鑫顺煤业高瓦斯矿井回采工作面

采空区注氮灭火技术的应用

白翠花¹

（飞禽走兽老虎机：煤炭工业厅资源地质局，山西太原，030045）

摘要：介绍了鑫顺煤业150109回采工作面采空区，运用氮气成功治理了一起高瓦斯矿井中由于煤层自燃引起的火灾的实例，对今后高瓦斯矿井中各类火灾的防治和防止灾害扩大积累了一点经验。

关健词： 瓦斯、火灾、氮气、治理

1    概况

山西煤炭进出口集团左权鑫顺煤业有限公司为我省煤炭企业兼并重组后的保留矿井，由原山西左权鑫顺煤业有限公司和原山西左权突提煤业有限公司兼并重组而成。生产能力1800kt/a，批采4、15号煤层。原突提煤业开采4号煤层时批复等级为高瓦斯矿井。据2010年9月28日晋煤瓦发[2010]1119号文件的批复，现鑫顺煤业在开采4、15号煤层时，矿井最大相对瓦斯涌出量为66.31 m³/t，最大绝对瓦斯涌出量为251.17 m³/min，预测结论为高瓦斯矿井。且井田内开采的4、 15号煤层均有爆炸危险性，均属不易自燃煤层。

2    内因火灾的引发原因

2010年1月28日矿井总回风大巷CO有升高的趋势，报警浓度的最大值60ppm，持续3小时。经下井检查，为150109回采工作面回风顺槽闭墙前和瓦斯尾巷密闭前CO涌出。1月29日上午在瓦斯抽放管路内和150109工作面尾巷闭墙前采两个气样，经检测，煤层燃烧的标志性气体CO、C₂H₄、C₂H₆浓度很高，分析结果为150109回采工作面采空区着火。分析原因为：鑫顺煤业15号煤层150109工作面采空区火源来自上距15号煤层间距13m左右的14号煤层，因15号煤层采空后顶板岩层塌陷后形成裂隙、通道，左权地区的14号煤层硫和磷的含量较高，极易自燃。在有裂隙、通道的情况下，14号煤层先着火，后坍塌至15号煤层采空区，给15号煤层的浮煤提供了着火火源。是一场内因火灾。

3    应用惰性气体灭火方案的提出

经研究分析，制定了两个方案：一直接灭火。二采用成熟的、经济的惰性气体灭火。通过现场状况分析，此时现场不具备直接灭火条件。既有瓦斯又有火，可谓瓦斯与火并存，如果打开密闭直接灭火，会增加采空区的氧气浓度，增大火势，同时可能引发瓦斯爆炸，且有害气体通过沿途都无法进行其它工作。显然直接灭火行不通，不但不能灭火，且可能是灾情进一步扩大，殃及矿井安全。控制火灾事故扩大、防止瓦斯事故发生已是当务之急、迫在眉睫。由于这是首次出现在本矿高瓦斯矿井回采工作面采空区内的火灾事故，以往也无经验借鉴，综合分析着火原因，决定采取第二方案。先撤出井下影响区域内的所有人员，由救护队下井侦查险情。关闭150107工作面回风顺槽的临近层抽放钻孔，减少150109工作面采空区的供氧量。在救护队的监护下，使用高分子快速封堵材料对与150109工作面采空区相通的各道闭墙进行进一步封堵，以减少漏风量。并做到正常供风以防瓦斯局部积聚。然后采用惰性气体灭火。

4    方案的确定

惰性气体灭火常用的有CO₂和N₂两种： CO₂的密度相当于空气的1.52，对仰斜开采工作面的采空区和倾斜巷道的下部较好，对水平和上行巷道的效果较差，且易溶于水和吸附在煤体上，损失量比较大，生产成本高，应用工艺复杂。而150109工作面采空区正是水平分布，不适宜采用。而N₂的密度与空气相近，易于和空气混合，具有减少漏风的作用、降温的作用、防止煤的自燃发热和自燃的作用、降低燃烧强度的作用，能迅速遏制火灾，注氮气灭火过程中不损坏井巷和设备，使灾后恢复工作简单，恢复工期短，且生产成本低（原料为大气中的氮气资源，氮气成本0.4元/m³左右），操作简单。氮气灭火需要的条件是封闭的环境，有氮气输送的管路，每小时5m³的水，目前工作面的实际情况满足以上条件。因此最终决定采取注氮灭火的方案。

