石 勇

(中煤集團(tuán)山西華昱能源有限公司,山西 朔州 036000)

煤礦火災(zāi)按照著火熱源的不同可分為內(nèi)因火災(zāi)(亦稱自燃火災(zāi))和外因火災(zāi)[1-2]。井下工作面著火后,火源不容易被直接撲滅,為防止次生災(zāi)害發(fā)生,常采用將火區(qū)封閉的方法控制火災(zāi)影響范圍[3-5],并對(duì)密閉火區(qū)內(nèi)的氣體進(jìn)行分析,達(dá)到啟封要求后選擇合理的方法啟封[6-8]。

將梁寶寺煤礦3306皮帶順槽作為研究對(duì)象,結(jié)合其實(shí)際情況,對(duì)其進(jìn)行啟封研究,制定相應(yīng)的技術(shù)措施實(shí)施分段啟封,確保封閉火區(qū)的啟封能夠安全進(jìn)行,為礦井的安全生產(chǎn)提供重要支撐,為今后煤礦的獨(dú)頭巷道火區(qū)安全啟封提供科學(xué)依據(jù),同時(shí)為相似條件煤礦的火區(qū)啟封提供技術(shù)指導(dǎo)。

1 火區(qū)概況

圖1為3306皮帶順槽示意圖。由圖可知,3306皮帶順槽為只有一個(gè)出口的獨(dú)頭巷道,其設(shè)計(jì)走向長(zhǎng)度1 962.5 m,煤層總厚2.77～7.00 m,平均4.50 m。在距設(shè)計(jì)切眼以南約635 m位置處的煤層出現(xiàn)分岔;煤層結(jié)構(gòu)中等,煤層傾角為5°～11°,平均8°。煤層普氏硬度系數(shù)f=1.8。開采煤層為3上煤層,其頂?shù)装鍘r性如表1所示。

圖1 3306皮帶順槽示意圖Fig.1 3306 belt conveyor gateway diagram

表1 3上煤層頂?shù)装鍘r性Table 1 Lithology of roof and floor of 3-upper coal seam

據(jù)物探資料顯示,3306掘進(jìn)工作面煤巖層主要為向東北傾伏的褶曲構(gòu)造。工作面位于南宋莊背斜東翼,該面斷層發(fā)育共6條,其產(chǎn)狀參數(shù)如表2所示。

2019年11月19日,3306皮帶順槽DF38正斷層高冒區(qū)發(fā)生高分子材料著火事故。如圖2所示,著火區(qū)域距3306皮帶順槽約200 m,該處受過DF38正斷層(h=4.5 m,∠50°)影響,在斷層下盤形成了約長(zhǎng)×寬×高=4.0 m×3.5 m×3.0 m的高冒區(qū)?，F(xiàn)場(chǎng)距著火點(diǎn)80 m處測(cè)得火區(qū)溫度47℃,距著火點(diǎn)70 m處測(cè)得火區(qū)溫度78℃,瓦斯體積分?jǐn)?shù)為0.5%,一氧化碳(CO)體積分?jǐn)?shù)為0.11%。在3306皮帶順槽機(jī)頭門口以里3 m附近施工永久密閉。

圖2 3306皮帶順槽著火區(qū)域位置剖面圖Fig.2 Section view of the ignition area of the 3306 belt conveyor gateway

2 火區(qū)治理現(xiàn)狀分析

《煤礦安全規(guī)程》第二百七十九條規(guī)定,封閉的火區(qū),只有經(jīng)取樣化驗(yàn)證實(shí)火已熄滅后,方可啟封或注銷?；饏^(qū)同時(shí)具備下列條件時(shí),方可認(rèn)為火已熄滅:

1)火區(qū)內(nèi)的空氣溫度下降到30℃以下,或與火災(zāi)發(fā)生前該區(qū)的日?？諝鉁囟认嗤?

