地面鉆孔清水滅火技術(shù)在拜家河煤礦的應(yīng)用

吳海龍，李玉杰，陳德勇，楊相海

（陜西能源職業(yè)技術(shù)學(xué)院 能源工程系，陜西 咸陽(yáng) 712000）

地面鉆孔清水滅火技術(shù)在拜家河煤礦的應(yīng)用

吳海龍，李玉杰，陳德勇，楊相海

（陜西能源職業(yè)技術(shù)學(xué)院 能源工程系，陜西 咸陽(yáng) 712000）

本文以拜家河煤礦南下山冒頂區(qū)煤炭發(fā)生自燃火災(zāi)為研究對(duì)象，在經(jīng)過(guò)初期封閉井筒、構(gòu)造密閉等方法進(jìn)行隔絕法滅火，啟封火區(qū)后煤炭發(fā)生復(fù)燃并發(fā)生爆炸事故的復(fù)雜環(huán)境下，該煤礦采用地面鉆孔對(duì)井下火災(zāi)進(jìn)行灌注清水滅火。該煤礦進(jìn)行了地面鉆孔位置選擇設(shè)計(jì)，計(jì)算了灌注清水體積，進(jìn)行氣體、溫度和水位監(jiān)測(cè)，為同類型煤礦地面鉆孔清水滅火提供工程實(shí)踐借鑒。

煤炭自燃；地面鉆孔；清水

1 拜家河煤礦概況

拜家河煤礦位于陜西彬縣西南約20 km處。行政區(qū)劃屬陜西省咸陽(yáng)市彬縣太峪鄉(xiāng)管轄，礦井東南距西安市160 km，有礦區(qū)公路相連，距312國(guó)道約7 km，距隴海鐵路咸陽(yáng)車站132 km，交通便利。拜家河煤礦礦井設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為0.45 Mt/a，主要可采煤層為8號(hào)煤層，可采厚度1.0～7.3 m，平均3.50 m，厚度較穩(wěn)定，煤層結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，含夾矸3～6層。拜家河煤礦8號(hào)煤層具有自燃發(fā)火傾向，屬Ⅰ類容易自燃發(fā)火煤層，且煤塵具有爆炸危險(xiǎn)性[1]。

該礦采用斜井單水平開(kāi)拓，水平標(biāo)高為+1 035.5 m。礦井采用中央并列式通風(fēng)方式，抽出式通風(fēng)方法，主斜井、副斜井進(jìn)風(fēng)，回風(fēng)立井回風(fēng)，礦井總進(jìn)風(fēng)量為52.0 m3/s?，F(xiàn)開(kāi)采南下山8105工作面。

2 火區(qū)概況

2.1 火區(qū)位置

2.1.1 著火點(diǎn)位置

拜家河煤礦于2014年10月9日，礦井南下山七聯(lián)巷一處高冒區(qū)頂部發(fā)生煤層自燃，并引燃高冒區(qū)架設(shè)的木垛。

2.1.2 封閉范圍

事故發(fā)生后，采用灌水直接滅火的方法進(jìn)行火點(diǎn)滅火，明火得到有效控制。監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)顯示，CO濃度由500ppm降至37 ppm。經(jīng)過(guò)對(duì)災(zāi)區(qū)偵查后，達(dá)成統(tǒng)一決定，依照救護(hù)隊(duì)建議在南下山三個(gè)巷道口進(jìn)行封閉。由于多方面原因，三個(gè)下山口未封閉完成，火勢(shì)加大。經(jīng)研究決定，對(duì)整個(gè)礦井實(shí)施封閉措施，利用隔絕滅火法進(jìn)行滅火[2]。

2.2 發(fā)火的原因

開(kāi)采煤層為8號(hào)煤層，平均煤厚3.50 m，硫含量1.17%，8號(hào)煤層屬Ⅰ類容易自燃發(fā)火煤層。礦井南下山七聯(lián)巷頂部發(fā)生冒落，煤在外力作用下破碎，產(chǎn)生大量裂隙，冒落區(qū)未采取有效的防止煤炭自燃措施，聯(lián)巷冒落處持續(xù)供風(fēng)，頂板煤層得到持續(xù)供氧，熱量不斷集聚難以釋放，達(dá)到煤層自燃的條件，發(fā)生煤炭自燃發(fā)火，并引燃高冒區(qū)的支撐木垛，導(dǎo)致火災(zāi)發(fā)生[3]。

