鑫順煤業(yè)高瓦斯礦井回采工作面
采空區(qū)注氮滅火技術(shù)的應用
白翠花1
（山西省煤炭工業(yè)廳資源地質(zhì)局，山西太原，030045）
摘要：介紹了鑫順煤業(yè)150109回采工作面采空區(qū)，運用氮氣成功治理了一起高瓦斯礦井中由于煤層自燃引起的火災的實例，對今后高瓦斯礦井中各類火災的防治和防止災害擴大積累了一點經(jīng)驗。
關(guān)健詞： 瓦斯、火災、氮氣、治理
1 概況
山西煤炭進出口集團左權(quán)鑫順煤業(yè)有限公司為我省煤炭企業(yè)兼并重組后的保留礦井，由原山西左權(quán)鑫順煤業(yè)有限公司和原山西左權(quán)突提煤業(yè)有限公司兼并重組而成。生產(chǎn)能力1800kt/a，批采4、15號煤層。原突提煤業(yè)開采4號煤層時批復等級為高瓦斯礦井。據(jù)2010年9月28日晉煤瓦發(fā)[2010]1119號文件的批復，現(xiàn)鑫順煤業(yè)在開采4、15號煤層時，礦井最大相對瓦斯涌出量為66.31 m3/t，最大絕對瓦斯涌出量為251.17 m3/min，預測結(jié)論為高瓦斯礦井。且井田內(nèi)開采的4、 15號煤層均有爆炸危險性，均屬不易自燃煤層。
2 內(nèi)因火災的引發(fā)原因
2010年1月28日礦井總回風大巷CO有升高的趨勢，報警濃度的最大值60ppm，持續(xù)3小時。經(jīng)下井檢查，為150109回采工作面回風順槽閉墻前和瓦斯尾巷密閉前CO涌出。1月29日上午在瓦斯抽放管路內(nèi)和150109工作面尾巷閉墻前采兩個氣樣，經(jīng)檢測，煤層燃燒的標志性氣體CO、C2H4、C2H6濃度很高，分析結(jié)果為150109回采工作面采空區(qū)著火。分析原因為：鑫順煤業(yè)15號煤層150109工作面采空區(qū)火源來自上距15號煤層間距13m左右的14號煤層，因15號煤層采空后頂板巖層塌陷后形成裂隙、通道，左權(quán)地區(qū)的14號煤層硫和磷的含量較高，極易自燃。在有裂隙、通道的情況下，14號煤層先著火，后坍塌至15號煤層采空區(qū)，給15號煤層的浮煤提供了著火火源。是一場內(nèi)因火災。
3 應用惰性氣體滅火方案的提出
經(jīng)研究分析，制定了兩個方案：一直接滅火。二采用成熟的、經(jīng)濟的惰性氣體滅火。通過現(xiàn)場狀況分析，此時現(xiàn)場不具備直接滅火條件。既有瓦斯又有火，可謂瓦斯與火并存，如果打開密閉直接滅火，會增加采空區(qū)的氧氣濃度，增大火勢，同時可能引發(fā)瓦斯爆炸，且有害氣體通過沿途都無法進行其它工作。顯然直接滅火行不通，不但不能滅火，且可能是災情進一步擴大，殃及礦井安全?？刂苹馂氖鹿蕯U大、防止瓦斯事故發(fā)生已是當務之急、迫在眉睫。由于這是首次出現(xiàn)在本礦高瓦斯礦井回采工作面采空區(qū)內(nèi)的火災事故，以往也無經(jīng)驗借鑒，綜合分析著火原因，決定采取第二方案。先撤出井下影響區(qū)域內(nèi)的所有人員，由救護隊下井偵查險情。關(guān)閉150107工作面回風順槽的臨近層抽放鉆孔，減少150109工作面采空區(qū)的供氧量。在救護隊的監(jiān)護下，使用高分子快速封堵材料對與150109工作面采空區(qū)相通的各道閉墻進行進一步封堵，以減少漏風量。并做到正常供風以防瓦斯局部積聚。然后采用惰性氣體滅火。
4 方案的確定
惰性氣體滅火常用的有CO2和N2兩種： CO2的密度相當于空氣的1.52，對仰斜開采工作面的采空區(qū)和傾斜巷道的下部較好，對水平和上行巷道的效果較差，且易溶于水和吸附在煤體上，損失量比較大，生產(chǎn)成本高，應用工藝復雜。而150109工作面采空區(qū)正是水平分布，不適宜采用。而N2的密度與空氣相近，易于和空氣混合，具有減少漏風的作用、降溫的作用、防止煤的自燃發(fā)熱和自燃的作用、降低燃燒強度的作用，能迅速遏制火災，注氮氣滅火過程中不損壞井巷和設(shè)備，使災后恢復工作簡單，恢復工期短，且生產(chǎn)成本低（原料為大氣中的氮氣資源，氮氣成本0.4元/m3左右），操作簡單。氮氣滅火需要的條件是封閉的環(huán)境，有氮氣輸送的管路，每小時5m3的水，目前工作面的實際情況滿足以上條件。因此最終決定采取注氮滅火的方案。
5 氮氣防滅火作用原理
注氮防滅火的實質(zhì)是向采空區(qū)氧化帶內(nèi)或火區(qū)內(nèi)注入一定流量的氮氣，使其氧含量降到10%或3%以下，達到防火、滅火和抑制瓦斯爆炸的目的，其作用有：
1） 消除瓦斯爆炸的危險。在煤礦當采空區(qū)一旦出現(xiàn)火災，危害最大的是導致其內(nèi)混合氣體的爆炸。由混合氣體爆炸三角形知，混合氣體中氧含量低于12%時就有減小爆炸的可能性。但是，混合氣體爆炸的界限不僅取決于這種氣體在空氣中所占的百分比，還部份地決定于混合氣體的溫度和氣壓。溫度和氣壓的增高使這個界限擴大，反之縮小。如果混合氣體被加熱到300℃，氧含量為9%時就能發(fā)生爆炸。國內(nèi)的研究表明，將氧氣的臨界含量控制在5%以下時幾乎能防止任何爆炸，否則爆炸還有可能發(fā)生。而氧氣的含量低于10%時混合氣體的爆炸有顯著的降低。正是從這一理論出發(fā)，向火區(qū)注入氮氣后使其氧含量降低，而且只要氧含量低于10%時就能大大地減少爆炸的可能性。2） 減少漏風的作用。采空區(qū)漏風是造成自然發(fā)火的主要原因之一。對于封閉或半封閉的采空區(qū)而言，從理論上講，注入氮氣后增加了其注入空間內(nèi)混合氣體的總量，能夠減少封閉區(qū)內(nèi)外之間的壓力差，從而起到減少封閉區(qū)外部向內(nèi)部漏風的作用。如果巷道里的密閉墻有裂縫或密閉強有裂縫，當密閉區(qū)內(nèi)為負壓時，空氣可以通過墻縫或繞過密閉墻而進入密閉區(qū)。為了防止密閉漏風，可向密閉前后墻之間的空間連續(xù)不斷地注入必要流量的氮氣，使該空間形成正壓，阻止新鮮空氣進入密閉區(qū)內(nèi)。3）降溫作用。對于有內(nèi)因火災的采空區(qū)來說，其溫度大于外界溫度。當采用氮氣滅火時，無論是采用液氮，還是氮氣，其氮氣的溫度均低于火區(qū)的氣體溫度，加之氮氣在注入火區(qū)后的流動范圍大，對采空區(qū)來說都有顯的降溫作用。4） 防止煤的自燃發(fā)熱和自燃。煤炭自燃的三要素是：煤有自燃傾向性；有連續(xù)的供氧條件；熱量易于積聚。煤礦生產(chǎn)工作面采空區(qū)氧化帶內(nèi)的漏入風量不足以帶走煤氧化產(chǎn)生的熱量，則煤溫就逐漸升高，這時煤處于自燃發(fā)熱。當溫度達到煤的臨界溫度以上，氧化急聚加快，大量產(chǎn)生熱量，又使煤溫迅速升高，達到煤的著火溫度時便著火燃燒起來，即進入自燃狀態(tài)。基于此煤氧復合學說，采取向工作面采空區(qū)氧化帶內(nèi)注入一定流量的氮氣，降低該帶內(nèi)的氧氣含量，達到破壞煤炭自燃的一個要素，使其氧含量降到煤自燃臨界值以下，就達到了防止煤自燃的目的。5） 降低燃燒強度。無論是外因火災，還是內(nèi)因火災，當火災已經(jīng)發(fā)生，向火區(qū)內(nèi)注入一定流量（大于漏風量）的氮氣，使該區(qū)內(nèi)的氧含量由21%逐漸降低到10%以下，熊熊大火就逐漸處于自熄。
6 方案的實施及效果
根據(jù)現(xiàn)場條件，決定采用煤炭科學研究總院重慶分院與溫州瑞氣空分設(shè)備有限公司合作共同研制開發(fā)的礦用地面移動式制氮設(shè)備（氮氣純度為98%，產(chǎn)氣量為200—800m3/h）進行注氮滅火。經(jīng)過幾天的不連續(xù)操作，累計注入高濃度氮氣約20萬m3。
在注氮前后的過程中，進行了氣樣采樣檢測、CO傳感器監(jiān)測，經(jīng)過資料分析對比，火情已被控制，達到了滅火的目的。
150109工作面走向長度237m，采長為83m，采高6m。6號鉆場在150109的停采線附近，而停采線附近的浮煤堆積量比較多，加之150107回風順槽閉墻和瓦斯尾巷閉墻封閉不嚴，6號鉆場停泵后對150109形成負壓，增加對停采線附近采空區(qū)的供氧量，有14號煤層的火源，有連續(xù)的供氧，就給150109的采空區(qū)浮煤提供了燃燒的條件。本次累計注入高濃度氮氣20萬m3，原因為沒有合理布置氮氣釋放口，只有將氮氣注入采空區(qū)的氧化帶內(nèi)，才能有效抑制氧化帶煤炭的氧化自燃。另由于封閉條件不好，因此實際注入的氮氣比預計多得多。
7 要從火災事故分析原因，采取有效措施進行防治。
首先要調(diào)查了解火災事故引發(fā)的原因，進一步分析與火災的關(guān)系，然后提出行之有效的措施。煤在供氧量較足的情況下容易自燃，著火后要控制自燃環(huán)境，不要引發(fā)進一步的瓦斯燃燒或爆炸，最終達到慢慢自然滅火。
因此在井下采空后，一閉墻的施工質(zhì)量要提高。二閉墻上要留設(shè)觀測孔，以隨時對采空區(qū)氣樣進行化驗和分析。三對于松軟和節(jié)理、裂隙比較發(fā)育的圍巖，在設(shè)計臨近瓦斯抽放鉆孔時應進一步優(yōu)化。四對類似此地質(zhì)條件的礦井（主指鄰近煤層間距近、巖層比較松軟、瓦斯高、煤層容易自燃），在開采完畢之后，應采取有效措施，考慮填充采空區(qū)。從根本上杜絕此類事故的發(fā)生。
8 結(jié)束語
由于決策果斷、采取措施得力有效，使工作面的這次火災事故得到有效控制，挽回直接經(jīng)濟損失300 萬元。也為今后山西高瓦斯礦井、重點瓦斯工作面的管理和內(nèi)因火災的防治，積累了一點成功經(jīng)驗。
參考文獻：
1．張國樞.通風安全學[M].徐州.中國礦業(yè)大學出版社.2004.
2．王省身，張國樞.中國煤炭防治技術(shù)發(fā)展與展望[J].火災科學，1994,3(2).
3. 王省身，張國樞.礦井火災防治[M]. 徐州.中國礦業(yè)大學出版社.1990，20~27.
