煤礦內(nèi)因火災(zāi)預(yù)防措施探討

摘 要：文章探討礦井發(fā)生內(nèi)因火災(zāi)的可能性，根據(jù)煤田的資料分析了礦井火災(zāi)的發(fā)生環(huán)境，指出采空區(qū)內(nèi)大量遺煤的存在，使得采空區(qū)若得不到適當(dāng)?shù)拿荛]處理，在推進(jìn)速度較慢的工作面和停采處極易發(fā)生火災(zāi)。對(duì)通風(fēng)參數(shù)分析表明，采空區(qū)漏風(fēng)亦對(duì)火災(zāi)的發(fā)生產(chǎn)生較大的影響。從改善通風(fēng)礦避免內(nèi)因火災(zāi)的發(fā)生，提出了改善通風(fēng)條件的方法。

關(guān)鍵詞：內(nèi)因火災(zāi)；工作面；預(yù)防；改善通風(fēng)

1 引言

對(duì)開(kāi)采活動(dòng)構(gòu)成嚴(yán)重威脅的基本災(zāi)害中，最嚴(yán)重的是礦井內(nèi)因火災(zāi)及其造成的危險(xiǎn)。礦井火災(zāi)不僅對(duì)工作面安全構(gòu)成威脅，而且，如果有甲烷存在，還有發(fā)生爆炸的危險(xiǎn)造成更加危險(xiǎn)的次生災(zāi)害。井下發(fā)火必須具備的三項(xiàng)基本條件[1]：

1.1 可燃物，在煤礦井下存在的可燃物有煤、坑木、油料、爆破材料、電氣設(shè)備等。

1.2 熱源，在井下煤炭自燃是內(nèi)熱源，明火、電氣短路、爆破作業(yè)、機(jī)械摩擦、瓦斯爆炸、煤塵爆炸等時(shí)外熱源。

1.3 空氣，燃燒是劇烈的氧化反應(yīng)，缺少足夠的氧氣時(shí)燃燒是不能維持的。

火災(zāi)的三個(gè)因素必須同時(shí)存在，且達(dá)到一定的數(shù)量，才能引起礦井火災(zāi)，缺少任何一個(gè)要素，礦井火災(zāi)就不可能發(fā)生。

內(nèi)因火災(zāi)的發(fā)生最主要的地方是采空區(qū)，因?yàn)椴煽諈^(qū)內(nèi)往往有大量丟棄的碎煤，工作面的通風(fēng)使在工作面之后有氧氣供應(yīng)，同時(shí)這樣的發(fā)火條件在巷道中也存在。

2 火災(zāi)事例分析

下面是對(duì)某煤田發(fā)生的火災(zāi)事故的詳細(xì)說(shuō)明[2]。

煤田的15例火災(zāi)事故中，6例是外因火災(zāi)，其中3例因焊接冷卻不充分引起火災(zāi)，2例火災(zāi)由不明火焰（可能是吸煙）引起，另外一起是因膠帶輸送機(jī)托輥過(guò)熱引起的火災(zāi)。

在內(nèi)因火災(zāi)中，有2例（占總數(shù)22%）發(fā)生在巷道，其它7例發(fā)生在工作面或采空區(qū)。從這項(xiàng)統(tǒng)計(jì)比例數(shù)字可以看出，防止內(nèi)因火災(zāi)應(yīng)把注意力集中在工作面或采空區(qū)。

巷道火災(zāi)主要發(fā)生在巷道頂部。在巷道掘進(jìn)過(guò)程中，由于頂板得不到及時(shí)支護(hù)以及受爆破作業(yè)的影響，巷道頂部的煤變得松軟，因此有時(shí)形成空洞。在松軟的頂煤中，常在距巷頂1～1.5m深處發(fā)火，因?yàn)檫@種位置的外界條件最利于火災(zāi)的發(fā)生。當(dāng)頂板表面附近出現(xiàn)風(fēng)流速度變慢，風(fēng)流停滯時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)發(fā)熱，因?yàn)樵撎幑┭醢霃捷^小，而且表面的降溫效果較差。火災(zāi)最易發(fā)生在接近煤層冒落的地方，遇到這樣地帶，最重要的是禁止爆破，并應(yīng)以不可燃、防漏氣材料對(duì)這樣的空穴進(jìn)行填充。

3 工作面火災(zāi)分析

以下是對(duì)工作面火災(zāi)環(huán)境及熱量累積情況的分析。在所有火災(zāi)事故中，煤層的相當(dāng)一部分約厚0.5～1.5m被丟棄，并在工作面報(bào)廢后遺留在采空區(qū)成為廢石。所有火災(zāi)事故的共同特點(diǎn)是，遺留的煤成為碎煤是煤壁應(yīng)力傳遞及頂板破碎的結(jié)果。有時(shí)候，在直接頂板上會(huì)暴露出硫鐵礦夾層。