2)火區(qū)內(nèi)空氣中的O2體積分?jǐn)?shù)降到5.0%以下;

3)火區(qū)內(nèi)空氣中不含乙烯(C2H4)、乙炔(C2H2),且CO體積分?jǐn)?shù)在封閉期間內(nèi)逐漸下降,并穩(wěn)定在0.001%以下;

4)火區(qū)的出水溫度低于25℃,或與火災(zāi)發(fā)生前該區(qū)日常出水溫度相同;

5)上述4項(xiàng)指標(biāo)持續(xù)穩(wěn)定的時(shí)間在1個(gè)月以上。

3306皮帶順槽封閉火區(qū)啟封除需要符合《煤礦安全規(guī)程》中規(guī)定的啟封火區(qū)的5個(gè)條件外,為提高火區(qū)啟封的安全性,需要管控好啟封過程中的危險(xiǎn)因素,做到分步實(shí)施,實(shí)現(xiàn)對(duì)啟封區(qū)域的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),提高火區(qū)啟封的可靠性。

在3306皮帶順槽機(jī)頭往里3 m附近打永久密閉,施工期間密切監(jiān)測(cè)火區(qū)氣體和溫度的變化,密閉后利用原有壓風(fēng)管路向火區(qū)壓注氮?dú)鈁9-10]。施工3306皮帶順槽密閉墻,密閉墻使用水泥砌塊砌筑,墻厚0.9 m,寬6.0 m,高3.5 m,通過采取封閉措施,隔斷了空氣進(jìn)一步向火區(qū)的供給。

3306皮帶順槽永久密閉墻施工完成后,向封閉火區(qū)注氮?dú)?惰化火區(qū)。截止2020年9月16日已累計(jì)注氮15次,注入氮?dú)?12 948 m3(密閉巷道空間約22 604 m3)。

由3306皮帶順槽密閉注氮前后氣體含量分析圖(圖3)可看出,3306皮帶順槽密閉內(nèi)煤體吸附氣體達(dá)到飽和的區(qū)域在逐漸趨于穩(wěn)定。密閉內(nèi)溫度、瓦斯和CO體積分?jǐn)?shù)變化不大。其中,瓦斯在每次停注后呈現(xiàn)略微上升的趨勢(shì),經(jīng)過注氮后基本維持在3.0%左右。當(dāng)O2體積分?jǐn)?shù)降至2.0%時(shí),即使繼續(xù)持續(xù)注氮,O2體積分?jǐn)?shù)基本保持穩(wěn)定。由此分析可知,注氮阻隔了向封閉火區(qū)內(nèi)的漏風(fēng),惰化了火區(qū),對(duì)火區(qū)的發(fā)展起到了抑制作用。

(a) 注氮前

(b) 注氮后圖3 3306皮帶順槽密閉區(qū)注氮前后O2與瓦斯體積分?jǐn)?shù)對(duì)比圖Fig.3 Comparison of oxygen and gas volume fraction before and after nitrogen injection in confined area of 3306 belt conveyor gateway

3 3306皮帶順槽火區(qū)治理及分段啟封技術(shù)研究

3.1 密閉至第一積水區(qū)(367 m)啟封

3.1.1啟開密閉

1)將密閉破開一個(gè)0.2 m×0.2 m的通風(fēng)口,檢查局部通風(fēng)機(jī)及其開關(guān)地點(diǎn)附近10 m以內(nèi)風(fēng)流中甲烷(CH4)的體積分?jǐn)?shù),低于0.5%時(shí),電工開啟局部通風(fēng)機(jī)為單臺(tái)供風(fēng)。

2)逐步破開密閉,排出的瓦斯與全風(fēng)壓風(fēng)流混合處的CH4和CO2體積分?jǐn)?shù)均不得超過1.5%,O2體積分?jǐn)?shù)不低于18%,CO體積分?jǐn)?shù)不大于0.000 6%。當(dāng)CH4和CO2含量高于上述值時(shí),利用泄壓三通減少局部通風(fēng)機(jī)供風(fēng)量。

3.1.2啟封排瓦斯

1)密閉拆除完成后,延接導(dǎo)風(fēng)筒逐段排放瓦斯向第一段積水區(qū)延伸,及時(shí)檢查排出風(fēng)流的混合氣體,對(duì)氣體中CO、CH4和CO2等氣體體積分?jǐn)?shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)。

