內(nèi)CO濃度已經(jīng)穩(wěn)定在0.0005%以下滿1個月，7607軌道巷密閉墻內(nèi)CO濃度自從3月13日停止注氮后呈現(xiàn)逐漸下降趨勢且已有半個月穩(wěn)定在0.001%以內(nèi)。選用了位于7607著火區(qū)域上方的2#鉆孔來分析火區(qū)的真實(shí)情況，2#鉆孔氣體采樣數(shù)據(jù)變化曲線如圖5所示。

圖5 2#地面鉆孔氣體濃度變化曲線

由圖5可以看出，火區(qū)內(nèi)CO一直穩(wěn)定在0.001%以內(nèi)，CO2濃度小于1%，O2濃度普遍高于7%，CH4濃度在20%附近波動。通過2#鉆孔的監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，可以判斷在火區(qū)治理第二階段發(fā)現(xiàn)的火區(qū)高溫區(qū)域已經(jīng)消失，進(jìn)而可以初步判斷7607火區(qū)已經(jīng)熄滅。

5 結(jié)論

(1)對五陽煤礦回風(fēng)井口和7607工作面高抽巷抽采管路進(jìn)行了氣體取樣分析，通過使用熱釋放速率計(jì)算火區(qū)火勢分析和燃燒規(guī)模的方法,計(jì)算出7067工作面火勢的燃煤當(dāng)量約為20 kg/min，得出礦井火區(qū)火勢較大，救援人員難以直接進(jìn)入火區(qū)進(jìn)行滅火，從而確定了對7607火區(qū)進(jìn)行封閉的救援方案。

(2)詳細(xì)介紹了綜采工作面綜合滅火措施,具體救援方案為通過對火區(qū)注入惰氣，將火區(qū)內(nèi)氧氣濃度大幅下降至12%以下，確保瓦斯不會發(fā)生爆炸，最后通過鉆孔注水來對著火區(qū)域進(jìn)行密封。通過對7607火區(qū)各密閉墻內(nèi)環(huán)境氣體溫度及鉆孔內(nèi)氣體分析得出，7607火區(qū)已經(jīng)熄滅。