2.3 火區(qū)綜合治理方案（第一階段）實(shí)施情況

著火點(diǎn)位于礦井南下山七聯(lián)巷，該巷道和與其連接的回風(fēng)下山均為木支護(hù)巷道。圖1為著火點(diǎn)及周圍巷道示意圖，圖中陰影部分為木支護(hù)巷道。著火點(diǎn)周圍巷道在發(fā)火后未進(jìn)行密閉，僅對(duì)井口實(shí)施了封閉。

圖1 著火點(diǎn)及周圍巷道示意圖

2.4 火區(qū)綜合治理方案（第二階段）實(shí)施情況

經(jīng)過(guò)三個(gè)多月的密閉區(qū)域的氣體監(jiān)測(cè)，至2016年11月礦方認(rèn)為已初步具備啟封皮帶下山的條件。

根據(jù)第一階段方案的實(shí)施情況，礦井運(yùn)輸及回風(fēng)大巷全風(fēng)壓通風(fēng)系統(tǒng)已完全恢復(fù)。皮帶下山是進(jìn)入火區(qū)的必經(jīng)巷道，因此，該巷道冒落物必須首先進(jìn)行處理，并對(duì)冒落區(qū)巷道進(jìn)行可靠支護(hù)，以便進(jìn)入皮帶下山進(jìn)一步偵查火區(qū)情況，設(shè)計(jì)在皮帶下山口上風(fēng)側(cè)運(yùn)輸大巷設(shè)置局部通風(fēng)機(jī)并接好風(fēng)筒備用，供皮帶下山排放有害氣體[4-6]?，F(xiàn)場(chǎng)勘查發(fā)現(xiàn)巷道冒落嚴(yán)重，處理難度較大，且皮帶下山內(nèi)的巷道支護(hù)、氣體成分及濃度及是否存在火點(diǎn)等情況不明，安排工人在礦山救護(hù)隊(duì)監(jiān)護(hù)下處理巷道冒落物。若巷道冒頂已處理完畢，且巷道已疏通，則由礦山救護(hù)隊(duì)采用鎖風(fēng)逐段排放有害氣體，逐步向皮帶下山下部進(jìn)行偵查及排放有毒有害氣體。如皮帶下山內(nèi)部仍有冒頂情況，則繼續(xù)由礦方安排工人在礦山救護(hù)隊(duì)監(jiān)護(hù)下進(jìn)行處理，直至處理完畢繼續(xù)按前邊的方法偵查并排放有毒有害氣體。直至皮帶下山帶式輸送機(jī)機(jī)尾處施工5號(hào)密閉（見(jiàn)圖2），并繼續(xù)采用局部通風(fēng)機(jī)向皮帶下山通風(fēng)。按第一階段的方法，由救護(hù)隊(duì)建造臨時(shí)板壁，完成后氣體正常后再建立兩道帶風(fēng)門(mén)的密閉，以便建好后救護(hù)隊(duì)進(jìn)入火區(qū)偵查災(zāi)區(qū)情況。待皮帶下山機(jī)頭巷道維修完成后，建造臨時(shí)板壁，氣體正常后建立兩道帶風(fēng)門(mén)的密閉，再實(shí)施下一步滅火方案[7]。

