存在瓦斯爆炸危險(xiǎn)火區(qū)的控制技術(shù)應(yīng)用與探討

陳強(qiáng)盛

(國(guó)家礦山應(yīng)急救援大同隊(duì)，山西省大同市，037003)

礦井發(fā)生火災(zāi)后，由于其變化復(fù)雜，影響范圍大，經(jīng)常造成人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失，且易引發(fā)繼發(fā)性災(zāi)害。在礦井火災(zāi)事故的救護(hù)過(guò)程中，一般認(rèn)為，當(dāng)著火時(shí)間超過(guò)2 h時(shí)，若直接滅火仍無(wú)顯著效果，應(yīng)立即實(shí)施封閉火區(qū)的工作。然而，對(duì)于存在爆炸危險(xiǎn)的火區(qū)，一旦封閉發(fā)火區(qū)域，火區(qū)封閉過(guò)程中和封閉后發(fā)生瓦斯爆炸的危險(xiǎn)性極大，給救援人員帶來(lái)很大的威脅。因此，如何對(duì)具有爆炸危險(xiǎn)的火區(qū)采取控制措施，在完全無(wú)爆炸危險(xiǎn)的情況下進(jìn)行封閉，避免對(duì)救援人員造成傷亡，是必須要解決的一項(xiàng)難題。

1 封閉火區(qū)瓦斯爆炸危險(xiǎn)性分析

瓦斯爆炸必須同時(shí)具備瓦斯?jié)舛冗_(dá)到5%～16%的爆炸界限、O2濃度達(dá)到12%以上和存在引爆瓦斯的高溫火源(650℃～750℃)3個(gè)條件。既然火區(qū)高溫火源肯定存在， 在正常通風(fēng)條件下O2濃度通常也會(huì)比較高，一旦對(duì)火區(qū)進(jìn)行封閉，在通風(fēng)量減小的情況下瓦斯?jié)舛葧?huì)快速升高達(dá)到爆炸界限，而O2濃度則需要一段時(shí)間才能降到爆炸濃度以下，瓦斯爆炸三要素很可能同時(shí)具備，因此，對(duì)火區(qū)進(jìn)行封閉爆炸危險(xiǎn)性非常大。

通過(guò)分析瓦斯爆炸條件可以看出，封閉火區(qū)的爆炸危險(xiǎn)性主要取決于火區(qū)內(nèi)混合氣體體積分?jǐn)?shù)是否滿足爆炸條件。封閉區(qū)內(nèi)CH4和O2體積分?jǐn)?shù)的變化曲線如圖1所示。當(dāng)兩種氣體體積分?jǐn)?shù)同時(shí)變化到各自爆炸極限范圍內(nèi)時(shí)，如圖1中t1-t2區(qū)段，就可能發(fā)生瓦斯爆炸。若CH4體積分?jǐn)?shù)在爆炸界限5%～16%，O2體積分?jǐn)?shù)下降到12%以下時(shí)，就不會(huì)發(fā)生瓦斯爆炸，如圖1中t2之后。

在火區(qū)封閉過(guò)程中，風(fēng)量減小，瓦斯?jié)舛群芸赡苌叩奖ń缦?，或高濃度瓦斯流?jīng)高溫火點(diǎn)而引發(fā)爆炸。因此火區(qū)封閉時(shí)必須采取一系列安全保障措施，從而對(duì)火區(qū)進(jìn)行有效控制，防止瓦斯爆炸。

