综合防灭火技术在老石旦煤矿的实践与应用

2016-09-18周连春刘文郁

西部探矿工程 2016年8期

关键词：回风顺液氮氮气

王　滨，周连春，刘文郁

（1.中煤科工集团工程科技有限公司，北京100013；2.神华乌海能源有限责任公司老石旦煤矿，内蒙古乌海016033）

综合防灭火技术在老石旦煤矿的实践与应用

王滨*1，周连春2，刘文郁1

（1.中煤科工集团工程科技有限公司，北京100013；2.神华乌海能源有限责任公司老石旦煤矿，内蒙古乌海016033）

针对老石旦煤矿采空区自燃的事实，认真地分析了老石旦煤矿031601工作面自然发火的原因，并且根据实际情况采取了井下注液氮、利用井下移动制氮机和地面制氮机向火区注氮气，并在地面填堵采空区上覆地表裂缝等综合防灭火措施，收到了良好的防灭火效果，保证了矿井的安全生产。

综合防灭火技术；实践；应用

1　概述

在20世纪八、九十年代，我国内蒙古自治区阿拉善神宁集团乌兰矿曾发生过数次矿井火灾，其火灾致因一曾被怀疑过是某种硫化物所为，但并没有对其进行深入的研究探讨。随着石油化工行业油气罐在运输、储运过程中发生火灾事故致因研究的不断探索，国内外许多专家、学者对FeS自燃特性进行了深入的研究，有的学者认为FeS自燃的过程中如没有一定的可燃物支持，将产生白色的SO2气体，常被误认为水蒸汽，伴有刺激性气味；同时放出大量的热。当周围有其它可燃物存在时，会冒出浓烟，并引发火灾和爆炸［1］。这些研究为FeS自燃引发高硫煤煤矿火灾事故提供了理论基础和事实依据。2015年4月，内蒙古乌海市神华乌海能源公司老石旦煤矿发生了井下火灾事故，事故发生后，采用综合防灭火方法对其进行了治理，在火灾事故处治结束后对事故致因进行了分析，在事发前的CO监测中，没有测试出CO，甚至在矿井下产生“烟气”的时候，观察测试的CO仍然为0，这与常规的矿井火灾致因理论不符，很有可能是其他原因引起的矿井火灾，因此非常有必要对老石旦煤矿火灾致因进行深刻的研究分析，并采取封闭火区、注液氮、填埋地表裂缝等防灭火措施来治理火区。

2　矿井及工作面概况

老石旦煤矿隶属于神华集团乌海能源有限责任公司，核定生产能力150×104t/a，矿井采用斜井—立井混合式开拓方式，采用单一水平采区式开采，目前主采北三采区12#、16#煤层，在12#煤层布置一个综采工作面，16#煤层布置两个综放工作面。

矿井采用中央分列式通风，全矿有4个井筒，主、副井、北三风井进风，回风立井回风。回风立井安装了2台主要通风机，一台运转，一台备用，双电源供电，型号均为FBCDZ№23，功率2×132kW。矿井4月份风量测定：总进风量为5021m3/min，总回风量为5191m3/min；矿井通风压力1950Pa，矿井通风等积孔为2.4m2。矿井有效风量率为87.3%。

2014年矿井瓦斯等级鉴定，瓦斯绝对涌出量为5.49m3/min，相对涌出量2.07m3/t，属瓦斯矿井［3］。矿井防灭火系统以注氮防灭火为主、喷洒阻化剂为辅，并安装了束管监测系统，对易发火地点实时监测预报。2014年6月煤炭科学研究总院重庆研究院鉴定该矿自燃倾向等级鉴定结果为12#、16#煤层均为Ⅱ类自燃煤层；最短自然发火期分别为12#煤层：59d、16#煤层：63d。

