惰性气体在治理高瓦斯综放工作面火灾中的应用

章才光,郭 建

(1. 大同煤矿集团 铁峰煤业有限公司,山西 右玉 037003;2. 辽宁工程技术大学 安全科学与工程学院,辽宁 阜新 123000)

1 综放面火灾概况

铁峰煤矿现开采3#煤层,采取南北两翼开采,各翼生产系统和通风系统相对独立。煤层自燃倾向性等级为Ⅲ级,属不易自燃煤层。煤层瓦斯涌出量大。铁峰煤矿N1203综放工作面长300 m,走向长1.8 km,煤厚6 m,采用放顶煤机械化采煤方法,放顶高3.2 m。顶板管理采用垮落式落顶方法。2011年6月22日8时,铁峰煤矿N1203综放工作面发生大面积火灾。

2 综放面火灾原因分析

1)火灾是由于截煤机切割断层带岩石时产生的摩擦火花引起瓦斯燃烧,界定为外因火灾。外因火灾发生发展迅速突然,情况多变,涉及影响区域大。

2)火灾发生地点位于综放工作面和胶带顺槽交叉口内部55 m处,此处存在大量可燃物瓦斯,加之综放工作面氧气量充足,在综放工作面上方形成瓦斯-空气预混气,由此导致摩擦火花引燃瓦斯-空气预混气,界定为富氧富燃料预混燃烧。而富燃料不会自行熄灭,因此需对火区进行惰化阻燃,采取封闭措施。

3 惰性气体的惰化阻燃性能

1)氧含量。目前国内制氮机产出的N2最大含氧量为3%,而此次灭火使用的液态CO2含氧量为0,液态CO2对惰化防火十分有利。

2)吸附性。煤作为吸附剂,CO2、N2作为吸附质。实验表明煤对CO2的吸附量为48 L/kg,对N2的吸附量为8 L/kg。煤在吸附过程中,把吸附热传导至惰性气体,遏制火灾的连锁反应,提高惰化阻燃效果,CO2的惰化阻燃效果良好。

3)临界氧浓度。据测定,火区内N2惰化对应的阻燃临界氧浓度9.5%,阻爆临界氧浓度11.5%;火区内CO2惰化对应的阻燃临界氧浓度12.0%,阻爆临界氧浓度14.6%。CO2的阻燃阻爆效果良好。

4)火区惰化覆盖率。N2的相对密度为0.98,比空气轻,注入到N1203综放工作面容易向上方裂隙扩散,使N2惰化效果受到影响。CO2的相对密度为1.53,比空气重,而灭火的重点防范区域位于底部,CO2注入到N1203综放工作面后其覆盖率高,阻燃阻爆效果良好。

4 惰性气体灭火工程

4.1 井下密闭

在北翼区南端西侧通往南翼生产区的通道上布设四处防火墙,切断火区与南翼之间的联系,防止火灾蔓延造成更大规模的损失,保证了南翼正常安全生产。在北翼进风井和回风井布设两处防火墙,密闭火区。

4.2 地面钻孔

采用凝胶技术,通过钻孔对井下N1203发火工作面就近进行封闭。在地面对应于井下N1203综放面火区上方共布置了8个钻孔,如图1所示,其中6#孔考虑其井下终孔位置附近就有密闭墙,故取消该孔。实际成孔数为7个,其中3#、4#、7#、8#孔为凝胶封闭孔,1#、5#孔为液态CO2注入孔,2#孔作为取气样孔测定气体浓度与温度,孔径为212 mm,孔深为530 m左右,成孔后下套管,管径为193 mm。

图1 N1203发火工作面钻孔布置图Fig.1 Layout of boreholes on N1203 combustion working face

4.3 惰性气体灌注

采用液态CO2地面灌注防灭火装备系统,将液态CO2转换成气体,然后经管道输送灌注于火区。地面气化的气态CO2注入北翼进风井,惰化整个北翼封闭区,注入情况见表1。

表1 惰性气体灌注情况统计表Table 1 Inert gases injection

5 灭火效果分析

在北回风井防爆盖内设置的火灾气体监测点的监测数据反映了火区的真实情况,最具代表性。地面2#钻孔的终孔地点位于N1203综放面与该面胶带运输巷的交叉处,能够真实地反应N1203综放面火灾气体的变化规律。以北回风井防爆盖内数据与2#钻孔的数据作为依据分析灭火效果。

5.1 北回风井防爆盖内监测数据分析

对北回风井防爆盖内的气体进行监测。北回风井防爆盖内O2浓度降低迅速,7月9日已降至0.5%,降幅大，惰化效果良好,而随后O2浓度反弹上升是由于停注惰性气体使北回风井防爆盖内惰性气体不足,北进风井漏风导致O2浓度上升。CO2浓度变化呈急剧上升态势,7月9日已由初始浓度10.5%上升至38.6%,惰化效果好。6月27日CO浓度由1%急剧下降至0.256‰,火区内已转入窒息灭火状态,随后CO浓度持续下降。由此可见惰性气体充分控制了火区火灾发展,具有良好的惰化灭火效果。

5.2 2#钻孔监测数据分析

对地面2#钻孔进行监测。7月10日检测2#钻孔内O2浓度最高为2.1%,满足《煤矿安全规程》第二百七十九条要求。CO2浓度保持在39%～43%,CO浓度持续下降,惰化情况良好。而2#钻孔所测火区气温为27 ℃,比井下远离火区防火墙外的温度高,说明火区内处在阴燃阶段。

6 结束语

对铁峰煤矿N1203综放面火灾现场应用情况的分析表明:

1)惰性气体注入火区后可降低O2含量,抑制燃烧,使火灾因缺氧窒息而熄灭,并成功在铁峰煤矿实践,处理了其N1203综放面火灾。

2)将惰性气体用于矿井防灭火中,节约经费,运输方便,灭火效果好,恢复生产快。