以风灭火的有效性及工程应用研究分析样本.doc

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矿井”以风治火”的有效性及工程应用研究
王志忠
( 内蒙古准格尔旗厅子堰煤矿有限责任公司, 内蒙古 鄂尔多斯 010300)
摘要: 随着矿井开采强度的加大及开采深度的不断延伸, 矿井的不安全因素增加, 与矿井通风有关的火灾事故也时有发生。在分析通风与矿井火灾关系的基础上, 得出了以风治火的有效性, 研究了堵风防漏, 降压减风, 管风防火, 惰化火区等以风治火方法的适用性, 经过工程应用实例说明以风治火的方法能够达到窒息惰化火区或抑制煤炭自然发火的目的。
关键词: 矿井火灾; 通风; 均压; 防灭火
Validity and engineering application of ”controlling the fire with wind” in coal mine
Wang Zhi-zhong
( Inner Mongolia Zhungeer Qi Tingziyan Coal Mine Co., Ltd.,Inner Mongolia Ordos 010300)
Abstract: With the increased intensity of mining and the continuous extension of mining depth, insecurity is increasing, and mine ventilation-related fire accidents have also occurred. Based on analyzing the relationship between ventilation and mine fire, the effectiveness of ”controlling the fire with wind” was obtained, the applicability of these methods were studied, the ”controlling the fire with wind” engineering choking inerting fire district or the purpose of inhibiting spontaneous combustion of coal.
Keywords: mine fire ; ventilation ; even pressure ; fire prevention
前 言
矿井通风是煤矿安全生产的重要保证, 它不但具有向井下各用风地点输送新鲜风流, 同时还肩负着稀释排出矿井瓦斯、 粉尘, 降低作业区域温度的重任, 保障井下作业人员的身体健康和劳动安全[1]。随着矿井开采强度的加大及开采深度的不断延伸, 矿井需风量加大, 通风流程延长、 通风阻力升高, 通风网络更加复杂, 风流控制难度变大, 不安全因素增加, 瓦斯、 煤尘爆炸和火灾等重大恶性事故时有发生, 造成了重大的人员伤亡和财产的损失, 这无不与矿井通风系统有着密切的关系。
本文中”以风治火”的方法就是经过对井下风流的调整, 改变有关巷道风压分布, 均衡火区或采空区进, 回风两侧的风压差, 减少和杜绝漏风, 使火区内空气不产生流动和交换, 隔绝氧源, 达到窒息惰化火区或抑制煤炭自然发火的目的。当前常见的方法有: 堵风防漏, 喷涂隔风[2], 降压减风, 管风防火, 惰化火区等。
1矿井通风与火灾的关系
1.1矿井外因火灾
中国煤矿历年事故统计资料表明, 煤矿重大恶性火灾事故90%以上属于外因火灾[3]。产生外因火灾的三个必要条件是: 有可燃物存在、 有足够的氧气和足以引起火灾的热源, 这也称火灾三要素, 由此可见通风对于矿井的外因火灾起着决定作用。
1.2自燃火灾
根据煤氧化合理论可知, 煤炭自燃必须满足以下四个条件: ①煤炭本身具有自燃倾向性; ②有连续的供氧条件; ③有积聚氧化热的储存环境; ④上述三个条件共存时间大于其最小自然发火期[4]。其中连续供氧的条件是引起煤炭自燃的主要方面, 它是煤不断氧化从而使其温度递增的主要因素。根据能量守恒原理, 采空区浮煤自然氧化放热量大于顶底板散热和风流带走的热量之和时, 才可能引煤体自然升温, 即采空区浮煤氧化放热能引起升温必须满足下式[5]:
( 1)
式中: 、 分别表示工作面风流密度( g.cm-3) 和热容( J.g-1.℃-1) ;
为采空区内部距工作面的距离( cm) ;
为实验测定煤的放热强度( J.cm-3.s-1) ;
为浮煤导热系数( J.s-1.cm-1) ;
为采空区内漏风速度( cm/s) 。
氧化发热与积热虽与漏风有关, 但积热与否的条件是开采过程中形成的, 因此煤炭自燃与矿井通风及漏风必然有密切的联系, 这也是本文的主要讨论对象。
1.3瓦斯爆炸( 燃烧)
瓦斯爆炸必须同时具备三个条件: ①即瓦斯浓度在爆炸界限内; ②高温热源存在时间大于瓦斯的引火感应器; ③瓦斯与空气混合气体中的氧浓度大于12%, 如图1所示。在正常生产的矿井, 所有工作的地点和井巷中氧气浓度始终大于12%, 因此预防瓦斯爆炸的措施, 就只能是防止瓦斯的集聚和杜绝、 限制高温热源的出现。而防止瓦斯积聚的基本方法就是要保证工作面的供风量, 合理选择通风系统, 正确确定矿井风量, 并进行合理分配, 使井下所有工作地点都有足够的风量, 用适当的风量将井下涌出的瓦斯及时冲淡并排至地面。