在分析研究調(diào)查材料的過(guò)程中，還分析了工作面通風(fēng)條件及其特殊狀況。結(jié)果表明，2例火災(zāi)事故（占28%）的發(fā)生與工作面的通風(fēng)不良有關(guān)。在另外6例火災(zāi)事故中，工作面采完后未將采空區(qū)密閉，結(jié)果在采空區(qū)內(nèi)有很大的風(fēng)流。

經(jīng)檢查通風(fēng)環(huán)境證實(shí)，在3例火災(zāi)中，工作面周圍的通風(fēng)只借助于風(fēng)筒供給所需的風(fēng)量。在工作面周圍，共用5～6條風(fēng)筒。在檢查中發(fā)現(xiàn)每處火災(zāi)地點(diǎn)都通風(fēng)不足：

（1）用風(fēng)筒改善不足的通風(fēng)；（2）長(zhǎng)時(shí)間忽視采空區(qū)密閉，因而在采空區(qū)內(nèi)有相當(dāng)大的通風(fēng)風(fēng)流。

檢查的第3項(xiàng)參數(shù)是工作面的推進(jìn)速度。有5例火災(zāi)事故，發(fā)生在廢棄的工作面（回采工作結(jié)束或工作面很長(zhǎng)一段時(shí)間停采）。有2例火災(zāi)事故中，工作面的推進(jìn)速度很慢，僅為0.6～0.8m/d。這樣，遺落在采空區(qū)中的煤炭就受到氧化，采空區(qū)中雖然有風(fēng)流，但因風(fēng)流速度太低而起不到冷卻作用。

另外，還考察了頂板垮落之后多久才出現(xiàn)發(fā)熱現(xiàn)象，即考察火災(zāi)的潛伏期是多長(zhǎng)。5例火災(zāi)的潛伏期尚無(wú)準(zhǔn)確答案。頂板垮落和火災(zāi)發(fā)生的時(shí)間間隔是17～26、14～15、26～30、45～50天和42天?？梢哉f(shuō)，最短的時(shí)間間隔是14～15天，即約2周。發(fā)熱或明火都是在這種時(shí)間內(nèi)發(fā)生的。

資料表明，煤田內(nèi)因火災(zāi)的條件及情況明確地肯定了其它調(diào)查工作的結(jié)果及理論見(jiàn)解。所有內(nèi)因火災(zāi)都表明，引起發(fā)熱和發(fā)火，均因在現(xiàn)場(chǎng)存在大量的表面系數(shù)大的易燃物——煤的緣故。這些地段的通風(fēng)不充分，故安裝一些風(fēng)筒以使通風(fēng)有所改善?？梢园l(fā)現(xiàn)有相當(dāng)大的風(fēng)量穿過(guò)垮落區(qū)?；馂?zāi)毫無(wú)例外地發(fā)生在停采很長(zhǎng)時(shí)間的工作面（71%）或推進(jìn)速度很慢的工作面（29%）。

4 預(yù)防火災(zāi)的工作

為了確定預(yù)防工作內(nèi)容，必須以下述事實(shí)為出發(fā)點(diǎn)：由于煤層厚度的變化幅度很大且不規(guī)則，如煤層實(shí)際厚度大于開(kāi)采厚度，在開(kāi)采時(shí)不得不在頂板留下一層薄煤皮，而在使用垮落法開(kāi)采煤層時(shí)放頂煤不充分，這樣，就不能確切控制煤炭的損失，因此，采空區(qū)內(nèi)出現(xiàn)易燃物也就是不可避免的了。防止煤炭自燃的問(wèn)題可以通過(guò)適當(dāng)改變工作面參數(shù)得以解決。

工作面通風(fēng)方面有下面兩項(xiàng)極為重要的工作：

（1）工作面通風(fēng)必須保證工作面有充足的風(fēng)量和穩(wěn)定的風(fēng)流。工作面供風(fēng)在可能的條件下不使用輔助通風(fēng)設(shè)備（風(fēng)筒）；（2）采空區(qū)靠近進(jìn)風(fēng)側(cè)必須予以密封，并刷大工作面端頭的斷面，以便最大限度地減少進(jìn)入采空區(qū)的風(fēng)量。