圖1 火區(qū)封閉時(shí)氧氣和瓦斯體積分?jǐn)?shù)變化曲線

2 具有瓦斯爆炸危險(xiǎn)的火災(zāi)事故處置

2.1 礦井及工作面概況

同煤集團(tuán)王村礦發(fā)生事故工作面為東盤(pán)區(qū)8126綜采工作面，工作面走向長(zhǎng)度2413 m，傾向長(zhǎng)度220 m，煤層平均厚度2.8 m。工作面采用一次采全高采煤方法。該工作面因斷層影響分兩部分回采，第一部分可采長(zhǎng)度706 m，已采長(zhǎng)度為680 m，剩余26 m停采；第二部分在距離輔運(yùn)巷663 m位置施工一外切眼，外切眼寬7 m，高3.2 m。該工作面采用U型通風(fēng)方式，2126巷(膠帶巷)進(jìn)風(fēng)，5126巷(回風(fēng)巷)回風(fēng)。2126巷進(jìn)風(fēng)量2384 m3/min，二切眼回風(fēng)量336 m3/min ，5126巷總回風(fēng)量2000 m3/min，抽排風(fēng)筒出風(fēng)396 m3/min。8126工作面絕對(duì)瓦斯涌出量為18 m3/min,使用抽排風(fēng)機(jī)治理上隅角瓦斯。

2.2 事故發(fā)生經(jīng)過(guò)及火區(qū)控制處置

2015年4月9日王村礦因更換8126工作面抽排風(fēng)機(jī)高開(kāi)電壓互感器,停止抽排風(fēng)機(jī)運(yùn)行。21時(shí)23分，該礦溜尾處抽排風(fēng)筒處冒出火焰，帶班領(lǐng)導(dǎo)帶領(lǐng)相關(guān)人員緊急下井到達(dá)事故現(xiàn)場(chǎng)檢查情況，并組織人員恢復(fù)抽排風(fēng)筒及風(fēng)幛，當(dāng)抽排風(fēng)筒接到支架前柱時(shí)，突然從采空區(qū)冒出火焰，現(xiàn)場(chǎng)檢查氣體，切眼頂線處CH4體積分?jǐn)?shù)為8.3%，前柱CH4體積分?jǐn)?shù)為1.9%，溫度21℃，存在瓦斯爆炸的可能性，隨后立即將所有人員撤離。對(duì)8126工作面4月9日21點(diǎn)至4月10日早晨8點(diǎn)監(jiān)測(cè)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)CO、CH4氣體濃度突變，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)情況判斷，8126工作面上隅角間斷性發(fā)生了5次瓦斯燃燒。

4月10日，搶險(xiǎn)救災(zāi)指揮部綜合分析8126工作面火區(qū)情況，決定采取向8126工作面加大注氮?dú)饬?，惰化火區(qū)，抑制瓦斯爆炸，同時(shí)迅速封閉8126工作面，采取綜合滅火。具體如下：

(1)利用原有的注氮管路，加大向采空區(qū)的注氮量，由300 m3/h提高到500 m3/h；

(2)封閉8126工作面，在2126巷和5126巷回風(fēng)繞道口構(gòu)筑臨時(shí)密閉1和2，見(jiàn)圖2；

(3)密閉前2 m處吊掛CH4、CO、O2、T探頭，監(jiān)控氣體變化情況,如有異常立即撤出全體人員；

(4)臨時(shí)密閉完成后，觀察24 h后無(wú)異常，則在臨時(shí)密閉外施工永久密閉。

4月10日下午18時(shí)30分，救護(hù)隊(duì)同時(shí)在5126巷和2126巷回風(fēng)繞道口往里20 m處構(gòu)筑木板臨時(shí)密閉墻，對(duì)8126工作面進(jìn)行了封閉，并用MK-10型快速密閉噴涂機(jī)進(jìn)行噴涂，防止漏風(fēng)。封閉完成之后，迅速撤出了人員。

圖2 8126火區(qū)臨時(shí)封閉位置示意圖

4月10日21時(shí)16分，發(fā)現(xiàn)2126巷和5126巷密閉前8個(gè)傳感器同時(shí)斷線，東盤(pán)區(qū)回風(fēng)巷瓦斯體積分?jǐn)?shù)從0.07%突變到0.19%，CO體積分?jǐn)?shù)從0突變到0.0035%。后來(lái)入井偵察發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)場(chǎng)有爆炸痕跡，5126巷、2126巷木板臨時(shí)密閉被摧毀。

鑒于8126工作面4月9-10日曾發(fā)生過(guò)多次瓦斯燃燒和爆炸，現(xiàn)場(chǎng)既有瓦斯又有火源，情況比較復(fù)雜，強(qiáng)行封閉火區(qū)會(huì)造成二次事故。搶險(xiǎn)指揮部重新制定如下方案。