031601工作面位于北三井口东北侧，16#煤露头北西700m。工作面开采煤层为16#煤层，煤层厚度8.5m，走向长1370m，倾斜长280m，煤层倾角5°～30°，煤层赋存较稳定。采煤方法采用走向长壁式全部垮落法综采放顶煤开采。工作面通风方式为U型布置，031601运输顺槽进风，风量为642m3/min，031601回风顺槽回风，风量为662m3/min；2014年8月矿井瓦斯等级鉴定为瓦斯矿井，031601工作面最大绝对瓦斯涌出量为1.19m3/min。031601工作面于2011年10月开始回采，现已回采943m，剩余427m。

3　问题的提出及原因分析

3.1问题的提出

2015年4月16日10：35分，031601回风顺槽出现烟气，经检测CO浓度4ppm，到11：30分，上隅角瓦斯浓度为0.1%，CO浓度为12ppm。调度值班员立即汇报矿领导，并启动应急预案，通知井下各作业地点撤人、停电。11：48分向公司生产指挥中心汇报。公司领导及相关部室领导和西北防灭火分院专家立即来矿，根据井下现场探查综合分析，决定先封闭该工作面，并进一步采取注气氮、液氮措施进行处理。

3.2事故原因分析

经过西北防灭火研究院专家和矿相关技术人员认真分析认为：

（1）矿方对其上覆的12#和9#煤层采空区密闭长期观测，以及事故后对12#和9#煤层采空区密闭取样分析均未发现CO，也未发现邻近采空区CO等有害气体侵入031601工作面，因此可以排除上覆12#和9#煤层采空区自然发火因素。另外031601工作面自开采至今，通过束管分析、安全监控系统监测、人工取样分析、人工检测等方法，均未发现工作面采空区、上隅角、回风流出现CO及煤的自燃标志性气体。031601工作面从出现烟气后，CO气体从初始4ppm经过13h迅速上升至1000ppm以上，同时C2H4、C2H2气体伴随出现，C2H4气体最大浓度122ppm，C2H2气体最大浓度525ppm，这些数据不符合煤的自然发火基本规律，所以采空区遗煤自然发火因素可能性不是很大。

（2）031601工作面开采的16#煤层为高硫煤，其中16-1#煤层含硫量2.94%，16-3#煤层含硫量1.72%，16-4#煤层含硫量1.62%。在无氧条件下，工作面回风顺槽遗留的金属棚、金属网等金属物品受水长期侵蚀作用与煤中硫化物结合易形成硫化亚铁［4］，其化学方程式如下：

根据工作面采空区束管监测数据，回风侧“氧化带”最大宽度约20m，且采空区一直采取连续注氮方式，采空区“氧化带”进而缩短；硫化亚铁具有较高的自然氧化活性，极易与空气中的氧气迅速反应快速燃烧［5］，而4月15日，阿拉善左旗发生5.8级地震，老石旦煤矿震感明显，031601工作面对应地表生成多个新的裂缝，最大裂缝的宽度0.5m，受采动和地震诱导因素影响，地面与本煤层采空区通过裂隙形成漏风通道，使采空区形成的硫化亚铁具备了燃烧的条件，其化学方程式如下：

进而引燃了周边浮煤或高分子材料，导致031601工作面火灾事故。

4　综合防灭火技术的应用

注氮防灭火技术是防治综放工作面采空区自然发火的有效方法之一。由于氮气比空气轻，所以当氮气注入采空区后，不但可以向上浮动而且可以向四周扩散并充满整个采空区，降低采空区的氧气浓度，从而达到抑制采空区自然发火的目的［6］。另外，根据以往经验，采空区自燃火灾往往发生在顶板或冒落区内较高的位置，而采用注浆、注阻化剂等常规防灭火手段，防灭火材料往往不能到达发火的区域，起不到有效的防灭火作用。而向采空区内注入氮气恰恰能够有效地充填到这一区域，起到惰化防灭火的作用。老石旦煤矿采用以注氮、注液氮为主，配合地面封堵裂缝、井下封闭火区等形式的综合防灭火技术收到了良好的防灭火效果。

