保障工作面安全生产应急防灭火成套技术在矿产资源开发利用中的应用

（华亭煤电股份有限责任公司，甘肃 华亭 744100）

目前我国矿井每年都要因为自然发火封闭很多工作面，给矿井造成了很大的损失。被迫封闭工作面的主要原因并不是这些矿井不注重防灭火，而是有些地质条件不可预测，意外的发生了工作面推进度太慢，其对防火的要求短时间超出了矿井的防灭火能力，而矿井短时间又不能增加防灭火能力，因而只有被迫封闭工作面[1]。怎样在短时间大幅增加矿井的防灭火能力，华亭矿井给出了答案。

1 建立应急防灭火系统的必要性

华亭矿井250102-2工作面在开采时存极易自然发火因素，其因素为：①工作面开采资源为Ⅰ类自然发火资源，其最短发火期仅17d；②综采放顶开采，采空区浮尘较多，而且呈立体分布，不利于注黄泥浆和阻化剂防火；③采空区大量抽瓦斯，增加了采空区的漏风；④上分层均为小矿柱开采，工作面后方的采空区已经连成了一片，增加了防火注氮流量；⑤工作面前方上分层采空区受采动影响，漏风后浮尘提前氧化，易从支架上方掉下高温浮尘；⑥工作面断层较多、矿压较大，推进度不可预测，当推进度特别慢时。易自然发火。综上所述，巨厚矿层综采放顶下分层开采时不仅有本分层的自然发火因素，还存在上分层的自然发火因素，为了保障工作面防灭火万无一失，矿井不仅有常规的防火装备，而且有必要设置应急防灭火系统。

2 应急防灭火系统功能

2.1 应急防灭火系统组成及防灭火工艺

华亭矿井应急防灭火系统的组成为：惰气耦合高强度防灭火装备；地面和井下黄泥灌浆管路和压风管路；井下移动式制氮机及注氮管。

当二分层采空区CO气体浓度达到500ppm时，或出乙稀气体时，立即启动应急防灭火系统。应急防灭火的工艺为：矿井将35t液氮或液体二氧化碳大槽车拉到地面黄泥灌浆站附近，与地面惰气耦合高强度防灭火装置连接，大流量液氮经装置汽化后通过黄泥灌浆管路和压风管路并连输往井下二分层采空区防灭火。

2.2 应急防灭火系统功能

2.2.1 迅速增加工作面防灭火惰气流量

矿井制氮机能力按工作面防火设计，没有富余系数，如果工作面发生资源剧烈氧化、自然发火或瓦斯燃烧时，则注入的氮气流量应比防火大数倍，但短时间矿井不可能增加数倍流量的氮气量，这就使得采空区浮尘剧烈氧化处理时间长，甚至导致工作面封闭[2]。为此，本项目引进“惰气耦合高强度防灭火装备”，使用该装备，将某化工厂生产的液氮大流量汽化，可在1天之内使矿井注惰气流量增加2000m3/h～8000m3/h，迅速防灭火。

2.2.2 抑制瓦斯爆炸

矿井二分层工作面为高瓦斯工作面，当高瓦斯工作面出现瓦斯燃烧或自然发火，在封闭工作面时，爆燃的危险性非常大，目前国内外矿井只能凭运气，不能完全保证制止瓦斯爆炸。例如：①宁夏某矿，工作面自然发火，在封闭工作面时发生了20几次瓦斯爆炸，几个救护队员受伤，最后只得采取封闭全矿井的被动措施，半年后才恢复生产；②吉林某矿，在封闭自然发火的采空区时，瓦斯爆炸，牺牲了数十位工人，最后只得用引河水淹全部井下；③甘肃某矿，工作面自然发火，封闭时连续发生瓦斯爆炸，几人受伤，最后只得封闭全矿井。这样的事例数不胜数，救护队称封闭高瓦斯发火的工作面为过鬼门关。如果启动应急防灭火系统，可先封闭进风巷道，从进风密闭向火区注入8000m3/h以上的大流量氮气或二氧化碳，在1～2天之内将氧浓度降到12%以下，惰化火区，然后再封闭回风密闭，从而保障救护队员的生命安全，从容封闭火区。

2.2.3 降低注惰气温度

使用应急防灭火系统，使用该装备可按防灭火需要，将氮气温度降低20℃，向采空区注入0℃以下的低温惰气，降低浮煤的聚热环境，从而抑制浮尘从剧烈氧化发展为自燃。

2.2.4 增加惰气比重

空气的密度1.29kg/m3，二氧化碳密度为1.97kg/m3，二氧化碳的重量是空气重量的1.52倍，如果我们在氮气中掺入一定比例的二氧化碳，使氮气的比重比空气重，形成耦合惰气，将其注入采空后流速降低，漏失较小，可以大幅提高注氮防灭火的效果。应急防灭火系统可实现二氧化碳与氮气耦合，将惰气比重提高到大于空气比重。

