保障工作面安全生產(chǎn)應(yīng)急防滅火成套技術(shù)在礦產(chǎn)資源開發(fā)利用中的應(yīng)用

（華亭煤電股份有限責(zé)任公司，甘肅 華亭 744100）

目前我國(guó)礦井每年都要因?yàn)樽匀话l(fā)火封閉很多工作面，給礦井造成了很大的損失。被迫封閉工作面的主要原因并不是這些礦井不注重防滅火，而是有些地質(zhì)條件不可預(yù)測(cè)，意外的發(fā)生了工作面推進(jìn)度太慢，其對(duì)防火的要求短時(shí)間超出了礦井的防滅火能力，而礦井短時(shí)間又不能增加防滅火能力，因而只有被迫封閉工作面[1]。怎樣在短時(shí)間大幅增加礦井的防滅火能力，華亭礦井給出了答案。

1 建立應(yīng)急防滅火系統(tǒng)的必要性

華亭礦井250102-2工作面在開采時(shí)存極易自然發(fā)火因素，其因素為：①工作面開采資源為Ⅰ類自然發(fā)火資源，其最短發(fā)火期僅17d；②綜采放頂開采，采空區(qū)浮塵較多，而且呈立體分布，不利于注黃泥漿和阻化劑防火；③采空區(qū)大量抽瓦斯，增加了采空區(qū)的漏風(fēng)；④上分層均為小礦柱開采，工作面后方的采空區(qū)已經(jīng)連成了一片，增加了防火注氮流量；⑤工作面前方上分層采空區(qū)受采動(dòng)影響，漏風(fēng)后浮塵提前氧化，易從支架上方掉下高溫浮塵；⑥工作面斷層較多、礦壓較大，推進(jìn)度不可預(yù)測(cè)，當(dāng)推進(jìn)度特別慢時(shí)。易自然發(fā)火。綜上所述，巨厚礦層綜采放頂下分層開采時(shí)不僅有本分層的自然發(fā)火因素，還存在上分層的自然發(fā)火因素，為了保障工作面防滅火萬(wàn)無(wú)一失，礦井不僅有常規(guī)的防火裝備，而且有必要設(shè)置應(yīng)急防滅火系統(tǒng)。

2 應(yīng)急防滅火系統(tǒng)功能

2.1 應(yīng)急防滅火系統(tǒng)組成及防滅火工藝

華亭礦井應(yīng)急防滅火系統(tǒng)的組成為：惰氣耦合高強(qiáng)度防滅火裝備；地面和井下黃泥灌漿管路和壓風(fēng)管路；井下移動(dòng)式制氮機(jī)及注氮管。

當(dāng)二分層采空區(qū)CO氣體濃度達(dá)到500ppm時(shí)，或出乙稀氣體時(shí)，立即啟動(dòng)應(yīng)急防滅火系統(tǒng)。應(yīng)急防滅火的工藝為：礦井將35t液氮或液體二氧化碳大槽車?yán)降孛纥S泥灌漿站附近，與地面惰氣耦合高強(qiáng)度防滅火裝置連接，大流量液氮經(jīng)裝置汽化后通過(guò)黃泥灌漿管路和壓風(fēng)管路并連輸往井下二分層采空區(qū)防滅火。

2.2 應(yīng)急防滅火系統(tǒng)功能

2.2.1 迅速增加工作面防滅火惰氣流量

礦井制氮機(jī)能力按工作面防火設(shè)計(jì)，沒(méi)有富余系數(shù)，如果工作面發(fā)生資源劇烈氧化、自然發(fā)火或瓦斯燃燒時(shí)，則注入的氮?dú)饬髁繎?yīng)比防火大數(shù)倍，但短時(shí)間礦井不可能增加數(shù)倍流量的氮?dú)饬浚@就使得采空區(qū)浮塵劇烈氧化處理時(shí)間長(zhǎng)，甚至導(dǎo)致工作面封閉[2]。為此，本項(xiàng)目引進(jìn)“惰氣耦合高強(qiáng)度防滅火裝備”，使用該裝備，將某化工廠生產(chǎn)的液氮大流量汽化，可在1天之內(nèi)使礦井注惰氣流量增加2000m3/h～8000m3/h，迅速防滅火。

