蔡振禹，梁小龙

（1.河北工程大学，河北邯郸　056038；2.邢台学院，河北邢台　054001）



井下封闭火区火灾防治研究

蔡振禹1，2，梁小龙1

（1.河北工程大学，河北邯郸056038；2.邢台学院，河北邢台054001）

摘要：高瓦斯矿井煤层自燃火灾往往与瓦斯灾害之间有着必然的关联，矿井防灭火过程中需统筹兼顾，综合治理。结合实际高瓦斯突出矿井封闭火区项目实施，阐述了惰性气体防灭火的原理，分析了具体封闭火区注氮治理技术与管理措施；项目实施一阶段后各种气体与温度指标能够保持持续的稳定，达到了火区启封的条件，为矿井安全生产提供了有力保障。

关键词：高瓦斯突出矿井；封闭火区；火区治理；注氮

近年来，随着煤矿开采深度的不断增加，煤矿灾害发生频率亦逐渐增加。尤其是矿井火灾情况，虽采用先进设备与技术使其危险性得到较大程度的控制，但其潜藏的威胁对矿井的安全生产造成巨大的影响，须采取有效措施从根本上解决危险源。高瓦斯矿井火灾与瓦斯灾害有着必然的联系，当传统的矿井火灾治理方式行之无效时，应及时封闭火区。封闭火区会造成其内部瓦斯浓度的迅速增加，易导致瓦斯爆炸事故的发生，应用过程中需采取有效方式破坏灾害发生条件，避免事故危害性的进一步增加。

1　项目矿井概况

某矿井现阶段采煤层为6#煤，煤层平均厚度为1.2m，倾角8°，为高瓦斯突出矿井。该煤层工作面采用对拉布置方式，现开采W2604工作面，工作面走向与倾向长度分别为150m、1068m，仰斜开采，顶板管理方式为垮落法。对拉工作面推进过程中，因南翼工作面区域煤层变薄，进行封闭处理；而北翼工作面推进约460m时，后方采空区煤层发生自燃并导致瓦斯爆炸事故发生，且运输顺槽上隅角有明火情况出现。为避免灾害的进一步扩大，设计对该工作面所有巷道进行封闭处理，并充填惰性气体治理采空区。火区封闭项目自2014年1月15日开始施工，共计施工密闭防火墙十道，防火墙构筑位置及封闭范围如图1所示。

2　惰性气体防灭火技术原理

瓦斯爆炸通常需要具备三大主要条件，即瓦斯浓度、氧气浓度、火源。这三个主要条件在该工作面采空区都已具备，如将采空区进行封闭，火区内瓦斯浓度将会迅速增加，并达到爆炸临界值；而在封闭初期氧气浓度较高，已经符合瓦斯爆炸所需氧气浓度，在封闭实施一段时间后才能得以降低，实测情况如图2所示。因此，在火区实施封闭之初，瓦斯爆炸所需条件可能都已具备，具有巨大的危险性。

在封闭火区内充入惰性气体是破坏瓦斯爆炸条件的有效措施。惰性气体分子结构十分稳定，并且化学性质不活泼，在一般条件下并不会与其他物质发生反应。随着封闭区内惰性气体含量的增加，氧气含量会逐渐减少，抑制瓦斯的产生；同时，当氧气浓度下降到一定数值（4%～10%）时，煤层的氧化自燃现象将能得到有效的控制，而体积分数小于3%时，煤炭自燃现象基本能够消除，并可抑制其引燃和复燃。煤矿常用的惰性气体为液态CO2和N2或其混合物，具体根据情况进行选择，本矿井火区惰性气体选择氮气。惰性气体防灭火原理主要可概括为以下两个方面：

（1）降低氧气体积分数含量，充入火区的惰性气体会将氧气排挤出危险区域，降低氧气含量，进而破坏煤层自燃与火区爆炸发生的条件。

（2）高瓦斯矿井通风方式通常为负压通风，大量惰性气体注入火区后将使封闭区域呈现正压状态，外界气体将不能轻易进入火区。

3　封闭火区监测及治理技术措施

3.1火区监测

火区监测是整个施工设计的关键内容，监测内容主要瓦斯、氧气、一氧化碳等气体含量，以及空气温度、出水温度和气压情况等。管理工作中应做好相关设备及人员的组织安排，保证监测数据的准确性与有效性。

3.2注氮

注氮是整个施工的关键，其设计参数对项目最后效果有着关键的影响。注氮施工主要参数包括注氮量与注氮速率，注氮量计算公式为：

图1　密闭防火墙构筑图示

图2　封闭火区初期瓦斯与氧气体积分数变化

其中：QN为注氮量，单位m3；V0为封闭火区体积，单位m3；C1、C2为平均氧气浓度与惰化指标，取值分别为16%和12%。

按照上式计算得到注氮量为438499 m3，历时近100天。为保证施工过程的安全，注氮速率按照最小值13m3/min设定，具体情况可相应性地进行调整。

3.3调整通风系统

矿井通风采用负压通风方式，W2604工作面由于地形条件特殊，该区通风负压值非常高；同时，工作面运输巷护巷方式为预制墩，因此存在严重的漏风情况。矿井封闭火区治理过程中需要调整工作面风压与风量，原始风机负压与矿井风量为3118 Pa和25049 m3/min，经过计算后调整为2850 Pa与23298 m3/min。风量调整原则应保证矿井的正常需风量，不致造成矿井其他工作面生产受到影响。

