封闭火区评价方法探讨

袁树杰

（1. 煤矿安全高效开采省部共建教育部重点实验室，安徽 淮南 232001；2.

安徽理工大学能源与安全学院，安徽 淮南 232001）

摘 要： 讨论了确定封闭火区中煤温的指标以及用火灾特征曲线分析火灾发展趋势的方法 ，提出用“火灾特征曲线”对封闭火区中火灾的发展趋势作出总的分析，在此基础上再根据 其他火灾指标进一步确定火灾状况的思路。

关键词：矿井火灾；封闭火区；火灾评价

Discussion on Methods of Sealed Fire Assessment YUAN Shu-jie1,2

(1. The Key Laboratory of Safe and Efficient Exploitation in Coal Mining of Mini s try of Education, Huainan Anhui, 232001, China; 2. School of Energy and Safety, Anhui University of Science and Technology, Huainan Anhui 232001, China)

Abstract: In the paper methods of coal temperature determination in sealed areas and assessment of sealed fire states by so-called “fire characteristic” wer e discussed. Its suggested, that on the basis of general analysis of sealed fire development trends by fire characteristic, other fire indexes can be used to fu rther assess fire states.

Key words: underground fires; sealed fire areas; fire assess ment

矿井火灾是煤矿的主要灾害之一。我国50%以上的矿井煤层具有自燃倾向性，90%以上的火灾 是由于煤炭自燃发火引起的。自燃发火点常常是隐蔽性的，不能确定确切位置。国内 、外在处理自燃发火时，常常采用封闭法灭火。火点封闭后，会形成一个火区，在火区中常 常 会占压大量的煤炭资源，有时机械设备也会被封在火区中，造成煤炭企业的生产能力下降， 给煤炭企业带来严重的经济损失。火区形成后，需要对火区中的火灾发展状况进行评价，从 而了解各种灭火措施的效果，防止火灾的扩大和不必要的经济损失；对火区状况进行评价的 第二个目的是为了解火是否熄灭，以便能够及时注销或打开火区。

我国煤矿火灾十分突出。随着综采放顶煤开采技术的发展，采空区自燃发火问题越来 越严重，封闭火区的数量不断增加。因此，对封闭火区评价的研究具有重大的现实意义和经 济意义。

1 封闭火区评价存在的问题

目前，国内、外在评价封闭火区方面，主要是采用气体分析法。根据从密闭墙后定期取气样 分析火区中气体成分的变化来判断火区状况。文献［1］规定，封闭火区只有同时具备下列条件时，方可认为火已熄灭：①火区内的空气温度 下降到30 ℃以下，或与火灾发生前该区的日常空气温度相同；②火区内空气中 的氧气浓度降到5.0%以下；③火区内空气中不含有乙烯、乙炔，一氧化碳浓度在封闭期间内 逐渐下降，并稳定在0.001%以下；④火区的出水温度低于25 ℃，或与火灾发生 前该区的日常出水温度相同；⑤上述四项指标持续稳定的时间在1个月以上。波兰采 矿规程中没有规 定火区打开的条件，每次打开火区前都经专家组论证，确定是否打开火区。不论中国《煤矿 安全规程》给出的评价方法，还是波兰采矿规程给出的方法，都不能确切地评价封闭火区是 否熄灭。在打开火区时，都是以救护行动的方式进行，随时准备重新封闭火区。有时还会发 生火区的复燃或火灾气体爆炸。因为火区是煤构成的非均质体，由密闭墙后取的气样并不能 完全代表火点的真实情况，它是在时间上的一个平均值，而非最大值。还由于采矿、地质条 件的影响，火区中的气体成份会发生改变。比如，向火区中注氮，密闭区均压、调压，漏风 ，从煤岩中涌出甲烷、二氧化碳等，这种改变并不能代表火点状况的发展变化。所以关于封 闭火区的评价问题，目前还没有完全解决。

封闭火区熄灭标准的确定对于安全启封火区、恢复通风是非常重要的。 火的熄灭取决于氧气浓度和煤温。这两个参数的变化在时间上不是一致的。

2 火区状况评价方法研究ザ曰鹎状况的评价包括三个方面的内容：①火是在发展还是在减弱；②火区中的气 体是否具有爆炸性；③火是否熄灭。其中，对火是否熄灭进行评价是比较困难的。决定 煤火是否熄灭的条件有两个：封闭区中氧气的浓度；火源点处煤的温度。

