柴里煤礦注氮解放2311火區(qū)的實踐

1　工作面火災概況

　　2311綜放工作面是231采區(qū)首采工作面，位于二水平東翼最北端，四周多為未開采的實體煤，煤層自然發(fā)火期為46d。采用綜放工藝開采山西組3_上煤層，煤層厚5m，煤層傾角3～8°，工作面長135.5m，可推采長度768m。
　　2311工作面于1997年6月9日正式貫通，其通風系統(tǒng)見圖1。9月2日上午，在工作面開切眼13^＃架頂板處發(fā)現(xiàn)明火。

圖1　2311綜放工作面通風系統(tǒng)

　　其發(fā)火原因如下：
　　(1)該工作面自貫通至發(fā)火時已近3個月。超過了自然發(fā)火期，具備發(fā)火條件。
　　(2)開切眼掘進貫通期間曾發(fā)生大范圍冒頂，冒高4～5m。冒頂長度40m，煤體破碎，使煤體具有良好的氧化條件。
　　(3)支架安裝過程中煤體積熱不易散發(fā)，形成了屏蔽層，自燃表面不易被發(fā)現(xiàn)。
　　為避免工作面出現(xiàn)火災采取了以下措施：
　　(1)由救護隊員現(xiàn)場監(jiān)護，用水槍直接滅火。
　　(2)打鉆注水降溫，同時對6^＃～16^＃架間打鉆探溫，發(fā)現(xiàn)高溫點及時注水。
　　(3)在工作面前，開出了3個鉆機窩，利用鉆機窩向著火點打鉆注水、注凝膠。共打鉆孔100個，其中注凝膠30m³。
　　雖然采取了以上措施，但火勢沒有得到有效控制，火點從13^＃架一直蔓延到21^＃架，CO氣體已逆風流擴散到45^＃架，回風流中CO濃度達到5000×10^－6，并有中等煙霧。隨著火勢的繼續(xù)蔓延，至9月17日，已不能直接滅火，決定采取封閉滅火。經(jīng)過調(diào)整通風系統(tǒng)(圖2)，對2311材料道、運輸機道進行密閉。

圖2　2311火區(qū)通風系統(tǒng)

2　注氮滅火

2.1　注氮滅火機理
　　氮氣是一種無色、無味、無毒的氣體，在正常干燥大氣中N₂含有量大于79.04%，O₂為20.93%，CO₂為0.03%。在標準狀況下，N₂密度為1.2505kg/m³，與同體積空氣質(zhì)量比為0.9673。在常溫常壓下，由于N₂分子結構穩(wěn)定，其化學性質(zhì)穩(wěn)定，N₂很難與其它物質(zhì)發(fā)生化學反應，所以是一種良好的滅火用惰性氣體。
　　煤的氧化自燃是一個復雜的化學過程。當其氧化速度加快到使氧化生成的熱量不能及時散發(fā)而聚集達到一定溫度時，就導致了自燃。煤的自燃速率主要取決于煤的溫度和它所處的環(huán)境空氣中的氧含量，且與兩者成正比。在同一溫度下，煤周圍空氣中氧含量越低，氧化自燃速度越緩慢，當氧含量降到5%～10%時，煤的氧化自燃過程趨于窒息或停止狀態(tài)；而氧含量降到3%以下時，則可抑制煤炭、木材等可燃物的陰燃或復燃。
　　向井下火災區(qū)域注入N₂，減少火區(qū)氧含量，使煤的氧化自燃速度減慢，促使煤的氧化自燃向逆向發(fā)展，直至其氧化過程終止，最終達到治理火災的目的。

2.2　注氮滅火條件
　　(1)柴里礦現(xiàn)有兩臺深冷空分設備，制氮量為1200m³／h，2311綜放工作面注氮防火系統(tǒng)已形成，為注氮滅火提供了氮氣來源。
　　(2)柴里礦已有2年多的注氮防火經(jīng)驗，在綜放開采時研究成功了“旁路式”注氮防火，在分層開采時研究成功了“隔離式”注氮防火新工藝。
　　(3)從圖2可以看出，2311綜放工作面封閉空間小，周圍為實體煤，漏風通道少，易于調(diào)壓管理，可以使N₂能有效地惰化火區(qū)。