3.4封闭区域瓦斯抽放措施

为避免火区封闭过程中瓦斯浓度积聚增加，继而导致严重的瓦斯爆炸事故。火区封闭期间应继续瓦斯抽放施工，在火区封闭施工完成后停止抽放，避免封闭区域负压增加，而使得外界新鲜空气进入封闭区域，导致区域氧气含量增加。与此同时，为改善封闭区域负压状况，应及时注入N2，并停止各瓦斯巷的抽放施工，达到降低O2含量与抑制煤炭自燃的目的。

3.5封堵漏风

由于封闭施工过程中没有终端瓦斯抽放操作，并向封闭区域大量的注入N2，使得防火密封墙处于正压状态；同时，矿井所处地应力较大，在矿山压力与风压的综合作用下，防火密封墙出现不同程度的破损，漏风情况严重。此种情况还造成密封墙区域积聚了大量的瓦斯，瓦斯浓度甚至出现超标，形成巨大的安全威胁。为改善密封墙的密封效果，设计对密封墙体及其周边一定范围的围岩进行加固，注浆材料选择聚亚胺胶脂材料。具体实施过程中可改良聚亚胺胶脂材料的加固方式，如顶板破碎严重时可先进行喷浆再灌注聚亚胺胶脂材料等。此外，防火密封墙之外，工作面封闭相关区域进行检查并认真封堵。

3.6注水降温

由于工作面封闭后发生过多起瓦斯爆炸，且运输巷存在明火现象，因此使得采空区内热量大量积聚。与液态CO2不同，N2自身变化过程中并不会产生吸热作用，因此需另外采取措施降低封闭区域温度。工程选用封闭区域注水的方式进行降温，注水孔选择密封墙之上，水中掺入0.5%工业盐以改善所注入水的降温效果。为进一步降低封闭区域热量，采空区遗留煤亦应做到保水保湿，尽可能降低火源的复燃概率。项目实施过程中应实时监测封闭区域空气温度、出水情况及墙体完整性，根据实际情况及时调整注水方案。

4　火区治理效果分析

4.1CO体积分数变化

项目自实施初期就对封闭区域内气体进行监测，监测主要包括CH4、O2、CO、温度等指标，而衡量火区煤层燃烧状况的因素主要为CO，图3所示为监测期间CO体积分数变化情况。分析图3可知，采空区未封闭期间CO含量较高，并呈现多次的峰值波动情况，其主要为煤层自燃消耗与再次积聚的过程；而随着惰性气体的注入，W2604工作面运输巷与回风巷内CO体积分数基本保持在一稳定状态，稳定数值不超过0. 001%。

图3　CO体积分数变化情况

4.2O2体积分数变化

图4所示为氧气体积分数变化情况。分析图4可知，其变化趋势大致与CO类似，未实施火区封闭期间，由于矿井系统通风的作用而使得火区氧气含量较高，且已经达到了瓦斯爆炸的氧气浓度。自开始实施封闭火区治理措施后，工作面巷道氧气体积分数得到有效控制，氧气体积分数不超过5%，且长时间处于稳定状态。

图4　O2体积分数变化情况

4.3温度变化

封闭区通过注氮与注水两种方式有效控制火区内热量的传递与交换。监测数据显示，封闭区方案实施后空气温度基本恒定在30℃以下，而且出水温度亦保持在31℃左右，与工作面开采时情况正常相同。

综合分析可知，到4月28日，封闭区内各项指标基本已经达到正常水平，且能够长时间保持在一稳定状态，满足火区启封的条件。

4　结论

封闭火区内注入惰性气体能够有效降低氧气含量，抑制煤层自燃与瓦斯灾害的发生。施工过程中需要较高的技术要求与组织管理水平，需要综合采取监测封闭区、注氮、停抽瓦斯、封堵漏风、注水降温等综合措施，保证封闭过程的安全。工程实践表明，项目实施后CO、O2、温度等指标正常，达到了工作面安全启封的标准，该项目的成功实施为类似矿井条件防灭火提供了样本，具有一定的推广价值。

参考文献：

［1］王德明.矿井通风与安全［M］.徐州:中国矿业大学出版社，2007.

［2］牛会永，邓军，周心权，等.煤矿火区封闭过程中瓦斯积聚规律研究及危险性分析［J］.中南大学学报，2013，（9）:3919-3923.

［3］王振平，马砺，文虎，王绪友. CO_2与N_2抑制煤炭氧化自燃对比实验研究［J］.煤矿安全，2010，（02）:14-17.

［4］陈久福.高瓦斯突出矿井封闭火区治理技术［J］.矿业安全与环保，2011，（03）:61-63.

［5］毕强.高瓦斯工作面安全封闭火区技术探讨［J］.矿业安全与环保，2014，（04）:84-88.

［作者简介］蔡振禹（1965-），男，河北河间市人，毕业于天津大学，正高级工程师，硕士研究生导师，主要从事煤矿井下安全开采技术研究.

［收稿日期］2016-01-10

中图分类号：TD712

文献标识码：A

文章编号：1672-4658（2016）02-0182-04