评价火区状况的难点是火源点煤温的确定。由于火源点的隐蔽性，往往不能确切知道火 源点的位置，因此很难直接测量火源点煤温的绝对值。

对火区状况的分析和评价不正确有可能导致对火区状况的错误评价：

(1) 封闭火区不能排除空气流入火区，空气流经火源会使自热停止或继续；

(2) 由于一氧化碳会吸附在焦炭上，不能仅仅因为一氧化碳浓度降到0，就笼统地说火熄灭 了；

(3) 火区均压使空气不能通过密闭墙，封闭区中少量的一氧化碳也有可能长期存在。一 氧化碳也有可能是其他有机物低温氧化的产物，而不仅仅是煤炭燃烧形成的；

(4) 在密闭墙不严实的情况下，氧浓度有可能随着CO、CH4、H2等的增加而增加。当封 闭区位于大的地质构造带、裂隙、断层等附近，特别是位于煤层之间或接近地表的采空区附 近，封闭区中的氧浓度很难下降；

(5) 从地层中涌出的甲烷或向火区注氮都会改变火灾气体的组分，从而影响从密闭 墙后取的气样对火区状况作出正确评价；

(6) 由于不知道封闭区中温度的分布情况，很难估算火源点的温度。如果温度不下降， 尽管封闭区中氧浓度很低，闷燃也会发生。当封闭区打开时，就会引起复燃。

因此，根据单一火灾指标，不管是单一指标的瞬时值，还是其值随时间的变化，都不能对火 区状况作出正确评价。可以通过分析火灾气体成分随时间的变化趋势及气体成份 之间的相互关系，来排除采矿地质因素对火区状况评价的影响。

波兰目前是世界煤矿安全技术先进国家，其采矿规程［2］中规定用三个指标来评价 封闭火区中煤的温度。

玏P1=[SX(]φ(CO)[]φ(H2)[SX)][JY](1)

玏P2=[SX(]φ(C2H4)+φ(C3H6)[]φ(H2)[SX)][JY](2)

玏P3=[SX(]φ(C2H4)+φ(C3H6)[]φ(C2H2)[SX)][JY](3)

从火区中取样分析上述气体的含量，用式(1)～式(3)计算玏P1 、WP2和WP3的值。从同一封闭火区中取煤样在实验室条件下加热氧化煤样，加热 温度从35

℃到350 ℃。在加热过程中取气样分析，得出上述气体在不同温度 下的浓度，用式(1)～式(3)计算不同煤温下玏P1、WP2和WP3的值。比较实测计算值和实 验室标准实验计算值，得出封闭火区中煤的温度(见图1)。

玹/℃

图1 玏P1、WP2、WP3指标值与煤温之间的关系标准曲线

从图1中可以看出，对于煤炭自燃处于初期发展阶段的封闭火区，如果能准确测定 封闭区中的气样成份，可以得出煤温变化的大概情况。对于发展程度较高的火灾，煤温很高 ，单凭上述指标曲线就很难确定煤温，因为玏P1、WP2、WP3的值不是随着煤温的升高单 调增 加的，到一定的温度值以后，它们的值会随煤温的升高而降低。在火灾减弱，温度降低时， 玏P1、WP2、WP3的值也会随之降低，在不能确切知道火灾发展趋势的时候，就很难 确定 煤温是升高了，还是降低了。必须结合其他方法，在确定了火灾的发展趋势以后，才能用上 述指标来确定煤温的变化情况。

文献［3］提出，用“火灾特征曲线”法分析封闭火区中火灾的发展趋势。封 闭区中的煤炭自热或自燃是一个缓慢的，连续的氧化过程，火的熄灭也是一个连续过程； 封 闭区中火灾气体成分的突然变化，不能作为评价火区状况的基础。可以用时间序列分析 法，研究气体成分在一段时间内的变化，来分析火区状况。为了避免采矿地质因素引起的火 灾气体成分的变化或个别气样分析错误，采用“三期移动平均”法来分析火灾气体随时间的 变化趋势，用“火灾特征曲线”对火灾的发展趋势作出总的分析。

火灾特征曲线就是在同一 张图上用曲线来描述火灾气体组分（氧，氮，二氧化碳，一氧化碳和碳氢化合物）在时间上 的变化趋势。封闭火区中各种气体成分在观测期间的变化趋势可以给出有用的信息。

(1) 封闭火区中氧浓度的变化趋势 如果在封闭区中煤发生了氧化，氧的浓度会下降。氧 浓度的下降速度取决于氧化的强度。氧化强度越大，氧浓度的下降速度越快。在煤自热 或自燃时，氧浓度连续下降，其变化过程可以用从火区封闭后算起的时间的指数函数来描述 。如果有瓦斯或煤尘爆炸发生，封闭区中的氧浓度会急剧下降。如果没有发生自热、自燃或 爆炸，氧浓度的变化过程是单调的。如果火趋向熄灭，氧浓度会增加或稳定在某一确定值。 当甲烷等气体从岩层涌出到封闭区中，氧浓度下降。