4.1封闭工作面

为了防止火灾事故蔓延，威胁全矿井的安全，经过研究决定首先封闭031601工作面，即在031601运输顺槽皮带机尾处和031601回风防火墙处各施工一道防火密闭，4月17日11：47分031601运输顺槽密闭和回风防火墙处施工的密闭开始同时封闭，12：50分上下顺槽密闭同时封闭完毕；4月18日，决定在031601回风顺槽原密闭前7m处施工第二道防火密闭，4月19日18：00密闭施工及喷浆工作完成。通风队在031601运输顺槽安排专职瓦检员检查气体情况，每隔30min汇报一次气体情况；031601回风顺槽由救护队负责检查气体情况，每隔20min汇报一次气体情况；监控中心做好气体监测及分析工作，每1h做一次031601上隅角气体分析，及时上报应急指挥部。

4.2注液氮防灭火

2015年4月17日矿方决定于神华宁煤集团灵新矿联系安排专业技术人员来该矿指导注液氮工作，计划从031601回风顺槽密闭处注液氮。老石旦煤矿用卡车从神华宁煤集团拉来25t液氮（共一车），交替向两个注液氮罐中注液氮（每个液氮罐能够装1t液氮），然后利用16#进风斜井向031601回风顺槽运送液氮，最后注液氮罐到达031601回风顺槽后开始向防火密闭中注液氮，注液氮具体步骤如下：

031601回风顺槽注液氮如图1所示，首先将装注液氮罐的平板车放平稳，固定好防止下滑和移动，其次将注液氮软管5与注浆管2连接好并打开注浆管上的阀门4，然后将注液氮软管5与注液氮管连接并打开注液氮管上阀门3开始向防火密闭1中注液氮。现场施工人员必须密切观察压力表6的变化情况，当压力表6显示的值低于0.01MPa时应立即停止注液氮工作，去掉注液氮软管5，将注液氮罐提升上井，再开始注另一罐液氮，如此往复不停地向防火密闭内注液氮，以达到防灭火的效果。

图1　031601回风顺槽注液氮示意图

4月19日20：38分开始注液氮，截止4月22日19：35分结束，共注液氮25t，气化氮气20000m3。

4.3继续利用井下移动制氮机进行注氮防灭火

老石旦煤矿平时利用井下制氮机向031601采空区注氮气进行防灭火，此时利用井下制氮机从031601运输顺槽密闭处连续不断向火区注氮气进行惰化火区，截止5月6日，共注氮气26.2616万×104m3。

4.4地面制氮机进行注氮防灭火

从技改主运输巷的地面工业广场安装注氮机，注氮设备采用地面DM移动式膜分离制氮机（北京瑞赛长城航空测量技术有限公司生产），本机采用了世界制氮领域的最新技术——中空纤维膜分离注氮技术，主要用于煤矿防灭火。该机注氮压力高，压力损失小，可满足氮气压力高用户。适合远距离输送，并可移动。主要技术指标：氮气产量：1000Nm3/h，氮气纯度≥97%，O2≤3%，氮气出口压力≥0.8MPa（可调），氮气是一种无色无味的惰性气体，不能支持人的生命，氮气是一种窒息气体，含85%以上的氮气在短时间内导致人体窒息死亡。因此操作此设备的条件是通风良好，要求管路密闭严，严禁任何人员进入布氮区域。并连接注氮管路1500m（管路型号为133mm）至技改主运输巷1200m处。4月17日从天荣公司调来专业打钻队伍计划从技改主运输巷1200m及以里位置向031601采空区及回风顺槽施工钻孔注氮气进行防灭火工作。4月18日14时开始打钻至24日21：30结束，共施工6个钻孔，共计447m，其中1#：77m，2#：78m，3#：75m，4#：74m，5#：70m，6#：73m，另外1#、2#、3#孔下套管成功，从4月25日12：30分开始注氮气，截止目前为止共注氮气6.6679×104m3。

4.5地面填堵地表裂缝

031601采空区发生火灾后矿方安排专人到采空区对应地表观察发现由于地震原因新出现了10条裂缝，最长裂缝达到130m左右，最宽裂缝有500mm左右，为了防止地表大气继续从裂缝进入采空区引发次生灾害，矿上决定填堵上述裂缝，截止4月19日共填堵裂缝10条，用沙子15t，有效地防止了大气导入采空区。