柴裏煤礦注氮解放2311火區的實踐

1　工作麵火災概況

　　2311綜放工作麵是231采區首采工作麵，位於二水平東翼最北端，四周多為未開采的實體煤，煤層自然發火期為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°，工作麵長135.5m，可推采長度768m。
　　2311工作麵於1997年6月9日正式貫通，其通風係統見圖1。9月2日上午，在工作麵開切眼13^＃架頂板處發現明火。

圖1　2311綜放工作麵通風係統

　　其發火原因如下：
　　(1)該工作麵自貫通至發火時已近3個月。超過了自然發火期，具備發火條件。
　　(2)開切眼掘進貫通期間曾發生大範圍冒頂，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，形成了屏蔽層，自燃表麵不易被發現。
　　為避免工作麵出現火災采取了以下措施：
　　(1)由救護隊員現場監護，用水槍直接滅火。
　　(2)打鑽注水降溫，同時對6^＃～16^＃架間打鑽探溫，發現高溫點及時注水。
　　(3)在工作麵前，開出了3個鑽機窩，利用鑽機窩向著火點打鑽注水、注凝膠。共打鑽孔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製，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，並有中等煙霧。隨著火勢的繼續蔓延，至9月17日，已不能直接滅火，決定采取封閉滅火。經過調整通風係統(圖2)，對2311材料道、運輸機道進行密閉。

圖2　2311火區通風係統

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，在正常幹燥大氣中N₂含有量大於79.04%，O₂為20.93%，CO₂為0.03%。在標準狀況下，N₂密度為1.2505kg/m³，與同體積空氣質量比為0.9673。在常溫常壓下，由於N₂分子結構穩定，其化學性質穩定，N₂很難與其它物質發生化學反應，所以是一種良好的滅火用惰性氣體。
　　煤的氧化自燃是一個複雜的化學過程。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於煤的溫度和它所處的環境空氣中的氧含量，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於窒息或停止狀態；而氧含量降到3%以下時，則可抑製煤炭、木材等可燃物的陰燃或複燃。
　　向井下火災區域注入N₂，減少火區氧含量，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)柴裏礦現有兩台深冷空分設備，製氮量為1200m³／h，2311綜放工作麵注氮防火係統已形成，為注氮滅火提供了氮氣來源。
　　(2)柴裏礦已有2年多的注氮防火經驗，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綜放工作麵封閉空間小，周圍為實體煤，漏風通道少，易於調壓管理，可以使N₂能有效地惰化火區。

2.3　注氮滅火工藝
2.3.1　注氮口位置的選擇
　　2311火區臨時封閉後，前期隻能在材料道原敷設的φ108mm×4.5mm鋼管上實施連續式注氮，注氮流量為400m³/h。但經3d連續注氮，效果較差，對火區沒有起到抑製作用，主要有以下幾個方麵的原因。
　　(1)為確保運輸機道施工人員的安全，調整後的通風壓力運輸機道高於材料道，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，處於火區回風側，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3m處，實施連續式注氮，同時停止材料道注氮。

2.3.2　注氮量的選擇
　　(1)初期注氮量。為迅速抑製該火區，並盡快進入窒息狀態，初期將礦製氮廠生產的全部N₂量1200m³/h注入該火區，經65h後注氮量達65000m³，對2311材料道、運輸機道密閉內氣體進行取樣03manbetx (結果見表1)，說明火區已進入窒息階段。

表1　取樣03manbetx 各氣體濃度

地點 O ₂濃度
／％ CO ₂濃
度／％ CH ₄濃
度／％ N ₂濃
度／％ CO濃度
／×10 ^－62311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。為節省氮氣，維持注氮量按稍大於火區漏風量來確定。經測定火區漏風量後，確定維持注氮量為650m ³/h。至啟封2d前停止向封閉區注氮，注入N ₂量265000m ³。累計向火區注入N ₂氣體330000m ³。

2.4　注氮效果
　　為觀測火區注氮效果，在火區回風側2311材料道密閉內設置了測點，利用ASZ-Ⅱ型自動監測裝置進行氣體連續取樣03manbetx 。另設人工測點，在2311滅火巷鑽孔內、2311運輸機道密閉內隨時取樣03manbetx 。初期注氮期間，火區內CO、O₂濃度呈迅速降低趨勢，N₂濃度迅速提高。火區進入窒息狀態後，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於材料道側。實施均壓通風，使封閉區兩端壓差為30～50Pa，適當控製漏風量，確保注入N₂持續充滿整個封閉空間，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注水降溫，火區啟封後，人工灑水降溫，在8^＃～45^＃架間注水降溫。

3　火區啟封

　　當注入氮氣504h時，封閉區內各種氣體成分相對穩定，O₂＜3%，CO＜10×10^－6。停止向封閉區注氮後，由於漏風的原因，封閉區內N₂、O₂恢複正常，而CO並未增加，說明火已熄火，具備了啟封條件。啟封前，由救護隊員在火區回風側進行探測，證實火區內沒有著火現象，CO氣體濃度穩定在10×10^－6以下，且有下降趨勢。因此，該火區於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，惰化覆蓋麵廣，能快速使火區缺氧窒息的特點，其惰化效果取決於注氮量、N₂純度及火災區漏風量的大小。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年畢業於山東煤炭工業學校，曾在柴裏煤礦從事防滅火等技術工作，現在棗莊礦業(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(集團)有限責任公司