(2) 一氧化碳浓度的变化趋势 一氧化碳是主要的火灾指标气体。当煤氧化时，封闭区中 一氧化碳浓度的增加速度比其它气体产物大得多，一氧化碳浓度增加，说明煤发生了燃烧或 低温氧化。与二氧化碳不同，一氧化碳只来自于煤或其它有机质的燃烧或低温氧化，一氧化 碳在空气中燃烧的下限浓度为12.5%，除了火以外，几乎不受其他因素的影响而变化。一般 地说，在火熄灭后，一氧化碳浓度会缓慢下降。在某些情况下，封闭区中火熄灭后，一氧化 碳浓度可以保持很长的时间，这可能造成对火区状况的错误评价。

(3) 二氧化碳浓度的变化趋势 二氧化碳是煤燃烧期间主要的气体产物。二氧化碳的生成 量 比其它气体产物多。火灾时，随着氧浓度的降低，二氧化碳浓度以相同的或更高的速度增加 ；反之，如果封闭区中二氧化碳浓度降低，氧浓度将增加。如果氧浓度缓慢均匀地下降，火 灾的发展强度不大；而根据二氧化碳浓度增加速度小，不能说火灾的发展强度小。在煤矿中 ，二氧化碳有可能来自于岩层或碳酸盐与酸性水的反应。二氧化碳可以吸附在焦炭或火灾生 成的碳黑上，也可以溶于水。

(4) 氮气浓度的变化趋势 如果在封闭区中没有发生自热过程，氮气浓度的变化趋势与氧浓 度的变化趋势相同。当有煤的自热发生，氮气浓度的变化趋势与氧浓度的变化趋势相反，氮 气浓度增加，氧气浓度下降；当出现明火时，氮气浓度保持在一稳定值或缓慢下降，而氧浓 度下降很快；当有爆炸发生，氮气基本保持其在正常空气中浓度值，而氧浓度急剧下降。

(5) 氢气和碳氢化合物浓度的变化趋势 氢气（H2）、乙烯（C2H4）、丙烯（ C3 H6），有时乙炔（C2H2）或丁烯（C4H8）随着煤温的升高，按顺序依次放出。在 气样中依次检测到氢气，乙烯，丙烯和乙炔是自热发展的征兆；而当自热减弱时，上述气体 依相反的次序消失。

火灾指标随时间的变化趋势比火灾指标的瞬时值，能提供更好的信息来了解封闭区中火 灾的发展过程。根据火灾特征曲线对火灾的发展作出总的分析，在此基础上才能进一步 分析复合火灾指标的变化过程。

如某煤矿44号采煤工作面由于煤炭自燃被封闭。火区封闭后，对密闭墙进行了均压。 从1998年2月21日至1998年4月22日，从密闭墙后采取气样。本文选择从密闭墙T-3后 采取的气样进行分析(见图2）。

玹/d

图2 火灾特征曲线

对从密闭墙T-3后采取气样分析得出的火灾特征曲线进行总的分析，得出：

(1) 在整个观测期间，封闭区中没有发生空气动力学现象；

(2) 从第1天至第13天，氧浓度和氮浓度的变化趋势是相似的，并且趋势线相互平行。 氧浓度几乎不下降，而氮浓度不增加。甲烷浓度增加，二氧化碳和一氧化碳浓度下降。这表 明，密封后的最初13天，煤炭自热减弱。

从第13天至第60天，氧浓度的变化趋势与氮浓度的变化趋势相反，氧浓度降低，而氮 浓度增加；甲烷，二氧化碳和一氧化碳浓度增加。从第16天起，一氧化碳浓度降低，第20天 后趋于0。这说明，从第13天到第16天，发生了重新自热。从第16天起，自热趋向消失。在 上述分析的基础上，可以用玏P1、WP2、WP3指标值来确定煤温的变化趋势或用其他指标 进一步分析火灾的发展状况。

3 结论

（1） 封闭区中火灾气体成分的突然变化，不能作为评价火区状况的基础。

（2） 不能根据单一火灾指标，不管是它的瞬时值，还是其随时间的变化趋势，来评价 火区状况。

（3） 在评价火区状况时，可以通过分析火灾气体组分随时间的变化趋势以及它们之间 的相互关系来排除采矿地质因素的干扰。

（4） 可以用“火灾特征曲线”对封闭火区中火灾的发展趋势作出总的分析，在此基础 上再根据其他火灾指标进一步确定火灾状况。

参考文献：

［1］ 国家安全生产监督管理局，国家煤矿安全监察局.煤矿安全规程［M］．北 京：煤炭工业出版社，2006：137.

［2］ WIESLAW SMALCERZ.Zbiór przepisów dla podzi-

emnych zakt'adó w górniczych［M］.Karbon

Sp. z o.o., Katowice, Poland：505-506.

［3］ YUAN SHUJIE.Selection and Estimation of Sealed-off Fire Sta te Indic ation Methods［D］. AGH University of Science and Technology in Cracow,Poland,20 04.

(责任编辑：何学华)第4期