方案一：采取遠(yuǎn)距離封閉，擴(kuò)大封閉范圍，確保救援人員安全。

在8128工作面往里盤(pán)區(qū)輔運(yùn)巷、盤(pán)區(qū)膠帶巷、8128工作面往外盤(pán)區(qū)回風(fēng)巷位置施工防爆密閉墻，封閉8128工作面以里盤(pán)區(qū)巷道及工作面。

采取遠(yuǎn)距離封閉，雖然降低危險(xiǎn)程度，但會(huì)造成大量的煤炭資源及設(shè)備凍結(jié)。影響礦井生產(chǎn)，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。

方案二：采取有效措施，在確保安全的情況下，在8126工作面進(jìn)風(fēng)巷和回風(fēng)巷巷口進(jìn)行重新封閉。具體措施如下：

措施一：利用巷道低洼處進(jìn)行“水封”。在8126工作面5126巷、2126巷灌水封閉。從礦井采掘平面圖底板等高線分析，在8126工作面進(jìn)風(fēng)巷和回風(fēng)巷巷口各有一處低洼處，能夠利用靜壓供水管路對(duì)工作面進(jìn)行注水封閉，2126巷道預(yù)計(jì)注水1600 m3，5126巷道預(yù)計(jì)注水1730 m3可實(shí)現(xiàn)封閉?！八狻笨梢杂行Ы?cái)喙ぷ髅媾c外界的通道及火區(qū)供氧。并在可能發(fā)生瓦斯爆炸時(shí)，削弱爆炸沖擊波，縮小事故波及區(qū)域。

措施二：向封閉采空區(qū)灌注液態(tài)CO2。在地面施工直徑211 mm的鉆孔，鉆孔深度為530～550 m，井下位置為8126上隅角以里約100 m的采空區(qū)內(nèi)，鉆孔施工完畢，向8126工作面上隅角處灌注液態(tài)CO2。在地面施工鉆孔向井下灌注液態(tài)CO2，可以起到降溫、降氧、抑爆的作用。

在綜合分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，決定選用方案二。在救災(zāi)過(guò)程中，為了防止再次發(fā)生瓦斯爆炸，造成人員傷亡，在確認(rèn)采取“水封”和注氮、地面灌注液態(tài)CO2措施起到防爆、抑爆效果之后，再進(jìn)行封閉。同時(shí)，為了檢測(cè)火區(qū)狀態(tài)，決定在8126工作面相鄰掘進(jìn)巷2128巷和5124巷打觀測(cè)鉆孔，取樣分析火區(qū)氣體情況，如果災(zāi)情得到控制并比較穩(wěn)定，確認(rèn)無(wú)爆炸危險(xiǎn)，則在5124巷和2128巷分別打鉆孔，向5126巷道和2126巷道注羅克休進(jìn)行封閉，控制火區(qū)，縮小火區(qū)范圍。在2126巷口和5126巷口施工土袋防爆墻，將8126工作面徹底封閉?；饏^(qū)治理方案實(shí)施如圖3所示。

4月11日10時(shí)40分，救護(hù)隊(duì)在盤(pán)區(qū)巷遠(yuǎn)距離打開(kāi)5126巷和2126巷兩個(gè)靜壓水管閥門(mén)，開(kāi)始向5126巷和2126巷注水。2126巷注水能力為60 m3/h，5126巷注水能力為40 m3/h。4月12日14時(shí)，2126巷積水覆頂，21時(shí)，5126巷積水覆頂。4月12日11時(shí)，地面鉆孔打通，開(kāi)始向火區(qū)灌注液態(tài)CO2。

圖3 火區(qū)治理方案實(shí)施圖

4月12日20時(shí)，通過(guò)連續(xù)監(jiān)測(cè)，火區(qū)氧氣體積分?jǐn)?shù)下降到12%以下，瓦斯體積分?jǐn)?shù)上升到16%以上，火區(qū)混合氣體已無(wú)爆炸危險(xiǎn)，連續(xù)穩(wěn)定24 h之后，火區(qū)氧氣體積分?jǐn)?shù)下降到5%以下，瓦斯體積分?jǐn)?shù)上升到25%以上，火區(qū)確定已無(wú)爆炸危險(xiǎn)?；饏^(qū)氧氣和瓦斯體積分?jǐn)?shù)變化趨勢(shì)如圖4所示。