2)延接風(fēng)筒至第一段積水位置時(shí),即距離密閉位置370 m處,首先對(duì)積水區(qū)域的積水深度及溫度進(jìn)行探測(cè)。若該積水區(qū)域的積水深度不超過0.3 m時(shí),救護(hù)隊(duì)員繼續(xù)延接風(fēng)筒排瓦斯向積水結(jié)束點(diǎn)繼續(xù)深入,到達(dá)積水結(jié)束點(diǎn)后在該位置建立快速密閉板墻。若積水區(qū)域深度超過0.3 m,在積水點(diǎn)附近建立密閉墻,并布設(shè)排水管路,在密閉墻上預(yù)留監(jiān)測(cè)豎管,并布設(shè)氣體監(jiān)測(cè)傳感器對(duì)密閉墻內(nèi)外氣體進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)。

3)施工快速密閉板墻后,開始對(duì)第一段積水區(qū)進(jìn)行積水排放,在積水排放過程中人員撤離至安全地點(diǎn),遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)密閉區(qū)內(nèi)外氣體變化。

3.1.3第一積水區(qū)排水

第一積水區(qū)位于巷道S3—S6標(biāo)高控制點(diǎn)之間,受DF74(h=8 m,∠70°)和ZF3-26(h=7.0 m,∠70°)兩個(gè)正斷層影響,巷道存在頂板淋水現(xiàn)象。封閉時(shí)間內(nèi),預(yù)計(jì)積水影響平距長(zhǎng)度134 m,完全水封區(qū)長(zhǎng)約96 m,水面最高點(diǎn)標(biāo)高為-888.8 m,水面最低點(diǎn)標(biāo)高為-895.5 m,積水量預(yù)計(jì)1 800 m3。預(yù)計(jì)剖面圖如圖4所示。當(dāng)火區(qū)啟封至第一積水區(qū)時(shí),開始進(jìn)行排水作業(yè),以50 m3/h排水泵計(jì)算,預(yù)計(jì)完全排水用時(shí)約36 h。

圖4 預(yù)計(jì)第一積水區(qū)剖面圖Fig.4 Cross-sectional view of the estimated first water accumulation area

3.2 第一積水區(qū)至第二積水區(qū)(214 m)啟封

1)拆除密閉板墻后,延接風(fēng)筒逐段排放瓦斯向第二段積水區(qū)延伸,瓦檢員及時(shí)檢查排出風(fēng)流的混合氣體,對(duì)氣體中CO、CH4和CO2等氣體體積分?jǐn)?shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)。

2)到達(dá)第二段積水區(qū)后,對(duì)積水區(qū)域深度進(jìn)行探測(cè),并計(jì)算積水量,在積水點(diǎn)附近建立快速密閉板墻,并在積水區(qū)布設(shè)排水管路。在密閉墻上預(yù)留監(jiān)測(cè)豎管,并布設(shè)氣體監(jiān)測(cè)傳感器對(duì)密閉墻內(nèi)外氣體進(jìn)行遠(yuǎn)距離監(jiān)測(cè)。

3)完成快速密閉板墻建立后,開始對(duì)第二段積水區(qū)進(jìn)行積水排放,在積水排放過程中人員撤離至安全地點(diǎn),通過遠(yuǎn)程氣體監(jiān)測(cè)對(duì)密閉內(nèi)外氣體變化進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

4)第二段積水區(qū)排水位于巷道S10—S14標(biāo)高控制點(diǎn)之間,受F06-1(h=2.0 m,∠70°)和F06-2(h=1.5 m,∠70°)兩個(gè)正斷層影響,巷道存在頂板淋水現(xiàn)象。封閉時(shí)間內(nèi),預(yù)計(jì)積水影響平距長(zhǎng)度295 m,完全水封區(qū)長(zhǎng)約18 m,水面最高點(diǎn)標(biāo)高為-890.8 m,水面最低點(diǎn)標(biāo)高為-894.44 m,積水量預(yù)計(jì)2 800 m3。預(yù)計(jì)剖面圖如圖5所示。當(dāng)火區(qū)啟封至第二積水區(qū)時(shí),開始進(jìn)行排水作業(yè),以50 m3/h排水泵計(jì)算,預(yù)計(jì)完全排水用時(shí)約56 h。