2.2.2 抑制瓦斯爆炸

礦井二分層工作面為高瓦斯工作面，當(dāng)高瓦斯工作面出現(xiàn)瓦斯燃燒或自然發(fā)火，在封閉工作面時(shí)，爆燃的危險(xiǎn)性非常大，目前國(guó)內(nèi)外礦井只能憑運(yùn)氣，不能完全保證制止瓦斯爆炸。例如：①寧夏某礦，工作面自然發(fā)火，在封閉工作面時(shí)發(fā)生了20幾次瓦斯爆炸，幾個(gè)救護(hù)隊(duì)員受傷，最后只得采取封閉全礦井的被動(dòng)措施，半年后才恢復(fù)生產(chǎn)；②吉林某礦，在封閉自然發(fā)火的采空區(qū)時(shí)，瓦斯爆炸，犧牲了數(shù)十位工人，最后只得用引河水淹全部井下；③甘肅某礦，工作面自然發(fā)火，封閉時(shí)連續(xù)發(fā)生瓦斯爆炸，幾人受傷，最后只得封閉全礦井。這樣的事例數(shù)不勝數(shù)，救護(hù)隊(duì)稱封閉高瓦斯發(fā)火的工作面為過(guò)鬼門關(guān)。如果啟動(dòng)應(yīng)急防滅火系統(tǒng)，可先封閉進(jìn)風(fēng)巷道，從進(jìn)風(fēng)密閉向火區(qū)注入8000m3/h以上的大流量氮?dú)饣蚨趸?，?～2天之內(nèi)將氧濃度降到12%以下，惰化火區(qū)，然后再封閉回風(fēng)密閉，從而保障救護(hù)隊(duì)員的生命安全，從容封閉火區(qū)。

2.2.3 降低注惰氣溫度

使用應(yīng)急防滅火系統(tǒng)，使用該裝備可按防滅火需要，將氮?dú)鉁囟冉档?0℃，向采空區(qū)注入0℃以下的低溫惰氣，降低浮煤的聚熱環(huán)境，從而抑制浮塵從劇烈氧化發(fā)展為自燃。

2.2.4 增加惰氣比重

空氣的密度1.29kg/m3，二氧化碳密度為1.97kg/m3，二氧化碳的重量是空氣重量的1.52倍，如果我們?cè)诘獨(dú)庵袚饺胍欢ū壤亩趸?，使氮?dú)獾谋戎乇瓤諝庵兀纬神詈隙铓?，將其注入采空后流速降低，漏失較小，可以大幅提高注氮防滅火的效果。應(yīng)急防滅火系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)二氧化碳與氮?dú)怦詈?，將惰氣比重提高到大于空氣比重?/p>

2.2.5 增加惰氣純度

氮?dú)獾募兌纫话銥?7%～98%，系統(tǒng)產(chǎn)生的氮?dú)饣蚨趸嫉募兌瓤蛇_(dá)到99.99%，注入采空區(qū)后具有更好的降氧效果。

氮?dú)獾募兌葘?duì)采空區(qū)降氧起到關(guān)鍵作用，雖然制氮機(jī)生產(chǎn)的氮?dú)饧兌却笥?7%就能送到井下采空區(qū)防火，這個(gè)純度與液氮的純度也只相差2.99個(gè)百分點(diǎn)，但其降氧作用卻相差太大，根據(jù)“氮?dú)夥罍缁鹨?guī)范”中的采空區(qū)防火注氮流量計(jì)算公式計(jì)算，當(dāng)?shù)獨(dú)饧兌葹?8%時(shí)，防火注氮流量為2000m3/h，當(dāng)?shù)獨(dú)饧兌葹?9.99%時(shí)，防火流氮流量?jī)H為1400m3/h，相當(dāng)于純度為98%的氮?dú)夥阑鹆髁康?0%。因此純度為99.99%液氮汽化氮?dú)獗戎频獧C(jī)氮?dú)庠诓煽諈^(qū)的降氧效果要提高30%左右。

2.2.6 提高惰氣泡沫壓力

氮?dú)馀菽捎趬毫Φ?，因而發(fā)泡效果差，應(yīng)急防滅火系統(tǒng)可提高惰氣壓力，使惰氣泡沫流量大，發(fā)泡效果好。

2.2.7 增加采空區(qū)注氮地點(diǎn)

使用應(yīng)急防滅火系統(tǒng)可迅速增加采空區(qū)數(shù)倍注氮流量，但由于采空區(qū)原有埋管直徑偏小，不能有效地將大流量氮?dú)饣蚨趸甲⑷氩煽諈^(qū)，因此本系統(tǒng)還配制了向采空區(qū)打鉆的大直徑鉆桿和鉆頭，可向工作面下隅角以里打入2根30m長(zhǎng)的注氮鉆桿，通過(guò)大直徑鉆桿直接注氮?dú)鈁3]。

