李廣軍

（上海大屯能源股份有限公司，江蘇 徐州 221000）

礦井火災(zāi)作為礦井主要災(zāi)害，一旦發(fā)生，將造成嚴(yán)重的人員傷亡和巨大的財(cái)產(chǎn)損失。在礦井火災(zāi)防治過程中要結(jié)合礦井地質(zhì)條件，采煤工藝以及其他災(zāi)害疊加的機(jī)理和規(guī)律，采用合理的防滅火方法[1-3]，才能使礦井火災(zāi)得到有效的治理，確保煤礦的安全生產(chǎn)。

1 工作面概況

上海大屯能源股份有限公司徐莊煤礦核定生產(chǎn)能力1.8 Mt/a。礦井通風(fēng)方式為混合式，主、副井進(jìn)風(fēng)，南風(fēng)井、西風(fēng)井回風(fēng)，通風(fēng)方法為抽出式通風(fēng)；瓦斯鑒定等級(jí)為低瓦斯礦井，7#煤層自燃傾向性為Ⅱ類，最短自然發(fā)火期為 57 d；煤塵具有爆炸危險(xiǎn)性。7311工作面為綜采放頂煤工作面，走向長度1265 m，傾向長度74～230 m，平均煤層傾角27.2°，平均采高4.8 m。

2 工作面火情概述

7311工作面存在三條主要斷層橫穿該工作面，斷層落差均大于3 m、小于10 m。該工作面不規(guī)則布置，即回采至中段會(huì)出現(xiàn)大、小面對(duì)接的情況。同時(shí)，回采期間，通過7215廢放水巷與上部老空區(qū)多條巷道聯(lián)通，存在許多漏風(fēng)通道。

由于推進(jìn)速度緩慢，造成了采空區(qū)遺煤氧化速度增加、煤溫上升，導(dǎo)致了采空區(qū)深部遺煤氧化產(chǎn)生的CO氣體運(yùn)移、外溢至回風(fēng)隅角處，實(shí)測(cè)下隅角切頂線處CO氣體濃度（1.2～1.4）×10-4。

3 工作面自燃危險(xiǎn)區(qū)域判定

3.1 半導(dǎo)體測(cè)溫與束管取樣分析

工作面共布置5個(gè)測(cè)點(diǎn)，平均間隔約50 m。每個(gè)測(cè)點(diǎn)埋設(shè)一用一備2個(gè)溫度傳感器和2根束管。溫度傳感器采用AD590集成半導(dǎo)體溫度傳感器；束管為內(nèi)徑6～8 mm的聚氯乙烯塑料管。每日早班采集一次溫度和氣樣，并記錄推進(jìn)速度。

圖1 測(cè)溫取樣測(cè)點(diǎn)布置示意圖

3.2 采空區(qū)“三帶”分布分析

3.2.1 用自燃氧化溫升速率K劃分“三帶”

溫升速率K是指每一天溫度上升值℃/d，通常認(rèn)為K≥1 ℃/d就進(jìn)入自燃帶。據(jù)此，劃分“三帶”見表1。

表1 依溫升速率K劃分采空區(qū)“三帶”分布表

3.2.2 用氧氣濃度大小劃分“三帶”

利用氧氣濃度劃分采空區(qū)自燃“三帶”，采用的劃分依據(jù)一般為：散熱帶的氧氣濃度＞19%，自燃帶的氧氣濃度在8%～19%之間，窒息帶的氧氣濃度＜8%。據(jù)此，劃分“三帶”見表2。

表2 依氧氣濃度大小劃分采空區(qū)“三帶”分布表

3.2.3 基于CFD模型的自燃危險(xiǎn)區(qū)域模擬

CFD模型是采用商業(yè)化計(jì)算流體力學(xué)軟件Fluent來模擬采空區(qū)氣體的移動(dòng)規(guī)律。根據(jù)7311工作面的物理特征建立CFD模型，采空區(qū)氧氣濃度分布如圖2，反映了采空區(qū)高氧區(qū)域呈典型的“U”型分布。由此可知，煤自然發(fā)火的威脅通常大多來自于上、下兩道處遺煤，此應(yīng)是防滅火工作的重點(diǎn)區(qū)域。

圖2 采空區(qū)氧氣濃度分布云圖

4 綜合防滅火技術(shù)應(yīng)用

4.1 均壓防滅火技術(shù)

均壓防滅火技術(shù)的一個(gè)特點(diǎn)就是控制采空區(qū)漏風(fēng)通道進(jìn)、回風(fēng)側(cè)兩端的風(fēng)壓差，以控制漏風(fēng)、控制風(fēng)流交換、控制有害氣體的涌出。

4.1.1 均壓防滅火技術(shù)方案

全井共布置相關(guān)壓能測(cè)點(diǎn)55個(gè)，通過壓能測(cè)定與現(xiàn)狀分析，確定方案：撤除7311溜子道出口47～48點(diǎn)之間的調(diào)節(jié)風(fēng)門，于7311材料道出口（43～44點(diǎn)之間）構(gòu)筑2道均壓調(diào)節(jié)風(fēng)門，分別構(gòu)筑在Ⅱ⑴采區(qū)通風(fēng)上山一甩道、Ⅱ⑴采區(qū)軌道上山一甩道的兩處巷道內(nèi)。

4.1.2 均壓防滅火效果分析

7311工作面實(shí)施均壓通風(fēng)以后，上隅角與7215廢舊放水巷墻外之間的壓能差由861.03 Pa減小到482.47 Pa；上、下隅角之間的壓能差由44.79 Pa減小到11.25 Pa＜20 Pa，減少了往采空區(qū)、老空區(qū)的漏風(fēng)量，達(dá)到了窒息惰化或抑制遺煤自然發(fā)火的良好效果。7311工作面均壓前后壓能變化圖如圖3。