2.2.5 增加惰气纯度

氮气的纯度一般为97%～98%，系统产生的氮气或二氧化碳的纯度可达到99.99%，注入采空区后具有更好的降氧效果。

氮气的纯度对采空区降氧起到关键作用，虽然制氮机生产的氮气纯度大于97%就能送到井下采空区防火，这个纯度与液氮的纯度也只相差2.99个百分点，但其降氧作用却相差太大，根据“氮气防灭火规范”中的采空区防火注氮流量计算公式计算，当氮气纯度为98%时，防火注氮流量为2000m3/h，当氮气纯度为99.99%时，防火流氮流量仅为1400m3/h，相当于纯度为98%的氮气防火流量的70%。因此纯度为99.99%液氮汽化氮气比制氮机氮气在采空区的降氧效果要提高30%左右。

2.2.6 提高惰气泡沫压力

氮气泡沫由于压力低，因而发泡效果差，应急防灭火系统可提高惰气压力，使惰气泡沫流量大，发泡效果好。

2.2.7 增加采空区注氮地点

使用应急防灭火系统可迅速增加采空区数倍注氮流量，但由于采空区原有埋管直径偏小，不能有效地将大流量氮气或二氧化碳注入采空区，因此本系统还配制了向采空区打钻的大直径钻杆和钻头，可向工作面下隅角以里打入2根30m长的注氮钻杆，通过大直径钻杆直接注氮气[3]。

2.2.8 成本低

任何防灭火系统，如果投资高，则其推广性就差。华亭某矿应急防灭火系统采用“惰气耦合高强度防灭火装置”作为主要装备，仅花了60余万元的投资，利用现有管路，就形成了能增加8000m3/h流量惰气的防灭火应急系统。

3 应用实例

华亭矿井250102-2工作面推进到850m时，工作面遇断层推进度很慢，仅30/月左右，在工作面前方30m的回顺上分层监测钻孔束管测到CO气体为80ppm，随后几天CO气体快速上升，仅3天时间就上升到420ppp，温度由平时的27℃上升到35℃，经分析，由于工作面推进度很慢，加上工作面矿压较大，上分层采空区漏风后浮尘长期氧化，导致上分层采空区出现高浓度CO和较高温度的浮尘[4]。为了抑制上分层采空区浮尘的剧烈氧化，矿井启动了应急防灭火系统。由于上分层采空区漏风较大，决定向采空区注高比重、高纯度、低温、较大流量耦合惰气防灭火，其方法如图2所示：①在工作面前方进风顺槽向上分层采空区打钻孔2个，钻孔间距10m，以打透到采空区为准，钻孔下ф108mm套管到孔底，用马利散快速封孔。②厂家将35t二氧化碳大槽车拉到地面黄泥灌浆站附近，与地面“惰气耦合高强度防灭火装置”连接，液态二氧化碳经装置汽化后通过黄泥灌浆管路输往井下，与井下制氮机生产的氮气在注氮管内耦合后输往上分层采空区钻孔，通过钻孔向上分层采空区连续注耦合惰气，一直注到上分层采空区内CO气体浓度正常为止。③工作面风流为1500m3/min，经计算，抑制上分层高温浮尘的剧烈氧化需注耦合惰气3000m3/h，为此，按照耦合惰气中氮气与二氧化碳3:1的比例，由井下制氮机提供2000m3/h流量氮气，地面“惰气耦合高强度防灭火装置”提供1000 m3/h流量的汽化后的二氧化碳气体（1.8t/h液体二氧化碳）。二种气体在井下管路中耦合后形成3000m3/h的耦合气体注入上分层采空区。

向上分层采空区连续注入6天耦合惰气，共计注入360000m3耦合惰气，将上分层采空区CO气体由420ppm降到0ppm，温度由35℃降到27℃，然后停止注耦合氮气。工作面一直到推过这段上分层浮尘剧烈氧化区，上分层采空区CO气体始终为0。

4 结论

（1）华亭矿井250102-2工作面放顶分层开采Ⅰ类易燃巨厚矿层，存在极易自然发火因素，有必要建立应急防灭火系统。

（2）应急防灭火系统由“惰气耦合防灭火装置”、黄泥灌浆管路、压风管路和厂家临时运来的液氮或液体二氧化碳槽车组成。

（3）应急防灭火系统的主要功能为：可在一天之内为矿井增加2000m3/h～8000m3/h的氮气或二氧化碳或耦合惰气。增加的氮气具有低温、高纯度的特点，增加的二氧化碳和耦合惰气具有高比重、低温、高纯度的特点。

（4）利用矿井应急防灭火系统向工作面上分层采空区注入3000m3/h的耦合惰气，将CO气体浓度由420ppm降为0，保障了工作面的安全推进。