圖2 5號(hào)密閉施工位置圖

2.5 火區(qū)現(xiàn)狀

皮帶巷逐段采用鎖風(fēng)法進(jìn)入災(zāi)區(qū)滅火，處理巷道冒落工程量較大，2017年2月，對(duì)軌道下山的3號(hào)密閉與回風(fēng)下山的4號(hào)密閉進(jìn)行啟封，并逐步恢復(fù)巷道內(nèi)通風(fēng)，分階段排放積存的有毒有害氣體。在恢復(fù)火區(qū)通風(fēng)一段時(shí)間后，發(fā)現(xiàn)有大量煙霧出現(xiàn)，一氧化碳濃度上升，表明火區(qū)復(fù)燃，伴隨局部瓦斯閃爆現(xiàn)象。經(jīng)各級(jí)煤礦安全監(jiān)管部門(mén)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查后，決定將礦井所有井口封閉[8]。

2.6 滅火方案選擇

為使礦井能盡快復(fù)工復(fù)產(chǎn)，決定采用遠(yuǎn)距離滅火措施，即利用地面鉆孔灌水的滅火方法盡快使火區(qū)熄滅，保證滅火過(guò)程安全高效，保證滅火效果有效。

目前礦井井口已經(jīng)封閉，總結(jié)之前滅火方案，本次滅火有以下方案。

第一方案：采取鎖風(fēng)法啟封井筒，逐步縮小火區(qū)，該方案歷時(shí)時(shí)間長(zhǎng)，且再次啟封井筒存在不確定因素，可能發(fā)生爆炸事故，且易導(dǎo)致火區(qū)綜合治理方案效果不理想。

第二方案：地面鉆孔滅火。地面鉆孔滅火方案由地面實(shí)施鉆孔至井下巷道并灌入滅火介質(zhì)，人員不入井，保證作業(yè)人員生命安全，同時(shí)滅火介質(zhì)可直接浸潤(rùn)火區(qū)，達(dá)到滅火效果。拜家河煤礦采礦許可證范圍確定開(kāi)采的是8號(hào)煤層，其埋藏最深點(diǎn)740 m，最淺點(diǎn)1 044 m，煤層底板標(biāo)高740～1 044 m。根據(jù)地面海拔高度分析，鉆孔施工深度在200 m左右，鉆孔施工量在可控范圍內(nèi)。

根據(jù)以上分析，選擇地面鉆孔滅火。

2.7 滅火介質(zhì)選擇

目前我國(guó)常用的防滅火用介質(zhì)主要有清水、黃泥漿、惰性氣體（二氧化碳、氮?dú)猓┠z、三相泡沫等[1-3]。清水是常用的基本滅火材料，水覆蓋在可燃物表面，阻止可燃物與氧氣接觸，中斷氧化反應(yīng)，同時(shí)水能夠快速降低火區(qū)環(huán)境溫度，破壞物質(zhì)燃燒的溫度條件。黃泥漿滅火應(yīng)用較為廣泛，常用于采空區(qū)灌漿防滅火，黃泥漿能有效隔絕煤炭與氧氣的接觸，阻止氧化和自燃，同時(shí)能降低火區(qū)溫度。黃泥漿具有一定黏性，能附著在煤體表面，防滅火效果較好[4]。惰性氣體滅火材料主要作用機(jī)理是降低火區(qū)的氧濃度，煤礦防滅火常用的惰性氣體介質(zhì)有氮?dú)夂投趸糩5-6]。三相泡沫是一種由粉煤灰（黃泥）、氮?dú)夂退M成的滅火介質(zhì)，并添加極少量的添加劑（發(fā)泡劑），形成大量固體顆粒聚集在氣泡表面，形成氣體-液體-固體三相的體系，在煤礦采空區(qū)火災(zāi)防治等方面效果顯著[7]。

拜家河煤礦七聯(lián)巷火災(zāi)點(diǎn)的井下巷道冒落嚴(yán)重，冒落點(diǎn)分布情況不明，黃泥漿等滅火介質(zhì)易在巷道起伏、冒落處或拐彎處附近造成沉淀堆積，致使滅火介質(zhì)流動(dòng)不暢，利用黃泥漿等其他黏性較大介質(zhì)滅火容易造成滅火介質(zhì)不能順利到達(dá)火區(qū)。利用地面鉆孔灌漿滅火，灌入滅火介質(zhì)數(shù)量較大，滅火材料成本需有效控制。綜合分析，選用清水作為地面鉆孔滅火介質(zhì)。