圖4 火區(qū)氧氣和瓦斯體積分?jǐn)?shù)變化趨勢(shì)圖

4月13日21時(shí)至14日7時(shí)，救護(hù)大隊(duì)分別在2126巷和5126巷施工一道土袋隔爆墻，在隔爆墻外構(gòu)筑防火密閉，進(jìn)一步封閉了火區(qū)，至此，整個(gè)封閉工作結(jié)束。

2.3 具有爆炸危險(xiǎn)的火區(qū)控制技術(shù)分析

存在爆炸危險(xiǎn)的火區(qū)，在制定封閉措施時(shí)，一定要慎重。在王村礦8126工作面火區(qū)封閉過(guò)程中，之前就已經(jīng)檢測(cè)到爆炸性氣體存在，且局部瓦斯體積分?jǐn)?shù)達(dá)到8.3%，在封閉3 h之后發(fā)生了爆炸，說(shuō)明具有爆炸危險(xiǎn)性的火區(qū)封閉是特別危險(xiǎn)的，因此，制定存在有爆炸危險(xiǎn)的火區(qū)封閉方案時(shí)一定要慎之又慎。

(1)要加強(qiáng)對(duì)火區(qū)的通風(fēng)情況控制，尤其是高瓦斯礦井，上隅角瓦斯燃燒引發(fā)的事故，在瓦斯發(fā)生爆炸之后，不要輕易改變現(xiàn)有的通風(fēng)系統(tǒng)，維持通風(fēng)系統(tǒng)原狀，采取注氮等抑爆措施先控制火區(qū)。在王村礦第一次臨時(shí)封閉之后，發(fā)生了瓦斯爆炸，爆炸之后，除了采取注氮和地面鉆孔注液態(tài)CO2措施外，基本維持了通風(fēng)系統(tǒng)的穩(wěn)定。事實(shí)證明在系統(tǒng)穩(wěn)定的基礎(chǔ)上，工作面沒(méi)有再次發(fā)生瓦斯爆炸。相反，如果在火區(qū)封閉過(guò)程中采取措施不當(dāng)，導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定，誘發(fā)再次發(fā)生瓦斯爆炸的可能性將大大增加。如貝勒礦“8·21”火災(zāi)事故，在處理火災(zāi)期間，進(jìn)風(fēng)巷積水使采煤工作面風(fēng)量減少、瓦斯積聚，回風(fēng)巷上山風(fēng)門(mén)多次開(kāi)關(guān)、系統(tǒng)不穩(wěn)定，導(dǎo)致瓦斯爆炸，并造成救援人員發(fā)生傷亡事故。

(2)有條件進(jìn)行“水封”的火區(qū)，盡可能利用巷道低洼處進(jìn)行“水封”，并作為控制火區(qū)的第一選項(xiàng)。因?yàn)椤八狻笨梢杂行У乜刂苹饏^(qū)，縮小火區(qū)范圍；同時(shí)，即使火區(qū)發(fā)生爆炸，“水封”能夠削弱爆炸沖擊波，降低爆炸威力，減少事故損失。

(3)封閉存在爆炸危險(xiǎn)的火區(qū)，必須嚴(yán)格按照《煤礦安全規(guī)程》第七百一十三條規(guī)定，封閉前，先采取注入惰性氣體等抑制爆炸措施，在確保安全的情況下進(jìn)行封閉，也就是在圖1中t2之后，在安全位置構(gòu)筑進(jìn)、回風(fēng)密閉，封閉完成后所有人員必須立即撤出，檢查或加固密閉墻工作必須在24 h之后實(shí)施。

