五陽煤礦7607綜采工作面綜合滅火措施

張志晶 孟龍川 杜珮穎

(1.山西潞安環保能源開發股份有限公司五陽煤礦，山西省長治市，046200；2.中國礦業大學(北京)應急管理與安全工程學院，北京市海淀區，100083)

近年來，礦井火災事故時常發生，給煤炭行業的持續、穩定發展帶來嚴重影響。因此，進一步加強礦井火災救災技術的研究對煤礦安全生產工作及社會發展具有重要意義。陜峰[1]以山西某礦為例，根據其地質條件，提出了綜合防自燃發火技術措施，并成功在實踐中運用；尹曉雷[2]以劉莊礦151305綜采面為例，結合數值模擬及MIN-MAX方法，提出了高抽巷抽采條件下綜采工作面煤炭自燃防治技術；王輝[3]以七一新發煤業5006綜采工作面采空區著火事件為例，利用調風及注二氧化碳氣體的方法，有效解決了采空區的著火問題；許石青[4]等以某礦1422高瓦斯工作面為例，采用數值模擬軟件建立并開發了與其對應的CFD模型，對深部高瓦斯綜采面注氮防滅火方式進行了優化；楊世瀟[5]以福城煤礦1903N綜采工作面為例，采用模擬實驗與現場觀察相結合的方法，模擬了9#煤樣自燃全過程，進而確定了其工作面自燃規律，設置了與其對應的應急防滅火措施；針對煤礦綜采面過斷層期間易發生內因火災的問題，多名研究人員對綜合防滅火措施進行了分析研究，如預測預報、采用防漏風措施、鉆孔注氮等措施，優化了綜采面過斷層防滅火技術，對減少采空區煤層自燃事故具有重要意義[6-8]。

綜采工作面火災事故對于煤礦生產具有重大影響，因此綜采面的火災防治工作也變得舉足輕重。本文在前人對綜采面火災防滅火研究的基礎上，以五陽煤礦7607回采工作面火災為例，詳細闡述了整個防滅火過程，對其他煤礦綜采面火災防治工作的優化具有重要意義。

1 綜采工作面概況

五陽煤礦7607回采工作面屬76采區，地面標高+830～926 m，位于76膠帶巷以西，7605采空區以北，7609運輸巷以南，井田西部邊界以東，井下標高在+370～430 m。7607工作面開采山西組中下部3#煤層，該煤層賦存穩定，平均厚6.06 m，含兩層夾矸，分為3個自然分層。煤層傾角1°～6°，屬近水平厚煤層，容重1.38 t/m3，為不易自燃煤層。7607工作面煤層平均原始瓦斯含量最大值為10～16 m3/t，平均瓦斯含量最大值為13 m3/t，殘存瓦斯含量為2.5 m3/t。

7607工作面采用Y型通風系統，其中7607運輸巷為主要進風巷，供風量約3000 m3/min，7607軌道巷為輔助進風巷，供風量約1000 m3/min，7607回風巷風量約3500 m3/min，高抽巷瓦斯混合氣抽放量為500 m3/min，瓦斯抽采濃度約為3%。7607火區發火時已經回采86 m，在采面回采過程中瓦斯絕對涌出量45 m3/min，相對涌出量15.6 m3/t，采取本煤層順層鉆孔預抽煤層瓦斯+高抽巷抽采+采空區埋管抽采瓦斯的抽采方式治理瓦斯。

2 工作面火勢分析

五陽煤礦7607綜采工作面在推進過程中，由于煤層內存在加矸現象，因此割煤機在回采過程中切割到矸石時會產生機械火花，引燃瓦斯，從而導致外因火災發生，由于瓦斯燃燒擴散十分迅速，導致工作面支架上方瓦斯被引燃，從而火勢迅速擴大，井下工作人員在直接滅火無效的情況下，迅速匯報調度室，組織人員安全撤離。

7607工作面的瓦斯涌出量非常大，工作面瓦斯被引燃后迅速蔓延至頂板上方，可以判斷，工作面頂板上部必然積聚著相當量的瓦斯，且存在火區發生瓦斯爆炸的風險，直接威脅著現場救援人員的生命安全。

為了進一步確定7607工作面火災狀況，2016年11月15日上午10:00救護大隊人員對五陽煤礦回風井口和7607工作面高抽巷抽采管路進行氣體取樣分析，得出高抽巷CO濃度為1.686%、CO2濃度為1.1600%，回風井CO濃度為0.372%、CO2濃度為0.2826%。通過計算礦井火區狀態，為制定火區救援方案提供依據。

為了定量考核7607工作面火勢大小，通過燃燒氣體產物濃度變化計算熱釋放速率。首先，假設供給7607工作面空氣中的氧氣在燃燒過程中全部轉化至CO和CO2中，即CO和CO2中的氧分子全為燃燒過程中氧氣消耗產生，而火區中燃燒產生的CO和CO2一部分由高抽巷抽出，另一部分通過回風井排出。11月15日10:00時，高抽巷抽放量為500 m3/min，回風井風量23000 m3/min，回風井在發火之前的CO2濃度為0.2%，因此，可計算火區內每分鐘氧氣消耗量，其計算公式如下：

