惰性氣體在治理高瓦斯綜放工作面火災(zāi)中的應(yīng)用

章才光,郭 建

(1. 大同煤礦集團(tuán) 鐵峰煤業(yè)有限公司,山西 右玉 037003;2. 遼寧工程技術(shù)大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院,遼寧 阜新 123000)

1 綜放面火災(zāi)概況

鐵峰煤礦現(xiàn)開(kāi)采3#煤層,采取南北兩翼開(kāi)采,各翼生產(chǎn)系統(tǒng)和通風(fēng)系統(tǒng)相對(duì)獨(dú)立。煤層自燃傾向性等級(jí)為Ⅲ級(jí),屬不易自燃煤層。煤層瓦斯涌出量大。鐵峰煤礦N1203綜放工作面長(zhǎng)300 m,走向長(zhǎng)1.8 km,煤厚6 m,采用放頂煤機(jī)械化采煤方法,放頂高3.2 m。頂板管理采用垮落式落頂方法。2011年6月22日8時(shí),鐵峰煤礦N1203綜放工作面發(fā)生大面積火災(zāi)。

2 綜放面火災(zāi)原因分析

1)火災(zāi)是由于截煤機(jī)切割斷層帶巖石時(shí)產(chǎn)生的摩擦火花引起瓦斯燃燒,界定為外因火災(zāi)。外因火災(zāi)發(fā)生發(fā)展迅速突然,情況多變,涉及影響區(qū)域大。

2)火災(zāi)發(fā)生地點(diǎn)位于綜放工作面和膠帶順槽交叉口內(nèi)部55 m處,此處存在大量可燃物瓦斯,加之綜放工作面氧氣量充足,在綜放工作面上方形成瓦斯-空氣預(yù)混氣,由此導(dǎo)致摩擦火花引燃瓦斯-空氣預(yù)混氣,界定為富氧富燃料預(yù)混燃燒。而富燃料不會(huì)自行熄滅,因此需對(duì)火區(qū)進(jìn)行惰化阻燃,采取封閉措施。

3 惰性氣體的惰化阻燃性能

1)氧含量。目前國(guó)內(nèi)制氮機(jī)產(chǎn)出的N2最大含氧量為3%,而此次滅火使用的液態(tài)CO2含氧量為0,液態(tài)CO2對(duì)惰化防火十分有利。

2)吸附性。煤作為吸附劑,CO2、N2作為吸附質(zhì)。實(shí)驗(yàn)表明煤對(duì)CO2的吸附量為48 L/kg,對(duì)N2的吸附量為8 L/kg。煤在吸附過(guò)程中,把吸附熱傳導(dǎo)至惰性氣體,遏制火災(zāi)的連鎖反應(yīng),提高惰化阻燃效果,CO2的惰化阻燃效果良好。

3)臨界氧濃度。據(jù)測(cè)定,火區(qū)內(nèi)N2惰化對(duì)應(yīng)的阻燃臨界氧濃度9.5%,阻爆臨界氧濃度11.5%;火區(qū)內(nèi)CO2惰化對(duì)應(yīng)的阻燃臨界氧濃度12.0%,阻爆臨界氧濃度14.6%。CO2的阻燃阻爆效果良好。

4)火區(qū)惰化覆蓋率。N2的相對(duì)密度為0.98,比空氣輕,注入到N1203綜放工作面容易向上方裂隙擴(kuò)散,使N2惰化效果受到影響。CO2的相對(duì)密度為1.53,比空氣重,而滅火的重點(diǎn)防范區(qū)域位于底部,CO2注入到N1203綜放工作面后其覆蓋率高,阻燃阻爆效果良好。

4 惰性氣體滅火工程

4.1 井下密閉

在北翼區(qū)南端西側(cè)通往南翼生產(chǎn)區(qū)的通道上布設(shè)四處防火墻,切斷火區(qū)與南翼之間的聯(lián)系,防止火災(zāi)蔓延造成更大規(guī)模的損失,保證了南翼正常安全生產(chǎn)。在北翼進(jìn)風(fēng)井和回風(fēng)井布設(shè)兩處防火墻,密閉火區(qū)。