2.2.8 成本低

任何防滅火系統(tǒng)，如果投資高，則其推廣性就差。華亭某礦應(yīng)急防滅火系統(tǒng)采用“惰氣耦合高強(qiáng)度防滅火裝置”作為主要裝備，僅花了60余萬(wàn)元的投資，利用現(xiàn)有管路，就形成了能增加8000m3/h流量惰氣的防滅火應(yīng)急系統(tǒng)。

3 應(yīng)用實(shí)例

華亭礦井250102-2工作面推進(jìn)到850m時(shí)，工作面遇斷層推進(jìn)度很慢，僅30/月左右，在工作面前方30m的回順上分層監(jiān)測(cè)鉆孔束管測(cè)到CO氣體為80ppm，隨后幾天CO氣體快速上升，僅3天時(shí)間就上升到420ppp，溫度由平時(shí)的27℃上升到35℃，經(jīng)分析，由于工作面推進(jìn)度很慢，加上工作面礦壓較大，上分層采空區(qū)漏風(fēng)后浮塵長(zhǎng)期氧化，導(dǎo)致上分層采空區(qū)出現(xiàn)高濃度CO和較高溫度的浮塵[4]。為了抑制上分層采空區(qū)浮塵的劇烈氧化，礦井啟動(dòng)了應(yīng)急防滅火系統(tǒng)。由于上分層采空區(qū)漏風(fēng)較大，決定向采空區(qū)注高比重、高純度、低溫、較大流量耦合惰氣防滅火，其方法如圖2所示：①在工作面前方進(jìn)風(fēng)順槽向上分層采空區(qū)打鉆孔2個(gè)，鉆孔間距10m，以打透到采空區(qū)為準(zhǔn)，鉆孔下ф108mm套管到孔底，用馬利散快速封孔。②廠家將35t二氧化碳大槽車?yán)降孛纥S泥灌漿站附近，與地面“惰氣耦合高強(qiáng)度防滅火裝置”連接，液態(tài)二氧化碳經(jīng)裝置汽化后通過(guò)黃泥灌漿管路輸往井下，與井下制氮機(jī)生產(chǎn)的氮?dú)庠谧⒌軆?nèi)耦合后輸往上分層采空區(qū)鉆孔，通過(guò)鉆孔向上分層采空區(qū)連續(xù)注耦合惰氣，一直注到上分層采空區(qū)內(nèi)CO氣體濃度正常為止。③工作面風(fēng)流為1500m3/min，經(jīng)計(jì)算，抑制上分層高溫浮塵的劇烈氧化需注耦合惰氣3000m3/h，為此，按照耦合惰氣中氮?dú)馀c二氧化碳3:1的比例，由井下制氮機(jī)提供2000m3/h流量氮?dú)猓孛妗岸铓怦詈细邚?qiáng)度防滅火裝置”提供1000 m3/h流量的汽化后的二氧化碳?xì)怏w（1.8t/h液體二氧化碳）。二種氣體在井下管路中耦合后形成3000m3/h的耦合氣體注入上分層采空區(qū)。

向上分層采空區(qū)連續(xù)注入6天耦合惰氣，共計(jì)注入360000m3耦合惰氣，將上分層采空區(qū)CO氣體由420ppm降到0ppm，溫度由35℃降到27℃，然后停止注耦合氮?dú)?。工作面一直到推過(guò)這段上分層浮塵劇烈氧化區(qū)，上分層采空區(qū)CO氣體始終為0。

4 結(jié)論

（1）華亭礦井250102-2工作面放頂分層開采Ⅰ類易燃巨厚礦層，存在極易自然發(fā)火因素，有必要建立應(yīng)急防滅火系統(tǒng)。

（2）應(yīng)急防滅火系統(tǒng)由“惰氣耦合防滅火裝置”、黃泥灌漿管路、壓風(fēng)管路和廠家臨時(shí)運(yùn)來(lái)的液氮或液體二氧化碳槽車組成。

（3）應(yīng)急防滅火系統(tǒng)的主要功能為：可在一天之內(nèi)為礦井增加2000m3/h～8000m3/h的氮?dú)饣蚨趸蓟蝰詈隙铓?。增加的氮?dú)饩哂械蜏?、高純度的特點(diǎn)，增加的二氧化碳和耦合惰氣具有高比重、低溫、高純度的特點(diǎn)。

（4）利用礦井應(yīng)急防滅火系統(tǒng)向工作面上分層采空區(qū)注入3000m3/h的耦合惰氣，將CO氣體濃度由420ppm降為0，保障了工作面的安全推進(jìn)。