3 地面鉆孔灌水滅火方案

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際勘察，對(duì)礦井地面情況進(jìn)行了初步調(diào)查，并與礦方就鉆孔位置進(jìn)行了調(diào)查研究，擬選出4個(gè)可行的鉆孔位置作為本次設(shè)計(jì)的比較方案進(jìn)行分析。

3.1 防滅火灌水鉆孔位置選擇

灌水滅火水液入口位置選擇是滅火措施的基礎(chǔ)，合適的鉆孔位置直接影響滅火效果。本設(shè)計(jì)鉆空位置選擇有以下幾個(gè)方案。

方案一：火點(diǎn)位置實(shí)施地面1號(hào)鉆孔

在七聯(lián)巷起火點(diǎn)附近位置實(shí)施地面1號(hào)鉆孔，鉆孔坐標(biāo)為X=3 862 443.700，Y=36 498 780.450，孔深227 m。將地面與該處巷道貫通，利用鉆孔向巷道中注入大量泥水。該方案將出水口設(shè)計(jì)在起火點(diǎn)位置附近，能迅速降低火區(qū)溫度。但1號(hào)鉆孔在火區(qū)位置施工，該鉆孔注水將下部及該水平的巷道淹沒(méi)，上部巷道的淹沒(méi)較為困難，不能達(dá)到完全撲滅火災(zāi)的效果。該鉆孔可作為水位觀測(cè)孔，有助于灌水量的控制，如圖3所示。

方案二：2號(hào)地面鉆孔

2號(hào)鉆孔位于軌道下山與六聯(lián)巷交匯處，鉆孔坐標(biāo)為X=3 862 489.650，Y=36 498 682.700，孔深206 m。該處與著火點(diǎn)水平標(biāo)高基本相近。若火災(zāi)向上部蔓延后，在保證2號(hào)鉆孔能夠監(jiān)測(cè)井下氣體成分前提下（鉆孔不淹沒(méi)），不能保證上部滅火效果。

方案三：3號(hào)地面鉆孔

3號(hào)鉆孔位于軌道下山與五六聯(lián)巷交匯處，鉆孔坐標(biāo)為X=3 862 547.500，Y=336 498 702.500，孔深170 m。該鉆孔孔底水平標(biāo)高較著火點(diǎn)水平標(biāo)高出60 m左右，通過(guò)該鉆孔泥水能夠有效淹沒(méi)火區(qū)，同時(shí)該鉆孔能作為檢測(cè)孔使用。根據(jù)井上下對(duì)照?qǐng)D分析，3號(hào)鉆孔地面位置在河谷平地，機(jī)械設(shè)備及車輛能順利進(jìn)入場(chǎng)地，施工條件較好。

方案四：4號(hào)地面鉆孔

4號(hào)地面鉆孔位于皮帶下山與運(yùn)輸大巷交匯處，鉆孔坐標(biāo)為X=3 862 819.500，Y=36 498 978.000。該鉆孔孔底標(biāo)高較高，孔深為106 m，工程量較小，鉆孔施工成本低，與著火點(diǎn)距離較遠(yuǎn)，滅火介質(zhì)淹沒(méi)著火區(qū)域延程流動(dòng)距離較遠(yuǎn)，井下巷道垮塌嚴(yán)重，不能保證滅火介質(zhì)能夠順利到達(dá)火災(zāi)區(qū)域。

圖3 地面鉆孔位置圖

綜上所述，本次設(shè)計(jì)第一階段選用1號(hào)鉆孔及3號(hào)鉆孔作為礦井地面鉆孔灌水滅火孔。即1號(hào)、3號(hào)鉆孔為灌水鉆孔，1號(hào)鉆孔同時(shí)作為觀測(cè)孔。在實(shí)施本方案設(shè)計(jì)第二階段時(shí)，同時(shí)布置4號(hào)鉆孔作為觀測(cè)孔，也可作為灌水孔。