圖3 7311工作面通風(fēng)系統(tǒng)壓能圖

4.2 CO2防滅火技術(shù)

4.2.1 CO2防滅火原理簡(jiǎn)述

采空區(qū)氧化自燃帶被CO2惰化時(shí)，注入該自燃帶的CO2由于其密度大于O2和N2，便占據(jù)自燃帶上方空間的下部，形成了CO2惰化帶，破壞了遺煤的氧化燃燒反應(yīng)所需的供氧條件，使煤的氧化燃燒反應(yīng)得以迅速停止。

4.2.2 CO2注氣量計(jì)算

7311工作面采用開放式注入方式，實(shí)施“邊采、邊注、邊防治采空區(qū)發(fā)火”的方法。據(jù)此，防滅火用CO2體積注入量，其計(jì)算過程如下：

（1）氧化自燃帶氣體置換總量為：

V=L1×L2×L3×K1×K2

式中：V為氧化自燃帶需要由CO2置換的體積總量，m3；L1為氧化自燃帶走向?qū)挾龋?3.1 m；L2為工作面傾斜長度，230 m；L3為工作面采高（采高加放頂煤高度），4.8 m；K1為氧化自燃帶氣體置換系數(shù)，取2.5；K2為由頂板巖石冒落松散引起的采空區(qū)空間體積縮小系數(shù)，取0.85。

相應(yīng)的，所需的液態(tài)CO2質(zhì)量（設(shè)CO2由液態(tài)換算成氣態(tài)的膨脹率為500 m3/t）為：m=V/500=390 t。

（2）氧化自燃帶氣體置換時(shí)間為：

式中：t為置換時(shí)間，h；V為由惰氣置換的體積總量，m3；QDm為初始注入量即裝備提供的最大注入量，礦備有2000 m3/h型CO2氣化裝備一臺(tái)。

（3）日常注入量為：

式中：QD為日常惰氣注入量，m3/h；Q漏為采空區(qū)氧化自燃帶漏風(fēng)量，16 m3/min；C1為采空區(qū)氧化自燃帶內(nèi)原始平均O2濃度，一般取15%；C2為氧化自燃帶惰化防火所需的O2濃度指標(biāo)，一般取10%；CD為惰氣純度，CO2純度取99%以上；K為CO2注入量備用系數(shù)，取1.2～1.5。

4.2.3 CO2防滅火效果分析

煤對(duì)CO2的吸附能力，是N2的6倍，進(jìn)而使煤被CO2包裹，并隔離O2，阻止采空區(qū)遺煤的氧化反應(yīng)，防滅火效果更為顯著。N2和CO2兩種惰氣的性質(zhì)及其阻燃、阻爆性能對(duì)比分析數(shù)據(jù)見表3。

表3 N2和CO2性質(zhì)及其阻燃、阻爆性能對(duì)比表

圖4 7311工作面壓注二氧化碳示意圖

4.3 凝膠泡沫防滅火技術(shù)

4.3.1 凝膠泡沫防滅火材料特性及技術(shù)參數(shù)

灌注凝膠泡沫防滅火材料具有含水率高、保水降溫性好、凝結(jié)黏附性強(qiáng)、封堵隔氧效果優(yōu)、易于擴(kuò)散等性能，同時(shí)含有多種離子和分子，能夠于煤體表面可提供電子的活性結(jié)構(gòu)發(fā)生化學(xué)吸附而形成絡(luò)合物，從而使煤表面活性結(jié)構(gòu)失去活性。普瑞特Ⅰ型凝膠泡沫防滅火材料技術(shù)參數(shù)見表4。

表4 普瑞特Ⅰ型凝膠泡沫技術(shù)參數(shù)表

4.3.2 凝膠泡沫防滅火技術(shù)方案

根據(jù)氣體檢測(cè)結(jié)果確定7311工作面下部切眼處80 m長度范圍的架后深部遺煤區(qū)為重點(diǎn)治理區(qū)域。技術(shù)方案：工作面措施性停采后，通過架間布置高位配合鉆孔通過注氮管路向重點(diǎn)滅火區(qū)域灌注凝膠泡沫防滅火材料。

高位配合鉆孔布置設(shè)計(jì)：在工作面下部50架液壓支架長度80 m范圍內(nèi)，每隔3臺(tái)支架在架間布置一組鉆孔，每組鉆孔由3個(gè)配合鉆孔組成，開孔位置一般控制架間前后立柱中間位置，終孔位置分別控制到架后15 m、20 m、30 m位置，煤層頂板之上2～3 m的高度范圍。

圖5 工作面架間鉆孔布置示意圖

4.3.3 凝膠泡沫防滅火效果分析

凝膠泡沫中的氣體采用氮?dú)?，注入在采空區(qū)的氮?dú)獗环庋b在泡沫之中，當(dāng)泡沫破滅后，氮?dú)獬涑庠诓煽諈^(qū)中，降低了采空區(qū)的氧氣濃度。因此，持續(xù)的注凝膠泡沫，能有效地將采空區(qū)氧氣濃度控制在5%以下，長時(shí)間地保持采空區(qū)的惰化狀態(tài)，使煤的自燃因缺氧而窒息，從而抑制煤體的自燃。普瑞特Ⅰ制備工藝流程如圖6。

圖6 普瑞特Ⅰ制備工藝流程圖

5 結(jié)論

在7311工作面開采過程中，通過劃分工作面采空區(qū)自燃“三帶”，采用均壓防滅火、CO2防滅火、凝膠泡沫防滅火等綜合防滅火技術(shù)，使采空區(qū)遺煤自燃得到快速治理，確保了工作面的安全回采。