图1 瓦斯”爆炸三角形”的示意图
2”以风治火”的有效性分析
矿井通风对煤炭自燃的影响主要表现在采空区、 煤柱和煤壁裂隙的漏风。漏风就是向这些地点供氧, 促进煤的氧化自热。相关研究结果表明: 空气流过采空区后, 虽然促进了浮煤的氧化, 但只有当漏风风速适中才能使浮煤由自热向自燃方向转化。风速过高或过低将会使氧化热不易积聚或不能供给足够的氧气而使积热现象中断。相关研究认为采空区单位面积的漏风风量大于1.2m3/( min·m2) 或小于0.06 m3/( min·m2) 时, 都不会发生自燃火灾, 最危险的漏风风量是0.4 m3/( min·m2) ～0.8 m3/( min·m2) [6]。
把漏风风量控制在易燃值之外, 把漏风时间控制在煤层自然发火期以内, 是从通风角度预防自然发火的宗旨。人为地加大漏风来防火是有条件的, 只有当有自燃的物质存在而又必须通风的地区才能使用, 减少漏风是预防自然发火常见而有效的方法。
3”以风治火”的方法及适用条件分析
3.1漏风封堵技术
根据煤炭自燃必须满足的四个条件可知, 如果能够杜绝或者减少向易自燃区域的漏风, 使煤低温氧化过程得不到足够的氧气, 那么在一定程度上就能延长煤的自然发火期和防止煤炭自燃的发生。因此, 漏风封堵是防治煤炭自燃的重要措施之一。根据漏风定律
( 2)
式中: Ps——工作面的气体压力, Pa;
Pn——采空区内气体压力, Pa;
R——采空区漏风风阻, N·s2/m8;
——采空区漏风风量, q为正时工作面向采空区漏风, q为负时采空区向工作面漏风, m3/s。
由式( 2) 可知, 漏风量随漏风风路两端风压差的增大而增大, 随漏风风阻的增大而减小。因此, 为了减少漏风, 应该从降低风压差和增大风阻两方面着手采取措施。当前, 中国煤矿主要应用的漏风封堵技术有沿空巷道挂帘布、 飞灰充填带隔绝采空区、 水砂充填隔离采空区、 夹缝密闭墙堵漏技术、 喷射水泥砂浆或高惰泡沫堵漏技术和可塑性胶泥堵漏技术等。
3.2降压减风
均压作为一种”以风治火”的技术, 方法简单, 成本最低, 深受煤矿现场欢迎。所谓均压防灭火技术即设法降低采空区漏风区域两端风压差, 从而减少向采空区漏风供氧, 达到抑制和窒息煤炭自燃的方法。实践证明, 与其它防灭火技术( 注入阻化剂或灌浆、 密闭、 注惰性气体) 相比具有以下特点: ①能够在不影响工作面生产的前提下实施及采用; ②均压通风加强了密闭区域的气密性, 减少了采空区的漏风, 从而加速了密闭区域( 或采空区) 内的大气惰化; ③工程量小、 投资少、 见效快[7-8]。