3.2 灌水量計(jì)算

利用鉆孔向井下灌水滅火，灌水量是滅火的關(guān)鍵參數(shù)，由于該礦著火點(diǎn)水平線以下有8105工作面，并推進(jìn)90 m，頂板垮落及地板膨脹泄壓變形，能夠形成漏水裂隙，為灌入水量的流失提供通道。礦井發(fā)火點(diǎn)位于七聯(lián)巷，根據(jù)2·14瓦斯爆炸事故調(diào)查情況，火災(zāi)未大范圍蔓延，火區(qū)集中在七聯(lián)巷附近。因此鉆孔灌水滅火分兩個(gè)階段。

第一階段：

第一階段水位灌至六聯(lián)巷，水位標(biāo)高至+906.6 m，以六聯(lián)巷頂板水平標(biāo)高為基準(zhǔn)，該水平以下淹沒(méi)計(jì)算總水量。

灌水量由下式計(jì)算：

式中：Q——總灌水量，m3；Q巷道——巷道體積，m3；Q采空區(qū)——采空區(qū)體積，m3；C——采空區(qū)充水系數(shù)，取0.4；K——灌水系數(shù)（無(wú)量綱），取1.2。

第二階段：

根據(jù)第一階段灌水情況進(jìn)行火區(qū)檢測(cè)，若各項(xiàng)指標(biāo)顯示井下火災(zāi)熄滅，則第二階段方案終止，若各項(xiàng)指標(biāo)顯示井下火災(zāi)仍未熄滅，以3號(hào)鉆孔孔底水平淹沒(méi)線為基準(zhǔn)進(jìn)行灌水，孔底標(biāo)高+940.8 m。進(jìn)行水位監(jiān)測(cè)、氣體監(jiān)測(cè)，除去第一階段灌水區(qū)域，該水平下淹沒(méi)巷道的長(zhǎng)度為210 m，取平均斷面面積為6 m2，采空區(qū)按照完全采空的空間計(jì)算，Q采空區(qū)=推進(jìn)度×工作面長(zhǎng)度×煤厚。3號(hào)鉆孔水位線以下有兩個(gè)工作面，其中一個(gè)工作面已開(kāi)采完畢，但是否存在漏水可能尚未清楚，本次計(jì)算將采空區(qū)計(jì)算在內(nèi)，則第二階段需灌水量。由下式計(jì)算

式中：Q——總灌水量，m3；Q巷道——巷道體積，m3；Q采空區(qū)——采空區(qū)體積，m3；C——采空區(qū)充水系數(shù)，取0.4；K——灌水系數(shù)（無(wú)量綱），取1.2。

3.3 灌水時(shí)間計(jì)算

數(shù)據(jù)顯示地面可利用水源流量約為80 m3/h，參考鉆孔所在地水源流量，設(shè)計(jì)輸送管流量取100 m3/h，最大灌水量取88 m3/h。根據(jù)管徑與流量推薦值選取輸送管管徑為DN150，推薦流速1.6 m/s。設(shè)計(jì)鉆孔施工孔徑上部黃土層為D300 mm，下部巖層為D200，分別下D250 mm套管與D180 mm套管。

第一階段理論最大灌水量Q為34 754.4 m3，灌水流量q為88 m3/h，灌水時(shí)間T=Q/q=395 h。

每天24 h連續(xù)灌水約16.5天，考慮設(shè)備故障、天氣等影響，保守估計(jì)20天即可灌至第一階段設(shè)計(jì)水位。若存在井下導(dǎo)水裂隙等不確定因素，水量可能增加，灌水時(shí)間加長(zhǎng)。由于目前井下灌水目標(biāo)區(qū)域內(nèi)的采空區(qū)及巷道情況與理論值偏差較大，以上計(jì)算的灌水時(shí)間僅為理論參考值，實(shí)際實(shí)施過(guò)程中應(yīng)隨時(shí)觀測(cè)灌注情況及火區(qū)氣體、溫度等參數(shù)的變化情況，以掌握灌注量。