Q單=Q混×C

(1)

式中：Q單——單一氣體的流量，m3/min；

Q混——混合氣體的流量，m3/min；

C——巷道內單一氣體濃度，%。

則高抽巷中CO2濃度Q1為5.8 m3/min，CO濃度Q2為0.843 m3/min；回風井中CO2濃度Q3為19 m3/min，CO濃度Q4為8.556 m3/min。則火區生成的QCO2為24.8 m3/min，QCO為9.4 m3/min，綜上所述，氧氣每分鐘消耗流量Q△O2為29.5 m3/min，氧氣每分鐘消耗質量M△O2為38.35 kg/min。

根據氧消耗原理法計算熱釋放速率，耗氧1 kg所釋放的熱量通常取值為13.1 MJ/kg，因此，7607火區熱釋放速率為502.385 MJ/min。

由于五陽煤礦每噸煤熱量約為25.1 MJ/kg，所以每分鐘燒煤量為20 kg/min。

通過以上理論分析可知，7607工作面火勢的燃煤當量約為20 kg/min。因此，7607工作面的火勢是非常大的，救援人員進入火區進行直接滅火的難度和危險性很大。

3 火區救災方案

對于不易采取直接滅火的火區，一個最有效的救援方案就是對7607火區進行封閉，但是隨著火區封閉工程的進行，雖然供給火區的原有風量大幅減少，但是火區范圍內的氧氣濃度依然降低較慢，鑒于高瓦斯礦井的瓦斯涌出量非常大，瓦斯濃度會急劇增加，瓦斯濃度可在氧氣濃度降低到12%之前達到爆炸下限，從而容易引起瓦斯爆炸。此時，最有效的防范措施是火區內注入惰氣，讓火區優先惰化，使火區內氧濃度降至12%以下，這樣即使瓦斯濃度迅速到達爆炸下限，但是由于預混氣體內摻入大量惰氣而使氧氣濃度大幅降低，一般不會發生瓦斯爆炸事故。通過分析，五陽煤礦水資源豐富，且7607回風巷道處于低洼區域，判斷7607火區可以在回風巷道內進行水封處理。

綜上所述，當前的首要任務是保證火區系統穩定，在控制火勢情況下逐步控風，再通過提高注氮量來抑制火區發生爆炸的風險，以便最終安全封閉火區。7607火區整體救援方案如下。

(1)為保證封閉火區過程中的安全性，決定利用7607工作面回風尾巷低洼區域特點，采取水封進行回風巷道封閉。

(2)通過地面注氮系統向7607運輸巷內注入氮氣，但是鑒于7607工作面瓦斯涌出量大的特點，為了保證7607工作面水封過程中不發生瓦斯爆炸，決定在7607火區上方使用鉆井機向在距離7607工作面后方30 m位置打1#、2#和3#地面鉆孔，以便通過液氮直注等方式向火區內大劑量注氮。

(3)由于打地面鉆孔需要一定的時間周期，而水封工作需要立即進行。因此，在水封過程中，如果地面鉆孔還不具備注氮的條件，而7607工作面回風流已經減小至2500 m3/min，則需要停止水封，以保證7607工作面不會產生瓦斯積聚的條件。

(4)維持高抽巷抽采系統穩定，以減少7607工作面瓦斯積聚速度，但需要通過地面監測系統隨時監測高抽巷瓦斯濃度，若水封還沒有結束，而高抽巷瓦斯濃度大于4%，高抽巷需要停止抽采。

(5)在地面鉆孔施工完成具備注氮條件后，加大地面鉆孔和地面壓風管路注氮量，同時提升水封速度，以便對火區實施迅速封閉，待水封完成后，關閉高抽巷，同時關閉7607運輸巷和7607軌道巷防火門，火區穩定24 h后，救護隊員在7607運輸巷和7607軌道巷防火門前方構筑永久密閉墻。

3.1 火區封閉

7607運輸巷、軌道巷密閉采用防火門加密閉墻進行封閉，密閉墻采用料石砌筑，尺寸為5 m×3.5 m×2 m(高×寬×厚)，中間填500 mm黃土，兩邊各800 mm厚的料石墻，密閉上留有觀察孔和瓦斯抽放管，密閉墻距防火門距離為0.5 m。7607運輸巷、軌道巷支護形式為錨網支護，密閉長度1154 m。7607軌道巷在1#聯絡巷附近存在水淹區域，7607軌道巷積水標高為380.2 m，積水量為10883 m3，積水長度885 m(測點0722向里40 m至測點0742向里65 m)，如圖1所示。

圖1 7607軌道巷水淹區域圖

7607工作面回風巷巷道利用水封，并在76南部放水巷回風巷口構筑密閉墻，墻體厚度為800 mm,采用料石砌筑。

7607水封積水區目前積水水位標高為339 m，76南部放水巷巷道最低標高為339.5 m(已透氣500 mm),積水量為15000 m3，積水巷道包括76南部放水巷、80采區膠帶運輸巷、80采區輔助運輸巷、80采區1#專用回風巷、8000-1#聯絡巷、8000-2#聯絡巷、80-1#水倉、80-2#水倉、80采區1#貫眼、原7607、7605水倉。