4.2 地面鉆孔

采用凝膠技術(shù),通過(guò)鉆孔對(duì)井下N1203發(fā)火工作面就近進(jìn)行封閉。在地面對(duì)應(yīng)于井下N1203綜放面火區(qū)上方共布置了8個(gè)鉆孔,如圖1所示,其中6#孔考慮其井下終孔位置附近就有密閉墻,故取消該孔。實(shí)際成孔數(shù)為7個(gè),其中3#、4#、7#、8#孔為凝膠封閉孔,1#、5#孔為液態(tài)CO2注入孔,2#孔作為取氣樣孔測(cè)定氣體濃度與溫度,孔徑為212 mm,孔深為530 m左右,成孔后下套管,管徑為193 mm。

圖1 N1203發(fā)火工作面鉆孔布置圖Fig.1 Layout of boreholes on N1203 combustion working face

4.3 惰性氣體灌注

采用液態(tài)CO2地面灌注防滅火裝備系統(tǒng),將液態(tài)CO2轉(zhuǎn)換成氣體,然后經(jīng)管道輸送灌注于火區(qū)。地面氣化的氣態(tài)CO2注入北翼進(jìn)風(fēng)井,惰化整個(gè)北翼封閉區(qū),注入情況見(jiàn)表1。

表1 惰性氣體灌注情況統(tǒng)計(jì)表Table 1 Inert gases injection

5 滅火效果分析

在北回風(fēng)井防爆蓋內(nèi)設(shè)置的火災(zāi)氣體監(jiān)測(cè)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)反映了火區(qū)的真實(shí)情況,最具代表性。地面2#鉆孔的終孔地點(diǎn)位于N1203綜放面與該面膠帶運(yùn)輸巷的交叉處,能夠真實(shí)地反應(yīng)N1203綜放面火災(zāi)氣體的變化規(guī)律。以北回風(fēng)井防爆蓋內(nèi)數(shù)據(jù)與2#鉆孔的數(shù)據(jù)作為依據(jù)分析滅火效果。

5.1 北回風(fēng)井防爆蓋內(nèi)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

對(duì)北回風(fēng)井防爆蓋內(nèi)的氣體進(jìn)行監(jiān)測(cè)。北回風(fēng)井防爆蓋內(nèi)O2濃度降低迅速,7月9日已降至0.5%,降幅大，惰化效果良好,而隨后O2濃度反彈上升是由于停注惰性氣體使北回風(fēng)井防爆蓋內(nèi)惰性氣體不足,北進(jìn)風(fēng)井漏風(fēng)導(dǎo)致O2濃度上升。CO2濃度變化呈急劇上升態(tài)勢(shì),7月9日已由初始濃度10.5%上升至38.6%,惰化效果好。6月27日CO濃度由1%急劇下降至0.256‰,火區(qū)內(nèi)已轉(zhuǎn)入窒息滅火狀態(tài),隨后CO濃度持續(xù)下降。由此可見(jiàn)惰性氣體充分控制了火區(qū)火災(zāi)發(fā)展,具有良好的惰化滅火效果。

5.2 2#鉆孔監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

對(duì)地面2#鉆孔進(jìn)行監(jiān)測(cè)。7月10日檢測(cè)2#鉆孔內(nèi)O2濃度最高為2.1%,滿足《煤礦安全規(guī)程》第二百七十九條要求。CO2濃度保持在39%～43%,CO濃度持續(xù)下降,惰化情況良好。而2#鉆孔所測(cè)火區(qū)氣溫為27 ℃,比井下遠(yuǎn)離火區(qū)防火墻外的溫度高,說(shuō)明火區(qū)內(nèi)處在陰燃階段。

6 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)鐵峰煤礦N1203綜放面火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況的分析表明:

1)惰性氣體注入火區(qū)后可降低O2含量,抑制燃燒,使火災(zāi)因缺氧窒息而熄滅,并成功在鐵峰煤礦實(shí)踐,處理了其N1203綜放面火災(zāi)。

2)將惰性氣體用于礦井防滅火中,節(jié)約經(jīng)費(fèi),運(yùn)輸方便,滅火效果好,恢復(fù)生產(chǎn)快。