工作面的推進(jìn)速度最好達(dá)到1.5～2.0m/d以上。工作面廢棄（工作面搬家）時(shí)，廢棄采區(qū)的上、下順槽必須嚴(yán)格按照《煤礦安全規(guī)程》執(zhí)行，采煤工作面回采結(jié)束后，必須在45天內(nèi)進(jìn)行永久性封閉[3]，因技術(shù)或其它方面原因停采的工作面必須用可快速裝拆的隔墻進(jìn)行密閉處理。

在正常生產(chǎn)的工作面中，工作面的適當(dāng)推進(jìn)速度、充足的通風(fēng)以及對(duì)采空區(qū)一側(cè)進(jìn)行密封處理，都是防止發(fā)生自燃火災(zāi)的措施?？紤]到因一些不可預(yù)見(jiàn)的原因（如斷層、褶曲等地質(zhì)條件）而使工作面的推進(jìn)速度難以得到保證時(shí)，根據(jù)防火要求對(duì)工作面加強(qiáng)通風(fēng)，采空區(qū)側(cè)的密閉就更須加以適當(dāng)處理。改善通風(fēng)的措施，一般不易很快見(jiàn)效，除非實(shí)行輔助通風(fēng)。根據(jù)理論和實(shí)際觀察，輔助通風(fēng)有增強(qiáng)內(nèi)因火災(zāi)發(fā)生的危險(xiǎn)，應(yīng)盡可能不采取這種措施。

綜上所述，遺留在采空區(qū)的煤炭數(shù)量及工作面推進(jìn)速度是很難予以控制的。這樣預(yù)防火災(zāi)的出路主要在于實(shí)現(xiàn)通風(fēng)的最佳化。

5 通風(fēng)最佳化方案

在討論通風(fēng)的效果之前必須明確，加強(qiáng)通風(fēng)不可能根本消除礦井火災(zāi)，而只能減少火災(zāi)的發(fā)生。防止火災(zāi)的各種方法應(yīng)綜合實(shí)施，單獨(dú)采用效果不大。以通風(fēng)進(jìn)行防火的目的是防止風(fēng)流進(jìn)入采空區(qū)或采煤工作面。實(shí)現(xiàn)這樣的目的難度極大，費(fèi)用也很大。因此必須努力實(shí)現(xiàn)盡可能小的合理風(fēng)流。

當(dāng)風(fēng)流穿過(guò)采空區(qū)和裂隙時(shí)，在風(fēng)量和風(fēng)壓降之間的函數(shù)關(guān)系中必須考慮一個(gè)線性成分，這就是層流[4]

h=R1·Q+R2·Q2 （Pa）

其中，R1，R2-空氣阻力，Q-風(fēng)量。

用下列方法可以減少漏風(fēng)量[5]：提高風(fēng)流與風(fēng)道壁之間的阻力；提高漏風(fēng)處的阻力；降低關(guān)鍵部位的壓力差。

沿工作面對(duì)采空區(qū)要盡可能好地進(jìn)行密閉。在使用掩護(hù)支架時(shí)，這是可以實(shí)現(xiàn)的。但由于端頭處截面小，風(fēng)速較大，因此風(fēng)可以輕而易舉地進(jìn)入采空區(qū)，所以，在采空區(qū)一側(cè)應(yīng)布置隔風(fēng)障。在發(fā)熱和大量產(chǎn)生一氧化碳的地點(diǎn)，采用樹(shù)脂泡沫進(jìn)行密閉的效果較好。在回風(fēng)巷中使用風(fēng)障也很好，因?yàn)檫@樣做可以增加風(fēng)流在這一地段的阻力。

采空區(qū)的阻力取決于采空區(qū)內(nèi)部物質(zhì)的性質(zhì)、大小以及采空區(qū)的高度。如果頂板是大塊垮落而不能將采空區(qū)的空間填滿，那么采空區(qū)內(nèi)的阻力就較小，空間截面較大。不完全垮落主要發(fā)生在小工作面，也發(fā)生在不易垮落的頂板巖層。其原因是，垮落很難發(fā)生在堅(jiān)固的采煤工作面和支架回收不完全處。就是說(shuō)，有些火災(zāi)主要發(fā)生在進(jìn)風(fēng)側(cè)，因大量空氣可以進(jìn)入垮落區(qū)。作為防止火災(zāi)的措施，在必要時(shí)應(yīng)謹(jǐn)慎進(jìn)行支架的回收和實(shí)施強(qiáng)制放頂。在極易發(fā)生火災(zāi)的危險(xiǎn)地段，亦可實(shí)施水砂充填。