3.4 灌注方法

（1）正式灌注之前，需進(jìn)行試驗(yàn)灌注，以確定合理的流速及單次灌注量。

（2）灌注前，先打開(kāi)水泵向孔內(nèi)注水10 min，確認(rèn)管路及鉆孔通暢后，開(kāi)始灌水。

（3）采用定量不間斷灌注法，達(dá)到預(yù)計(jì)水量時(shí)，通過(guò)鉆孔對(duì)井下進(jìn)行水位、溫度監(jiān)測(cè)。

（4）灌水過(guò)程中，用吊錘探查，發(fā)現(xiàn)堵孔用鉆具掃孔。

3.5 鉆孔的施工

首先將鉆機(jī)按照指定的平面坐標(biāo)直角位置進(jìn)行安裝，待所有打鉆準(zhǔn)備工作完成后，開(kāi)始進(jìn)鉆。選用XJ350石油鉆機(jī)進(jìn)行鉆孔施工作業(yè)。表土段井徑311.1 mm，下244.5 mm套管，并用水泥在壁之間縫隙進(jìn)行充填固定。二次孔井徑215.9 mm，鉆至終孔位置，下入D168.3 mm套管。

鉆孔施工完畢后，在鉆孔中放入D150 mm的輸水管，同時(shí)在鉆孔中布置采氣束管、水位檢測(cè)儀、水溫檢測(cè)儀等管線。

4 效果檢驗(yàn)及結(jié)論

（1）經(jīng)兩個(gè)階段灌水滅火操作，實(shí)際總灌水量為71 005 m3，較設(shè)計(jì)值用水量65 757.6 m3多消耗5 247.4 m3，分析認(rèn)為礦井下存在滲水裂隙，部分滅火用水滲入裂隙內(nèi)部；同時(shí)存在一定吸水性，水在滲透壓作用下對(duì)煤體（巖體）進(jìn)行浸潤(rùn)。

（2）經(jīng)一號(hào)鉆孔取樣分析，水溫恒定，隨灌水量增加，鉆孔內(nèi)水位不斷上升，水位標(biāo)高為+940 m，灌入水已順利到達(dá)火區(qū)。

（3）三號(hào)鉆孔內(nèi)氣體中CH4、CO含量顯著下降，濃度保持穩(wěn)定。鉆孔內(nèi)水溫最高達(dá)到50℃，隨著灌水量增加水溫逐漸下降，并保持在22℃。

（4）經(jīng)井口氣體取樣分析，井下氣體成分逐漸趨于穩(wěn)定，空氣溫度呈逐漸下降趨勢(shì)并趨于穩(wěn)定。

（5）利用地面鉆孔清水滅火，達(dá)到了快速滅火的目的，為拜家河煤礦快速恢復(fù)生產(chǎn)提供了保障。該礦南下山七聯(lián)巷區(qū)域約10萬(wàn)t煤炭免于火災(zāi)侵蝕，按照煤炭?jī)r(jià)格400元/t計(jì)算，為企業(yè)挽回經(jīng)濟(jì)損失近4 000萬(wàn)元。

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The application of surface drilling and Water fire extinguishing technology on Baijiahe coal mine

Wu Hailong, Li Yujie, Chen Deyong, Yang Xianghai
(Department of Energy Engineering, Shanxi Energy Institute, Xianyang 712000, China)

The roof caving zone of Nanxiashan in Baijiahe coal mine which has happened spontaneous combustion fire was studied in the thesis. During initial period, we took Isolation method of extinguishing like Closed wellbore and structural trap. After fire zone reopening, coal happened again with explosion, and then we took surface drilling and poured water into the well to put out the fire. We also designed how to choose the ground drilling location; Calculated the volume filling water and monitored gas, temperature and level. These Provide engineering reference for the same type coal mine which using surface drilling and Water fire extinguishing technology.

coal mine spontaneous combustion fire; surface drilling; water

TD752.2

A

1008-9500(2017)05-0134-05

2017-03-26

吳海龍（1988-），男，河南平頂山人，碩士研究生，研究方向：煤礦瓦斯災(zāi)害防治及防滅火技術(shù)。