圖5 預(yù)計(jì)第二積水區(qū)剖面圖Fig.5 Cross-sectional view of the estimated second water accumulation area

3.3 第二積水區(qū)至聯(lián)絡(luò)巷(245 m)啟封

1)第二段積水區(qū)排放完成后,瓦檢員需要對(duì)密閉板墻內(nèi)外氣體進(jìn)行檢測(cè)。

2)救護(hù)隊(duì)員開始對(duì)密閉板墻進(jìn)行拆除,密閉拆除完成后,延接導(dǎo)風(fēng)筒逐段排放瓦斯向3306皮軌聯(lián)絡(luò)巷延伸,瓦檢員及時(shí)檢查排出風(fēng)流的混合氣體,對(duì)氣體中CO、CH4和CO2等氣體體積分?jǐn)?shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)。

3)到達(dá)3306皮軌聯(lián)絡(luò)巷位置后,首先將原有的注氮管路和火區(qū)內(nèi)壓風(fēng)管路進(jìn)行連通,向火區(qū)注氮惰化,在三岔門以里機(jī)尾位置建立快速密閉板墻,并覆蓋風(fēng)筒布(確保板墻四周嚴(yán)密不漏風(fēng))。保留原有管路,在離底板高度為墻高的二分之三處留設(shè)監(jiān)測(cè)管,用于觀察密閉內(nèi)外壓差;在密閉板墻左上角距頂板0.3 m處留設(shè)Φ10 mm束管檢測(cè)孔,安設(shè)束管,檢測(cè)密閉內(nèi)的氣體和溫度;離底板高度0.3 m處,安裝Φ108 mm的U型放水管,并安裝閥門,用于觀測(cè)水溫、釋放積水;在距密閉頂部0.3 m安裝Φ108 mm的措施孔。

4)快速密閉板墻建成后,在其外部建立磚墻密閉,減少向密閉內(nèi)漏風(fēng)。在磚墻密閉上預(yù)留與密閉板墻相同的監(jiān)測(cè)孔和措施孔,并將密閉板墻的監(jiān)測(cè)管路和措施管路延長(zhǎng)至磚墻密閉外。

4 巷道防滅火及啟封效果分析

4.1 火區(qū)治理

3306皮帶順槽高冒著火區(qū)域(長(zhǎng)×高×寬=4.0 m×3.5 m×3.0 m)附近巷道因高分子材料熱解燃燒受熱,聯(lián)合支護(hù)強(qiáng)度減弱,應(yīng)力易失效,且高冒區(qū)處于DF38(h=4.5 m,∠50°)正斷層交界面區(qū)域,本身整體穩(wěn)定性較差,如圖6所示。

圖6 高冒著火區(qū)域剖面圖Fig.6 Cross-sectional view of fire zone in top-caving region

1)完成3306皮軌聯(lián)絡(luò)巷位置密閉后,對(duì)3306皮軌聯(lián)絡(luò)巷恢復(fù)通風(fēng),對(duì)頂板和巷道進(jìn)行加固,并恢復(fù)水電等。

2)在完成3306皮軌聯(lián)絡(luò)巷的恢復(fù)工作后,開始從3306皮軌聯(lián)絡(luò)巷向火點(diǎn)位置進(jìn)行打鉆探測(cè)和火區(qū)處理,采用礦用鉆機(jī)向高冒區(qū)附近打5個(gè)直徑75 mm的鉆孔,鉆孔終孔位置在高冒區(qū)兩側(cè)貼近煤層頂板處,在鉆孔內(nèi)下套管,鉆孔接近高冒區(qū)3 m范圍內(nèi)下花管套管,鉆孔布置如圖7所示。

圖7 滅火與監(jiān)測(cè)鉆孔布置圖Fig.7 Layout of fire fighting and monitoring boreholes

3)從3306皮軌聯(lián)絡(luò)巷向冒落區(qū)打鉆時(shí),各鉆孔的落點(diǎn)在以高冒區(qū)為中心的左右各10 m范圍內(nèi),各鉆孔落點(diǎn)之間相距5 m。3#鉆孔的落點(diǎn)在高冒區(qū)中心頂部位置,2#和4#鉆孔落點(diǎn)分別在3#鉆孔左右兩側(cè)各相距5 m的位置,1#和5#鉆孔落點(diǎn)分別距離2#和4#鉆孔左右兩側(cè)各相距5 m位置,各鉆孔的長(zhǎng)度和鉆孔角度如圖8所示。