图2 调节风窗与风机均压方式的压力坡线图
3.3管风防火
3.3.1风流控制
矿井火灾发生在受限空间内, 因此风流控制对控制火势及解救火区中人员会起到重要作用。一般在已知火源位置的情况下, 一般采取的控风方法有短路法、 调压法及反风法等[9], 它们各自的优缺点及适用条件如表1所示:
表1 已知火源位置的情况下风流的控制方法
比较项目
短路法
调压法
反风法
控制方法
在烟流流经巷道的前方寻找与矿井总回风道、 采区回风巷或工作面回风巷相连接的联络巷, 将其风门打开, 使风流短路, 将烟流直接引入回风流中
采用增加或降低发火巷道或者有高温烟流流经的巷道及与之相关巷道的阻力
将出风井变为入风井, 而入风井变为出风井, 使风流反向, 尽快将烟流排出矿井, 避免烟流侵袭至井下工作区域
优 点
控风方法简单, 而且能够迅速排除烟流, 使工作场所免受火灾烟流的威胁
能够控制火势, 防止风流逆转和减小灾变影响的范围
能够防止造成烟流侵袭矿井大部分区域, 减小灾变影响程度和范围
缺 点
由于风流短路, 对较大瓦斯涌出量的矿井, 在无风区域易造成瓦斯积聚
难于掌握调压的大小
可能造成井底车场及附近区域人员的伤亡及有关设备的损失
适用条件
进风侧巷道发生火灾的条件, 而且不论该巷道是平巷、 上向(或下向)倾斜巷道, 但必须存在有能够将烟流直接导入回风流的联络巷
必须与短路法配合使用, 而且需要进行一定的计算
主要针对入风井口、 井筒、 井底车场范围的火灾
3.3.2惰化火区
封闭火区能够形成一个充满惰性气体的环境并使正在发展的火灾熄灭。封闭的主要措施是构筑密闭, 根据密闭墙的功能和作用时间, 可分为临时密闭墙、 永久密闭墙和防爆密闭墙三种类型。临时密闭墙一般用来处理外因火灾, 改变和调节相邻通风巷道的压力或者改变风流线路来辅助救灾。永久密闭墙和防爆密闭墙既用于控制外因火灾的发展, 也用于窒息和熄灭内因火灾, 而且是在其它一切救援工作完成后实施的, 其目的是切断风流而使火区内形成惰性气体环境。
4工程应用实例
4.1矿井概况
内蒙古准格尔旗窑沟乡厅子堰煤矿是山西兰花集团莒山煤矿分公司对外跨省进行煤炭资源整合的唯一的一座矿井, 属于低瓦斯矿井, 煤层易自燃( I类) , 煤尘具有爆炸性, 矿井采取并列抽出式通风方式。由于原生产矿井采用高落式或巷柱式回采方法, 采空区留有大量煤柱、 残浮煤, 加之采空区存在大量空间且密闭不严, 浅部地表塌陷裂隙不能覆盖封闭, 漏风严重, 造成自燃, 6101综放工作面就曾发生过火灾而封闭。预防和控制煤层的自然发火, 对于指导该矿井开采设计、 井下通风及矿井防灭火工作、 改进矿井安全生产状况和提高经济效益都具有重要的现实意义。
4.2”以风治火”的实践
( 1) 采煤工作面生产期间本着”通风网络简易, 利于调压控制”的原则, 建立合理完善的通风系统。根据工作面瓦斯绝对涌出量情况, 在满足人员呼吸和有害气体、 温度不超限的情况下, 工作面供风量应尽量减少, 而且要加强通风设施的管理, 保证供风量的稳定, 随着工作面的不断推进, 要适时调小风量。根据实践经验, 风量调配为600-800m3/min为佳, 采煤工作面回撤期间, 局部扇风机的供风量控制在450m3/min以内, 而且采煤工作面坚持每5天全面测一次风。
( 2) 加强工作面上下隅角漏风管理。加强上下隅角的监管力度, 有专人监护, 在上下隅角处每推进20m设置煤袋墙, 用编织袋加装黄土构筑。煤袋墙要接顶接底严密, 外部要用临时风帘包裹, 确保不向采空区漏风。
( 3) 高质量地及时地封闭采空区和与采空区连通所有巷道, 回撤结束5天后对停采线以里的巷道进行永久密闭。永久防火密闭墙必须设专人管理, 每日检查一次, 查看墙体内部O2、 CH4和CO、 CO2等各类气体浓度, 发现气体超标情况及时采取注氮惰化等措施处理。

图3 密闭墙示意图
( 4) 综放工作面要求防灭火系统能减少采空区漏风, 同时抑制采空区内CO等有害气体涌向工作面, 保证工作面安全生产。经过分析、 比较后, 选取了局部通风机与调节风窗联合的调压系统( 如图4) 。局部通风机和调节风窗联合均压, 能够提高工作面区域风压, 使工作面的风压与采空区内的气体压力或地面气体压力相平衡, 从而使工作面满足安全生产的要求。

图4 矿井均压系统布置图
4.3应用效果总结
经过以上措施的实施, 综放工作面上隅角CO气体治理取得了明显改观, 由之前的1000ppm下降到20ppm以下, 并长时间维持现状, 煤的自燃隐患得到了很好的控制, 有效地避免了有毒有害气体对人员造成伤害。
经过”以风治火”来预防控制矿井火灾, 建立完善通风系统, 对井下风流的调整, 改变有关巷道风压分布, 均衡火区或采空区进, 回风两侧的风压差, 减少和杜绝漏风, 使火区内空气不产生流动和交换, 并辅以上下隅角堵漏, 隔绝氧源, 达到了窒息惰化火区或抑制煤炭自然发火的目的, 对于国内外同类矿井的防灭火防治技术有着重要的借鉴意义。
参考文献
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[2] 杨绿刚.沿空巷道喷涂隔风复合浆体材料的研究及应用[J].中国煤炭, , 35( 8) : 94-97
[3] 刘佩.矿井外因火灾对通风网络破坏规律的研究进展[J].矿业安全与环保, ( 3) : 88-90.
[4] 秦书玉、 赵书田等.煤矿井下内因火灾防治技术[M].沈阳: 东北大学出版社, 1993.
[5] 鲍庆国, 文虎等.煤自燃理论及防治技术[M].北京: 煤炭工业出版社, .
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[7] 丁盛, 高宗飞等.浅埋藏、 大漏风火区均压防灭火技术应用[J].中国煤炭, , 36( 6) : 107-109
[8] 邬剑明, 刘超, 吴玉国等.浅埋藏复合煤层开采漏风防治技术研究[J].中国煤炭, , 35( 5) : 97-98, 101.
[9] 王德明.矿井通风与安全[M].徐州: 中国矿业大学出版社, .

作者简介: 王志忠( 1979-) , 男, 山西晋城人, 内蒙古准格尔旗厅子堰煤矿有限责任公司副总工程师, 长期从事矿井通风、 防灭火等方面的工作实践与研究。Tel: , E-mail: