| 标题 | 复杂条件下火区综合治理技术研究与应用 |
| 范文 | 朱海峰 摘要：矿井火灾为煤矿五大灾害之一，一旦发生往往造成巨大的经济损失和人员伤亡，尤其矿井煤炭自燃发火且具有隐蔽性强、治理难度大的特性。因此，要消除和提前防范矿井煤炭自燃发火，就需要了解矿井煤炭自燃发火发生的各种原因，通过矿井煤炭自燃防治技术的研究，强化并普及推广先进的防灭火技术，有效预防矿井自燃火灾事故的发生。本文结合某矿一掘进工作面自燃发火的实际情况，对煤矿井下易自燃发火因素进行综合性分析，运用多种灭火技术相结合的方法，封闭隔绝、均压调整、火区降温、缩封技术、隔断充填等多种措施分阶段治理火灾，效果显著，为矿井火灾防治工作提供了切实可行的实践经验。 Abstract： Mine fire is one of the five major disasters in coal mines. Once it occurs， it often results in huge economic losses and casualties. In particular， coal mine coal spontaneously ignites and it has a strong concealment and is difficult to manage. Therefore， to eliminate and prevent spontaneous combustion of mine coal spontaneously， it is necessary to understand the various causes of spontaneous combustion of mine coal. Through the research on coal mine spontaneous combustion control technology， we have strengthened and popularized advanced fire prevention and extinguishing technologies to effectively prevent mine spontaneous combustion accidents. This paper combines the actual situation of spontaneous combustion of a mine face in a tunneling process， comprehensively analyzes the factors of coal mine spontaneous combustion ignition. A combination of several fire-fighting techniques， such as closed isolation， pressure equalization adjustment， fire zone cooling， shrink sealing technology and partition filling， are used to control fires in stages， which has a significant effect and provides practical experience for mine fire prevention and control work. 关键词：复杂条件；火区；综合治理 Key words： complex conditions； fire zone； comprehensive management 中图分类号：TD75+2 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2018）21-0238-04 1 我国煤矿矿井火灾防治现状及防治技术 矿井火灾是煤矿重大灾害之一，矿井火灾分为两种，即内因火灾和外因火灾。其中外因火灾通过强化管理措施可以减免；而内因火灾隐蔽性相对比较强，管理难度较大。据统计，我国煤矿有56%的煤矿存在自燃发火问题，而采空区自燃发火又占内因火灾的60%。采空区发生火灾危害大，经济损失严重，常造成发火工作面封闭、从而冻结煤炭资源和生产设备。为了加强煤矿防灭火安全技术，我国从50年代起先后研究并推广实施了黄泥灌浆防火技术、阻化剂防灭火、均压通风、高倍数泡沫灭火、凝胶充填窒息等防灭火技术。80年代至90年代则研究了矿井自燃发火预测系统、惰气防灭火、快速高效堵漏风等技术，并逐步形成适应普通采煤法和高产高效采煤法的综合防灭火技术。由于煤矿井下火灾治理困难，治理周期长，特别是在纵横交错的采空区发生火灾，涉及范围广、漏风通道多，治理难度更大，还有一批亟待解决的技术问题。因此，我国矿井火灾防治工作仍然是矿井安全生产所面临的一项艰巨任务。 2 事故案例概况 平顶山天安煤业某矿己15-17-17062回风巷于2011年1月25日发生一起自燃发火事故。己15-17-17062回风巷已施工737m，己15-17-17062进风巷已施工720m （见图1）。 2.1 通风系统概况 该矿有两个风井服务矿井的两个采区，其中北山风井服务与三水平；中央風井服务于己七采区。己七采区一期一号片盘包括己15-17-17062进、回风巷两个掘进工作面和己15-17-17042采煤工作面。其中己15-17-17062进、回风巷掘进工作面均为2×30kW局扇供风，己15-17-17042采煤工作面总回风量为943m3/min，己15-17-17062进、回风巷掘进面及风门漏风合计回风量为1273m3/min，己七一期一号片盘专用回风巷回风量2482m3/min。 2.2 工作面煤层分部情况 己15-17-17062回风巷布置于己七采区一期己15-17煤层，该掘进工作面里段为己15-17煤层合层（上分层已回采），外段为己16-17煤层，己15-17-17062回风巷掘进工作面位于己七采区一水平，己15-17-17062回风巷沿己16-17煤层顶板掘进。 3 火区综合治理技术方案 矿井火灾治理方案常规分三步走：①隔绝漏风通道，切断氧气供给；②注入惰性氣体，降低封闭区域氧气浓度；③灌注灭火材料，消耗火区热能。该矿己15-17-17062发生自燃发火事故之后，矿积极组织相关部门先后实施：注氮→堵漏采空区密闭缝隙→调系统均压→注高分子灭火剂→注液态CO2降低火区温度→灌注黄泥浆→壁后注浆→注碳酸氢钠凝胶充填火区空间等各项治理措施，抑制火势恶化，控制火区发展。 3.1 己15-17-17062火区综合治理技术前期技术措施 3.1.1 注氮、喷浆堵漏技术方案的实施 己15-17-17062自燃发火事故发生以后，首先在己15-17-17062斜回风巷口向里15米处施工一道密闭，封闭火区，避免火区范围的进一步扩大和蔓延。利用制氮机分别通过己15-17-17062斜回风巷与己15-17-17060煤柱回风巷密闭注浆管对火区内部注氮，降低火区封闭空间内的氧气含量，使火区内瓦斯等可燃性气体失去爆炸性。与己15-17-17062相沟通的己15-17-17060采空区漏风通道复杂，要想注氮达到最佳治理效果，必须先进行喷浆堵漏风，增强火区封闭效果，增加氮气在火区内部的滞留时间，通过喷浆堵漏与注氮降氧措施的实施，火区内部氧气含量得到明显下降，同时CO浓度也得到了一定的控制和下降，给下一步的治理工作提供了安全保障。 3.1.2 均压灭火技术方案的实施 在注氮治理的同时，为了减少向密闭内漏风，必须优化调整矿井通风系统，通过构筑通风设施均压的方式进行治理。要降低己15-17-17060进风巷密闭内外压差，就必须进行均压。己15-17-17060回风巷密闭、己15-17-17061进风巷密闭和己15-17-17061回风巷密闭位出己15-17-17042回风巷里，为了降低这三道密闭内外压差，通过研究确定在己15-17-17042进风巷一部皮带施工一组临时调节风门，控制己15-17-17042采面风量，在可以满足己15-17-17042采面供风要求情况下，控制进风巷风量，起到了均压灭火的作用。 3.1.3 注高分子灭火剂技术方案的实施 该矿在己15-17-17062火区事故发生以后，经过前期的注氮喷浆等防灭火措施后，根据矿实际测量数据，提出第二阶段相应治理措施。首先设计在己15-17-17042回风巷向己15-17-17060煤柱采空区的预测高温区域施工10个φ50mm注胶钻孔和向己15-17-17062回风巷掘进工作面施工1个观察孔，然后通过注胶钻孔向己15-17-17060煤柱采空区推测高温区域灌注高分子材料灭火剂，利用观察孔实时监控己15-17-17062回风巷封闭区域的各种标志性气体指标，了解治理效果。高分子灭火剂是一种新型防灭火材料，通过1%-3%的动态比例调节，与水混合后形成粘稠状软固体覆盖充填区域物体表面，以达到隔绝氧气降低高温区域温度、吸收热能的治理效果。 治理初期，以己15-17060煤柱回风巷采空区封闭区域内的气体色谱检测数据为治理效果分析依据。己15-17060煤柱回风巷密闭内CO气体浓度一周后由10135ppm降至3685ppm；停止注胶，己15-17060煤柱回风巷密闭内CO气体浓度由2474ppm升至7989ppm；继续注胶后CO气体浓度由8829ppm降至2124ppm。之后再继续注胶标志性气体未降反升，且17060观测孔内CO气体浓度也未有下降趋势。随后研究调整钻孔设计，共设计17个钻孔，经过后期治理，己15-17-17060煤柱面回风巷密闭和己15-17-17062回风巷观察孔内CO浓度变化呈反复升高、降低状态，整体变化曲线由高到低，再由低到高，浓度较低时为2000-3000ppm，浓度高时约为6000ppm。经过推测分析：由于钻孔深度为40-50米，由于第个钻孔的实际终孔位置与设计终孔位置在钻孔施工时存在误差，造成高分子灭火剂不能准确的注入到火区高温点内部，加之己15-17-17060采空区漏风通道复杂，导致火区高温点反复的缩小、扩大，以出现己15-17-17060煤柱面回风巷密闭和己15-17-17062回风巷观察孔内CO浓度变化呈反复升高、降低状态。 3.2 己15-17-17062火区综合治理技术中期技术措施 3.2.1 注液态CO2技术方案的实施 经过第一阶段的治理研究分析，火区内部主要由于高温热能的顽固性使得不能彻底熄灭火源，只有消耗火区内部高温能量，使温度降下来，才能更好地控制与治理火区。液态CO2温度在零下40度以下，在注入到火源高温点之后可以大量削弱火区内部高温势能，同时提高火源内部CO2浓度，也气到降氧作用，在减少火区内部供氧和降温之后，可以控制和抑制火势区域蔓延。 经过注入液态CO2治理，已15-17-17062斜回风巷密闭内浓度逐步降低，由最高时的6548ppm下降至1300-1800ppm；已15-17-17060煤柱面回风巷密闭和已15-17-17062回风巷观察孔内CO浓度由6000ppm下降至1800-2000ppm，呈稳步下降趋势。 3.2.2 火区缩封治理技术方案的研究与实施 已经封闭的火区，只有经证实火已熄灭并稳定后，方可启开封闭墙。而火区的熄灭根据《规程》规定必须同时具备5个基本条件时，才能认为火已熄灭。 经过该矿与专家共同研究决定，己15-17-17062已经具备缩封条件，应当在目前火区形势稳定的状态下立即对其进行缩封治理工作。本次成功缩封为下一步治理工作提供了最直接、便利的条件，下一步将继续向火区高温点灌注氮气、液态CO2；加强己15-17-17042各个密闭压差、温度、进出风情况和各种有害气体浓度的检查；有效控制己15-17-17062回风巷临时风门2内外压差，采取均压灭火治理措施；加快己15-17-17160工作面的推进速度并根据瓦斯配置风量，同时放慢己15-17-17042工作面推进速度，在己15-17-17062回风巷做钻场进一步向火区高温点注黄泥浆等有效防灭火措施。 3.2.3 注碳酸氢钠技术方案的研究与实施 经过对己15-17-17062进风巷与己15-17-17060煤柱進、回风巷交叉点周边巷道实施壁后注浆之后，彻底切断了己15-17-17060采空区与己15-17-17062进风巷的漏风通道，同时切断与己1617-17140进、回风巷之间的漏风通道，使火区内部达到了一个比较理想的封闭空间，从气样束管分析结果来看，各项气体指标也达到了一个相对稳定的阶段。 经研讨决定，在己15-17-17062回风巷430米处密闭向外10米位置，面向迎头右帮设计钻场，在钻场内向己15-17-17060煤柱面回风巷高温点施工注浆钻孔，然后注入碳酸氢钠与多亚甲基多苯基异氰酸酯的混合溶液，碳酸氢钠与多亚甲基多苯基异氰酸酯的水溶液按照一定配比混合之后可以形成一种含水量极高的胶状体，包裹高温区域煤体表面，隔绝氧气，起来与高分子灭火剂同样的治理效果，同时成本又比高分子灭火剂降低了近6倍。之所以选择在己15-17-17062回风巷做钻场，主要考虑到远距离施工钻孔误差较大，很难把掘钻孔的终孔位置，而通过钻场近距离施工钻孔可以更准确的定位钻孔终孔终孔位置，加强治理效果。通过注入碳酸氢钠凝胶材料，使胶体包裹预测高温区域，吸收火区高温能量，控制其高温源扩散。 3.3 己15-17-17062火区综合治理技术后期技术措施 3.3.1 隔断充填技术方案的研究与实施 在经过前期一系列治理措施之后，火区范围得到逐步缩小和控制，各个相关密闭取样点气体分析数据显示，高温区域内氧气浓度一度被控制在3%以下，CO浓度控制在100ppm以下。但距安全启封，并对己15-17-17062回风巷与己15-17-17060停采线110m交叉重叠段进行开放性喷浆堵漏工作条件还有一定差距，己15-17-17060采空区依然存在高温煤体热源。由于110m巷道喷浆堵漏工程量大，巷道状况与矿井管路供风情况不允许过多人员和设备参与喷浆施工，在短时间内很难完成此段巷道喷浆封堵工作。若启封长时间、供氧充足更容易导致火区内部高温区域死灰复燃，造成事故扩大。在经过矿领导与各技术部门骨干多次研讨，最后某矿技术组织人员井上实验，井下实践，最终以“隔断充填”治理技术彻底熄灭火源，消除了某矿自燃发火隐患，恢复安全生产。 3.3.2 隔断充填技术的实施方法 隔断充填技术主要应用于未实现全风压通风或封闭废弃独头巷道内的自燃发火，利用隔断充填灭火技术需要具备一个必备条件：发火地点（巷道）要具有邻近可用措施巷道，以便通过措施巷向发火地点（巷道）灌注充填材料，起到全断面充填巷道灭火目的。充填材料要具有阻燃性、凝固性、凝固时间可控性。此种防灭火技术具有投入费用低、治理效果稳定、危险系数低的优势。隔断充填技术是利用发火巷道邻近的措施巷向着火点或高温区域外边界处顶部施工钻孔（钻孔终孔位置一般是高温点巷道顶板处，打孔后埋管，也可以使用中空钻杆），再通过钻孔向巷道内灌注碳酸氢铵与多亚甲基多苯基异氰酸酯的混合水溶液，两种溶液的混合凝固时间要根据钻孔深度、溶液流速、钻孔孔径等参数进行合理调整配比，两种溶液流出钻孔管口凝固时间要控制到2秒左右，这样既可以瞬间凝固、堆积，形成固体隔断墙，又不至于在管道内凝固，堵塞钻孔管道，使着火区域（段）形成密闭空间。然后再通过措施巷在密闭空间中间段施工钻孔，灌注碳酸氢铵与多亚甲基多苯基异氰酸酯的混合溶液，两种溶液流出钻孔管口凝固时间根据封闭段长度控制在60-180秒以之间，使溶液可以有充分时间均匀平铺并全断面凝固充填巷道并垒积起来，经过一个时间段的隔绝稳定（一到两周），由于凝胶会脱水收缩，所以在稳定期间，要对所有钻孔进行补注，直到彻底充满，从而隔绝氧气与高温热源接触，消除隐患。 3.3.3 具体操作实施步骤 首先通过与其相邻的己15-17-17042回风巷向己15-17-17062回风巷预测高温火区段首、末点顶板位置（依据前期治理情况综合分析预测火区高温段）各施工2个治理钻孔，在己15-17-17042回风巷依次对2个孔远距离灌注碳酸氢铵与多亚甲基多苯基异氰酸酯的混合水溶液，依据实验配比浓度和钻孔深度、溶液流速、钻孔孔径等参数进行配比，利用注浆钻孔内套管的方法使溶液在钻孔出口处混合，混合时间控制在2秒左右，使溶液可以短时间内混合凝固，进而堆积成“密闭墙”，彻底隔断火区高温段，使己15-17-17062回风巷高温区段形成一个封闭空间。然后在己15-17-17042回风巷向己15-17-17062回风巷钻孔向里3米位置再施工一个治理钻孔，向钻孔再次灌注碳酸氢铵与多亚甲基多苯基异氰酸酯的混合溶液（凝固时间为150秒左右）。待灌注完毕、充填材料稳定并补注之后，启封己15-17-17062回风巷，一边对充填材料进行清挖、一边对巷道喷浆堵漏的方法解放己15-17-17062回风巷。己15-17-17062回风巷解放出来以后再对己15-17-17060采空区局部高温点进行近距离彻底治理，短时间内消除火灾隐患。（需要注意的是，由于碳酸氢铵有刺激性气味，太高浓度会损伤人体呼吸道，所以要采取适当防护措施） 4 结论 以上是结合某矿在生产过程中分阶段、分步骤有序消除复杂条件下火区危害的具体实例，因为效果显著，为矿井防灭火工作积累了宝贵的现场经验，对矿井火灾的防治工作做出了有益的探索，总结整个灭火过程，希望能为煤矿企业防灭火提供借鉴。 参考文献： [1]王省身.矿井灾害防治理论与技术[M].中国矿业大学出版社，1986. [2]余明高.矿井火灾防治[M].北京：国防工业出版社，2013. [3]安泉.矿井火灾防治[J].煤矿安全，1998（4）：8-11. [4]秦波涛，王德明.矿井防灭火技术现状及研究进展[J].中国安全科学学报，2007. |
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