本次王村礦封閉火區(qū)過(guò)程中第一次臨時(shí)封閉發(fā)生了爆炸，所幸當(dāng)時(shí)人員及時(shí)撤出，未造成人員傷亡事故。在第二次封閉過(guò)程中，采取了相對(duì)安全的遠(yuǎn)距離“水封”、從相鄰巷道注羅克休封閉等措施。采取向采空區(qū)持續(xù)注氮、地面打鉆孔灌注液態(tài)CO2惰化措施。在多重措施的共同作用下，從圖4中可以看到，4月12日20時(shí)，火區(qū)氧氣體積分?jǐn)?shù)下降到12%以下，火區(qū)混合氣體已無(wú)爆炸危險(xiǎn)，在此基礎(chǔ)上，又穩(wěn)定24 h之后，施工了防爆密閉進(jìn)行了徹底的封閉，確保了安全施救。

(4)采取從地面或上覆層打鉆孔直達(dá)火源點(diǎn)灌注液態(tài)CO2，進(jìn)行降溫、惰化、抑爆的措施，相比于從巷道注氮，效果更好。

從注入位置的選擇上，可以直達(dá)高溫火源。選擇從上覆層或者地面灌注液態(tài)CO2，相比較于從巷道注氮，針對(duì)性更強(qiáng)，從上向下直接覆蓋高溫火源比從平行位置注氮置換O2效果更好。

從特性上來(lái)講，液態(tài)CO2滅火時(shí)，CO2從儲(chǔ)存系統(tǒng)中噴放出來(lái)，壓力會(huì)驟然下降，使CO2迅速由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài)，體積膨脹約640倍,CO2比空氣的密度大，可快速沉入底部而擠出O2，并在火區(qū)內(nèi)擴(kuò)散充滿其空間，使火區(qū)內(nèi)O2濃度急速下降。液態(tài)CO2內(nèi)沒(méi)有O2，向煤層自燃高溫火區(qū)內(nèi)壓注時(shí)，可完全避免由于注入氮時(shí)，可能帶入O2而造成的不利影響。液態(tài)CO2汽化吸收大量的熱，注入高溫火區(qū)的CO2氣體溫度低，不僅具有對(duì)火區(qū)惰化和抑爆的作用，而且可以吸收大量的熱，從而降低火區(qū)溫度，抑爆效果好。CO2氣體能使發(fā)生瓦斯爆炸的CH4濃度下限值升高。試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)混合氣體內(nèi)的CO2濃度達(dá)到20%時(shí)，即使O2濃度為15%，瓦斯?jié)舛冗_(dá)到9%，也不會(huì)發(fā)生氣體爆炸。

(5)火區(qū)氣體的有效監(jiān)測(cè)為火區(qū)控制提供有力的技術(shù)支撐。王村礦8126工作面火區(qū)封閉過(guò)程中，通過(guò)從相鄰巷道打觀測(cè)鉆孔，準(zhǔn)確、安全、有效、及時(shí)掌握了火區(qū)的情況，在確定瓦斯無(wú)爆炸危險(xiǎn)的情況下進(jìn)行封閉，實(shí)現(xiàn)了科學(xué)決策和安全救援。

3 結(jié)論

存在爆炸危險(xiǎn)的火區(qū)封閉時(shí)爆炸危險(xiǎn)性極大。從救援的角度來(lái)講，采取措施一定要保證救援人員的安全。一是封閉時(shí)，必須采取防止瓦斯爆炸的措施，如上覆層或地面灌注液態(tài)CO2。同時(shí)充分利用現(xiàn)代化的監(jiān)測(cè)手段對(duì)火區(qū)的情況進(jìn)行必要的檢測(cè)，確定火區(qū)無(wú)爆炸危險(xiǎn)的情況下，選擇合理的密閉形式進(jìn)行封閉，有條件時(shí)，“水封”應(yīng)作為封閉第一選項(xiàng)。二是封閉過(guò)程中盡量減少封閉作業(yè)時(shí)間，采用快速密閉、快速封閉工具等，完成封閉作業(yè)后必須迅速撤離至安全地點(diǎn)。待火區(qū)安全穩(wěn)定之后，利用羅克休、粉煤灰等密閉材料對(duì)密閉進(jìn)行加固，提高封閉效果，減少向火區(qū)漏風(fēng)，加速火區(qū)熄滅。在實(shí)現(xiàn)安全救援的同時(shí)，盡可能減少財(cái)產(chǎn)損失。