壓力差的減小事平巷和工作面十分重要的一個(gè)特點(diǎn)。首先，這時(shí)要達(dá)到的風(fēng)量雖不會(huì)有困難，但由輔助通風(fēng)系統(tǒng)保證最小的必須風(fēng)量。在工作面和平巷中，在很小的距離范圍內(nèi)形成的大的壓力差，可稱作局部壓力差，這種局部壓力差最具危險(xiǎn)性。在每一局部阻力兩側(cè)之間和輔助通風(fēng)系統(tǒng)的進(jìn)風(fēng)和出風(fēng)端之間會(huì)產(chǎn)生很明顯的局部壓力差。這種局部壓力差通常不大，能在采空區(qū)和煤壁裂隙中形成風(fēng)流，足以引起火災(zāi)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)和計(jì)算機(jī)模擬，可以說(shuō)，有時(shí)5～6Pa的壓力差就足以造成可能釀成火災(zāi)的風(fēng)流。

工作面輔助巷道接近工作面處一般都受到損壞。這些地點(diǎn)的風(fēng)阻力增大，在這一危險(xiǎn)地段，常形成嚴(yán)重的壓力降。因此，必須保持平巷和橫巷的最佳狀況。平巷中的輔助風(fēng)機(jī)、風(fēng)門、風(fēng)板、防風(fēng)煤柱等必須分別予以說(shuō)明。這些通風(fēng)設(shè)施可以引起壓力降，從而在煤壁裂隙中形成風(fēng)流，這種現(xiàn)象常可在平巷中引起火災(zāi)。當(dāng)平巷沿放頂區(qū)以幾米寬的煤柱間距掘進(jìn)時(shí)，這是很危險(xiǎn)的。因?yàn)檫@樣的支撐煤柱會(huì)破裂產(chǎn)生裂隙，因此這樣煤柱不能起到防止風(fēng)流的作用。

最佳的防火方法是在必要的一定地點(diǎn)安置阻力增高裝置。如果需要安設(shè)這種裝置，必須特別謹(jǐn)慎地將安裝點(diǎn)選定在破碎裂隙較小的地段。如果沒(méi)有這樣較為理想的地點(diǎn)，就必須對(duì)安放阻力增高裝置兩側(cè)10～20m范圍內(nèi)的行道幫壁進(jìn)行噴漿封實(shí)，但是，即使這樣做，其密閉效果也難以肯定。

輔助風(fēng)機(jī)引起的問(wèn)題最嚴(yán)重。在通風(fēng)巷中輔助風(fēng)機(jī)安放處，可以形成100～400Pa的壓差，這會(huì)在放頂區(qū)和有裂隙的煤壁中形成流量到10～30m3/min的風(fēng)流。解決這一問(wèn)題的方法是把輔助風(fēng)機(jī)安放在遠(yuǎn)離放頂區(qū)和遠(yuǎn)離有裂隙煤壁的地方，或使用其它調(diào)節(jié)裝置（在其它地區(qū)設(shè)調(diào)節(jié)風(fēng)門）。這一措施對(duì)處于踩空區(qū)包圍之中的平巷是十分重要的。

6 結(jié)束語(yǔ)

從煤礦火災(zāi)發(fā)生的基本要素入手分析了“火災(zāi)三要素”，通過(guò)對(duì)煤田火災(zāi)發(fā)生的統(tǒng)計(jì)案例分析，指出煤礦內(nèi)因火災(zāi)的預(yù)防重點(diǎn)應(yīng)是采空區(qū)，同時(shí)指出在巷道冒頂處由于存在漏風(fēng)也容易發(fā)生巷道火災(zāi)。根據(jù)對(duì)工作面火災(zāi)進(jìn)行具體分析后，重點(diǎn)闡述了工作面火災(zāi)預(yù)防的具體措施，根據(jù)多年現(xiàn)場(chǎng)工作的經(jīng)驗(yàn)提出了最佳通風(fēng)方案，對(duì)以后現(xiàn)場(chǎng)火災(zāi)管理工作具有一定的參考價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

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[3]國(guó)家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局，國(guó)家煤礦安全監(jiān)察局.煤礦安全規(guī)程[M].北京：煤炭工業(yè)出版社，2006.

[4]黃元平.礦井通風(fēng)[M].徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，2008.

[5]劉英學(xué)，韓國(guó)杰，等.采空區(qū)漏風(fēng)機(jī)理與防治對(duì)策研究[J].焦作工學(xué)院學(xué)報(bào)，1998，8（8）.

作者簡(jiǎn)介：許福平（1971-），男，山西洪洞人，2013年畢業(yè)于太原理工大學(xué)安全工程專業(yè)，現(xiàn)任霍州煤電集團(tuán)曹村煤礦通風(fēng)副總工程師。