5    氮气防灭火作用原理

注氮防灭火的实质是向采空区氧化带内或火区内注入一定流量的氮气，使其氧含量降到10%或3%以下，达到防火、灭火和抑制瓦斯爆炸的目的，其作用有：

  1） 消除瓦斯爆炸的危险。在煤矿当采空区一旦出现火灾，危害最大的是导致其内混合气体的爆炸。由混合气体爆炸三角形知，混合气体中氧含量低于12%时就有减小爆炸的可能性。但是，混合气体爆炸的界限不仅取决于这种气体在空气中所占的百分比，还部份地决定于混合气体的温度和气压。温度和气压的增高使这个界限扩大，反之缩小。如果混合气体被加热到300℃，氧含量为9%时就能发生爆炸。国内的研究表明，将氧气的临界含量控制在5%以下时几乎能防止任何爆炸，否则爆炸还有可能发生。而氧气的含量低于10%时混合气体的爆炸有显著的降低。正是从这一理论出发，向火区注入氮气后使其氧含量降低，而且只要氧含量低于10%时就能大大地减少爆炸的可能性。2） 减少漏风的作用。采空区漏风是造成自然发火的主要原因之一。对于封闭或半封闭的采空区而言，从理论上讲，注入氮气后增加了其注入空间内混合气体的总量，能够减少封闭区内外之间的压力差，从而起到减少封闭区外部向内部漏风的作用。如果巷道里的密闭墙有裂缝或密闭强有裂缝，当密闭区内为负压时，空气可以通过墙缝或绕过密闭墙而进入密闭区。为了防止密闭漏风，可向密闭前后墙之间的空间连续不断地注入必要流量的氮气，使该空间形成正压，阻止新鲜空气进入密闭区内。3）降温作用。对于有内因火灾的采空区来说，其温度大于外界温度。当采用氮气灭火时，无论是采用液氮，还是氮气，其氮气的温度均低于火区的气体温度，加之氮气在注入火区后的流动范围大，对采空区来说都有显的降温作用。4） 防止煤的自燃发热和自燃。煤炭自燃的三要素是：煤有自燃倾向性；有连续的供氧条件；热量易于积聚。煤矿生产工作面采空区氧化带内的漏入风量不足以带走煤氧化产生的热量，则煤温就逐渐升高，这时煤处于自燃发热。当温度达到煤的临界温度以上，氧化急聚加快，大量产生热量，又使煤温迅速升高，达到煤的着火温度时便着火燃烧起来，即进入自燃状态。基于此煤氧复合学说，采取向工作面采空区氧化带内注入一定流量的氮气，降低该带内的氧气含量，达到破坏煤炭自燃的一个要素，使其氧含量降到煤自燃临界值以下，就达到了防止煤自燃的目的。5） 降低燃烧强度。无论是外因火灾，还是内因火灾，当火灾已经发生，向火区内注入一定流量（大于漏风量）的氮气，使该区内的氧含量由21%逐渐降低到10%以下，熊熊大火就逐渐处于自熄。

6    方案的实施及效果

根据现场条件，决定采用煤炭科学研究总院重庆分院与温州瑞气空分设备有限公司合作共同研制开发的矿用地面移动式制氮设备（氮气纯度为98%，产气量为200—800m³/h）进行注氮灭火。经过几天的不连续操作，累计注入高浓度氮气约20万m³。

在注氮前后的过程中，进行了气样采样检测、CO传感器监测，经过资料分析对比，火情已被控制，达到了灭火的目的。

150109工作面走向长度237m，采长为83m，采高6m。6号钻场在150109的停采线附近，而停采线附近的浮煤堆积量比较多，加之150107回风顺槽闭墙和瓦斯尾巷闭墙封闭不严，6号钻场停泵后对150109形成负压，增加对停采线附近采空区的供氧量，有14号煤层的火源，有连续的供氧，就给150109的采空区浮煤提供了燃烧的条件。本次累计注入高浓度氮气20万m³，原因为没有合理布置氮气释放口，只有将氮气注入采空区的氧化带内，才能有效抑制氧化带煤炭的氧化自燃。另由于封闭条件不好，因此实际注入的氮气比预计多得多。

7    要从火灾事故分析原因，采取有效措施进行防治。

首先要调查了解火灾事故引发的原因，进一步分析与火灾的关系，然后提出行之有效的措施。煤在供氧量较足的情况下容易自燃，着火后要控制自燃环境，不要引发进一步的瓦斯燃烧或爆炸，最终达到慢慢自然灭火。

因此在井下采空后，一闭墙的施工质量要提高。二闭墙上要留设观测孔，以随时对采空区气样进行化验和分析。三对于松软和节理、裂隙比较发育的围岩，在设计临近瓦斯抽放钻孔时应进一步优化。四对类似此地质条件的矿井（主指邻近煤层间距近、岩层比较松软、瓦斯高、煤层容易自燃），在开采完毕之后，应采取有效措施，考虑填充采空区。从根本上杜绝此类事故的发生。

8    结束语

由于决策果断、采取措施得力有效，使工作面的这次火灾事故得到有效控制，挽回直接经济损失300 万元。也为今后山西高瓦斯矿井、重点瓦斯工作面的管理和内因火灾的防治，积累了一点成功经验。

参考文献：

1．张国枢.通风安全学[M].徐州.中国矿业大学出版社.2004.

2．王省身，张国枢.中国煤炭防治技术发展与展望[J].火灾科学，1994,3(2).

3. 王省身，张国枢.矿井火灾防治[M]. 徐州.中国矿业大学出版社.1990，20~27.