圖8 各鉆孔長(zhǎng)度及角度Fig.8 Length and angle of boreholes

4)完成鉆孔打鉆后,首先通過鉆孔對(duì)火點(diǎn)位置進(jìn)行氣體和溫度檢測(cè),分析密閉區(qū)域內(nèi)火點(diǎn)情況。完成火區(qū)情況分析后,通過四路鉆孔向火點(diǎn)附近灌注凝膠和高分子膠體對(duì)火區(qū)進(jìn)行降溫和滅火處置。

5)完成火區(qū)處置后,通過鉆孔和密閉墻布設(shè)的監(jiān)測(cè)束管對(duì)密閉區(qū)域內(nèi)和火點(diǎn)附近的氣體含量和空氣溫度進(jìn)行檢測(cè)分析,判斷火區(qū)是否達(dá)到啟封條件。

如圖9所示,通過對(duì)各個(gè)鉆孔的氣體含量和溫度進(jìn)行檢測(cè)發(fā)現(xiàn),火點(diǎn)附近氣體中不含有C2H4、C2H2,且CO的體積分?jǐn)?shù)也較低,均在0.001%以下,各測(cè)點(diǎn)的溫度與火災(zāi)發(fā)生前該區(qū)域的日常空氣溫度相同,且低于30℃,密閉區(qū)域內(nèi)火點(diǎn)情況已達(dá)到啟封條件,可以進(jìn)行啟封。

圖9 各鉆孔氣體體積分?jǐn)?shù)檢測(cè)Fig.9 Detection of gas volume fraction of boreholes

4.2 啟封效果分析

3306皮帶順槽高冒著火區(qū)域開展啟封技術(shù)后的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)如圖10所示。通過監(jiān)測(cè)氣體的體積分?jǐn)?shù)變化可知,啟封期間,各種氣體組分變化較小,火區(qū)內(nèi)空氣中的O2體積分?jǐn)?shù)降到5.0%以下,火區(qū)內(nèi)空氣中CO體積分?jǐn)?shù)在封閉期間內(nèi)逐漸下降,并穩(wěn)定在0.001%以下,且不含C2H4和C2H2。

火區(qū)內(nèi)的空氣溫度均下降到30℃以下,火區(qū)的狀態(tài)基本穩(wěn)定。該結(jié)果表明啟封方案和采取的技術(shù)手段是科學(xué)有效的,啟封方案的實(shí)施沒有對(duì)封閉火區(qū)產(chǎn)生不良影響,啟封取得了圓滿成功。

5 結(jié)論

1)提出了適用于梁寶寺煤礦3306皮帶順槽火區(qū)的分段啟封技術(shù)方案,按照第一積水區(qū)、第二積水區(qū)、聯(lián)絡(luò)巷的順序進(jìn)行分段啟封及排水。

2)總結(jié)了3306皮帶順槽高冒區(qū)火區(qū)的治理方法、啟封條件及方法、啟封效果。通過實(shí)施過程中記錄的氣體體積分?jǐn)?shù)發(fā)現(xiàn),啟封期間火區(qū)內(nèi)氣體組分變化很小,且啟封后無復(fù)燃的可能性,該啟封方案是合理且科學(xué)有效的。

3)根據(jù)梁寶寺煤礦千米獨(dú)頭巷道的特點(diǎn),制定了逐段分步啟封的方案,是一套切實(shí)有效的火區(qū)啟封技術(shù)措施。該方案在關(guān)鍵環(huán)節(jié)上行動(dòng)迅速,短時(shí)間內(nèi)即可進(jìn)入火區(qū)偵查到實(shí)際情況,不僅為防滅火工作提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)和參考案例,也為類似千米獨(dú)頭巷火區(qū)的防治提供了技術(shù)支持。