3.2 工作面火區治理

2016年11月23日，救援人員在地面鉆孔大劑量注氮的配合下實現了對7607火區的安全水封，其中為了保證火區封閉的安全，地面鉆孔采取直接注入液氮的方式，2#和3#鉆孔的注入液氮量分別達到6 t/h，直接保證了火區水封過程的安全性。在完成7607火區封閉后，救援人員開始轉入對7607火區的治理工作，采取“注液氮降溫”和“封閉窒息”滅火方法，其主要利用地面鉆孔向火區內繼續注入液氮，同時利用7607運輸巷和高抽巷布置的束管監測系統對火區氣體進行實時監測分析，其火區整個治理過程分為3個階段。

(1)7607封閉火區第1階段治理。2016年11月24日-2017年1月7日，通過地面鉆孔向封閉火區注入液態氮氣平均60 t/d(共計2700 t液氮)，用于熄滅及惰化火區。2016年12月24日，打開76南部放水巷密閉墻上排氣孔排放76南部放水巷積的存火區氣體，2016年12月29日，關閉76南部放水巷密閉墻排氣孔。

(2)7607封閉火區第2階段治理。2017年1月7日-2月6日，火區處于封閉狀態，無人為擾動，2月6日下午1點30分，打開3#地面鉆孔，以50 m3/min的流量向封閉火區內注入液氮。2月6日晚9點，開啟高抽巷，以30 m3/min的流量抽采火區內氣體(該流量小于注氮量，以保證密閉墻外不向火區內漏風)。在3#地面鉆孔注液氮期間(3#地面鉆孔共計注入液氮900 t)，通過對2#地面鉆孔的溫度和氣體指標監測分析得出，2#地面鉆孔后方或2#地面鉆孔與工作面沿空留巷之間區域存在高溫區域。

圖2 7607運輸巷密閉墻壁后氣體濃度變化曲線

(3)7607封閉火區第3階段注氮治理。在判斷出7607火區內高溫區域所在位置后，2017年2月16日中午在2#鉆孔正式實施注入液氮措施，注入6 t/h液氮，連續注入5 d(共計720 t)，至2月21日中午停止2#鉆孔注氮。2月24日—3月13日，通過3#地面鉆孔向火區內共注入液氮約1000 t。該階段7607運輸巷和7607軌道巷密閉墻后氣體濃度測數據如圖2和圖3所示，76南部放水巷密閉墻后氣體濃度監測數據如圖4所示。

鑒于已經向7607火區注入液氮1720 t，其火區各氣體指標基本穩定，無任何復燃跡象，因此，為準確判斷火區內燃燒狀態，于3月13日停止向火區注氮，以便觀察分析在無惰性氣體稀釋影響下火區氣體變化。

圖3 7607軌道巷密閉墻壁后氣體濃度變化曲線

圖4 76南部放水巷密閉墻壁后氣體濃度變化曲線

4 綜合滅火效果

在對整個著火區域采取“注液氮降溫”和“封閉窒息”滅火方法處理后，通過對7607火區各密閉墻內環境溫度進行測量后發現，7607運輸巷密閉墻內氣體溫度分別為14℃和13℃，7607軌道巷密閉墻內氣體溫度分別為15℃和14℃，76南部放水巷密閉墻內氣體溫度都為18℃。7607火區氣體中已經4個月沒有檢測到乙烯、乙炔，7607運輸巷密閉墻內CO濃度已經穩定在0.0005%以下滿1個月，7607軌道巷密閉墻內CO濃度自從3月13日停止注氮后呈現逐漸下降趨勢且已有半個月穩定在0.001%以內。選用了位于7607著火區域上方的2#鉆孔來分析火區的真實情況，2#鉆孔氣體采樣數據變化曲線如圖5所示。

圖5 2#地面鉆孔氣體濃度變化曲線

由圖5可以看出，火區內CO一直穩定在0.001%以內，CO2濃度小于1%，O2濃度普遍高于7%，CH4濃度在20%附近波動。通過2#鉆孔的監測數據分析，可以判斷在火區治理第二階段發現的火區高溫區域已經消失，進而可以初步判斷7607火區已經熄滅。

5 結論

(1)對五陽煤礦回風井口和7607工作面高抽巷抽采管路進行了氣體取樣分析，通過使用熱釋放速率計算火區火勢分析和燃燒規模的方法,計算出7067工作面火勢的燃煤當量約為20 kg/min，得出礦井火區火勢較大，救援人員難以直接進入火區進行滅火，從而確定了對7607火區進行封閉的救援方案。

(2)詳細介紹了綜采工作面綜合滅火措施,具體救援方案為通過對火區注入惰氣，將火區內氧氣濃度大幅下降至12%以下，確保瓦斯不會發生爆炸，最后通過鉆孔注水來對著火區域進行密封。通過對7607火區各密閉墻內環境氣體溫度及鉆孔內氣體分析得出，7607火區已經熄滅。