2.3　注氮滅火工藝
2.3.1　注氮口位置的選擇
　　2311火區(qū)臨時封閉后，前期只能在材料道原敷設的φ108mm×4.5mm鋼管上實施連續(xù)式注氮，注氮流量為400m³/h。但經(jīng)3d連續(xù)注氮，效果較差，對火區(qū)沒有起到抑制作用，主要有以下幾個方面的原因。
　　(1)為確保運輸機道施工人員的安全，調(diào)整后的通風壓力運輸機道高于材料道，在負壓側注氮，直接漏掉一部分N₂氣體。
　　(2)注氮量偏小。
　　(3)注氮口設置在材料道密閉處，處于火區(qū)回風側，距火源點遠。
　　為此，在運輸機道重新敷設φ108mm×4.5mm鋼管，出氮口在運輸機道密閉內(nèi)3m處，實施連續(xù)式注氮，同時停止材料道注氮。

2.3.2　注氮量的選擇
　　(1)初期注氮量。為迅速抑制該火區(qū)，并盡快進入窒息狀態(tài)，初期將礦制氮廠生產(chǎn)的全部N₂量1200m³/h注入該火區(qū)，經(jīng)65h后注氮量達65000m³，對2311材料道、運輸機道密閉內(nèi)氣體進行取樣分析(結果見表1)，說明火區(qū)已進入窒息階段。

表1　取樣分析各氣體濃度

地點 O₂濃度
／％ CO₂濃
度／％ CH₄濃
度／％ N₂濃
度／％ CO濃度
／×10^－6 2311材料道 2.93 3.99 0.32 92.72 151 2311運輸機道 2.81 3.9 0.19 92.82 63 　　(2)維持注氮量。為節(jié)省氮氣，維持注氮量按稍大于火區(qū)漏風量來確定。經(jīng)測定火區(qū)漏風量后，確定維持注氮量為650m³/h。至啟封2d前停止向封閉區(qū)注氮，注入N₂量265000m³。累計向火區(qū)注入N₂氣體330000m³。

2.4　注氮效果
　　為觀測火區(qū)注氮效果，在火區(qū)回風側2311材料道密閉內(nèi)設置了測點，利用ASZ-Ⅱ型自動監(jiān)測裝置進行氣體連續(xù)取樣分析。另設人工測點，在2311滅火巷鉆孔內(nèi)、2311運輸機道密閉內(nèi)隨時取樣分析。初期注氮期間，火區(qū)內(nèi)CO、O₂濃度呈迅速降低趨勢，N₂濃度迅速提高。火區(qū)進入窒息狀態(tài)后，CO濃度呈緩慢下降趨勢，N₂、O₂濃度基本保持不變，見圖3。

圖3　2311火區(qū)材料道測點氣體變化曲線

2.5　配套措施
　　(1)均壓。考慮到施工人員的安全，要求空氣壓力運輸機道側高于材料道側。實施均壓通風，使封閉區(qū)兩端壓差為30～50Pa，適當控制漏風量，確保注入N₂持續(xù)充滿整個封閉空間，氧含量降低到3%以下。
　　(2)注凝膠。凝膠是由基料、促凝劑和水按一定比例混合而成乳狀膠體，膠體內(nèi)充滿著大量的水，既能起到封堵防漏風作用，也可降低煤體溫度。
　　(3)注水。通過滅火巷向高溫區(qū)注水降溫，火區(qū)啟封后，人工灑水降溫，在8^＃～45^＃架間注水降溫。

3　火區(qū)啟封

　　當注入氮氣504h時，封閉區(qū)內(nèi)各種氣體成分相對穩(wěn)定，O₂＜3%，CO＜10×10^－6。停止向封閉區(qū)注氮后，由于漏風的原因，封閉區(qū)內(nèi)N₂、O₂恢復正常，而CO并未增加，說明火已熄火，具備了啟封條件。啟封前，由救護隊員在火區(qū)回風側進行探測，證實火區(qū)內(nèi)沒有著火現(xiàn)象，CO氣體濃度穩(wěn)定在10×10^－6以下，且有下降趨勢。因此，該火區(qū)于10月22日順利啟封，取得了預期效果。
　　總而言之，①N₂具有擴散半徑大，惰化覆蓋面廣，能快速使火區(qū)缺氧窒息的特點，其惰化效果取決于注氮量、N₂純度及火災區(qū)漏風量的大小。②注氮方式、注氮口位置對惰化效果影響極大。③封堵防漏風是應用注氮滅火方法能否成功的關鍵，其它輔助措施也是不可忽視的。

作者簡介：1965年生，助理工程師，1984年畢業(yè)于山東煤炭工業(yè)學校，曾在柴里煤礦從事防滅火等技術工作，現(xiàn)在棗莊礦業(yè)(集團)有限責任公司科技處采礦研究室工作。地址：山東省棗莊市，郵碼：277101。作者單位：棗莊礦業(yè)(集團)有限責任公司