老石旦煤礦井下火區(qū)處治及火災致因分析*
王 濱
（中煤科工集團工程科技有限公司，北京市朝陽區(qū)，100013）
摘 要 201 5年4月16日老石旦煤礦031601工作面發(fā)生井下火災事故，根據(jù)井下火
災現(xiàn)場實際情況，采取了封閉工作面、利用井下移動制氮機和地面制氮機向封閉火區(qū)注氮
氣、在井下對采空區(qū)注液氮、在地面填堵采空區(qū)上覆地表裂縫等綜合防滅火安全技術措施對火區(qū)進行處治，分析了發(fā)火原因。首次提出了煤礦井下Fe S自燃導致采空區(qū)遺煤燃燒從而致使井下火災發(fā)生的論斷。通過綜合防滅火技術的應用，有效地治理了井下火災，收到了良好的防滅火效果；根據(jù)Fe S自燃的論斷提出了相應的安全處治措施。
關鍵詞 井下火災 火災致因理論 Fe S自燃 防滅火 封閉火區(qū) 注液氮
中圖分類號 TD752.2
近幾年關于絕氧條件下Fe S遇到氧氣自燃在石油化工方面的相關研究比較多，而其在引起煤炭自燃方面的研究幾乎是一片空白。本文以老石旦煤礦發(fā)生的井下火災為研究背景，詳細論述了火區(qū)的處治措施及火災致因分析的理論基礎及試驗方法。
1 礦井概況
老石旦煤礦隸屬于神華集團烏海能源有限責任公司，核定生產(chǎn)能力150萬t／a，目前主采北三采區(qū)12#、16 #煤層。礦井防滅火系統(tǒng)以注氮防滅火為主、噴灑阻化劑為輔，并安裝了束管監(jiān)測系統(tǒng)，對易發(fā)火地點實時監(jiān)測預報。2014年6月鑒定該礦12 #、16 #煤層均為Ⅱ類自燃煤層；12 #煤層、16 #煤層最短自然發(fā)火期分別為59 d、63 d。
老石旦煤礦031601工作面煤層為高硫煤，硫含量均值超過2%，煤層厚度8.5 m，走向長1370 m，傾斜長280 m，煤層傾角50～300，煤層賦存較穩(wěn)定。采用走向長壁式全部垮落法綜采放頂煤開采，0316 01工作面現(xiàn)已回采943 m，剩余427m。工作面通風方式為U型布置，運輸巷進風風量為642 m3／min， 回風巷回風風量為662 m3／min。
2 綜合防滅火技術現(xiàn)場應用及效果分析
2.1 綜合防滅火技術現(xiàn)場應用
2015年4月16日．031601工作面發(fā)生火災，事故發(fā)生后，封閉工作面、在井下對采空區(qū)注液氮、利用井下移動制氮機和地面制氮機向封閉火區(qū)注氮氣、在地面填堵采空區(qū)上覆地表裂縫等綜合防滅火安全技術措施對火區(qū)進行處治。
(1)封閉工作面。為防止火災事故蔓延，在031601運輸巷帶式輸送機機尾處（圖1中A位置）和回風密閉墻處（圖1中B位置）各施工一道密閉墻，見圖1。為安全起見，又在回風巷原密閉墻前7m處施工第二道密閉墻，發(fā)火后24 h內(nèi)完成所有密閉施工及噴漿工作，
(2)繼續(xù)利用井下移動制氮機進行注氮防滅火。平時利用井下制氮機向031601采空區(qū)注氮氣進行防滅火，此時利用井下制氮機從運輸巷密閉處連續(xù)不斷向火區(qū)注氮氣進行惰化火區(qū)，截止5月6日，共注氮氣26. 2616萬m3。
(3)地面制氮機進行注氮防滅火。在地面工業(yè)廣場安裝注氮機，注氮設備采用地面DM移動式膜分離制氮機，通過注氮管路引入井下向031601采空區(qū)及回風巷施工鉆孔注氮氣進行防滅火工作。向采空區(qū)注氮共施工6個鉆孔，共計447 m，其中1#鉆孔77 m，2 #鉆孔78 m，3#鉆孔 75 m，4 #鉆孔74 m，5 #鉆孔70 m，6 #鉆孔73 m，另外1 #、2#、3 #鉆孔下套管成功（見圖1）。截止5月6日為止共注氮氣6. 6679萬m3。
(4)注液氮防滅火。經(jīng)研究決定從031601回風巷密閉墻處注液氮。老石旦煤礦用卡車從神華寧煤集團拉來25 t液氮（共一車）．交替向2個注液氮罐中注液氮（每個液氮罐能夠裝1 t液氮），然后通過16 #進風斜井向031601回風巷運送液氮罐，最后注液氮罐到達031601回風巷后開始向密閉墻中注液氮，截至4月22日共注液氮25 t，氣化氮氣20000rr13。031601回風巷注液氮示意如圖2所示。注液氮具體步驟及注意事項如下：將裝注液氮罐的平板車放平穩(wěn)，固定好防止下滑和移動；將注液氮軟管與注漿管連接好并打開注漿管上的閥門，然后將注液氮軟管與注液氮管連接并打開注液氮管上閥門開始向密閉墻中注液氮；現(xiàn)場施工人員必須密切觀察壓力表的變化情況，當壓力表顯示的值低于0. 01 M Pa立即停止注液氮工作，去掉注液氮軟管，將注液氮罐提升上井，再開始注另一罐液氮，如此往復不停地向密閉墻內(nèi)注液氮，以達到防滅火的效果。
(5)地面填堵地表裂縫。發(fā)生火災后，在采空區(qū)對應地表觀察發(fā)現(xiàn)由于地震原因新出現(xiàn)了10條裂縫，最長裂縫達到130 m左右，最寬裂縫有0.5 m左右，為了防止地表大氣繼續(xù)從裂縫進入采空區(qū)引發(fā)次生災害，經(jīng)研究決定填堵上述裂縫，截至4月19日共填堵裂縫10條，用沙子15 t，有效地填堵了大氣導人采空區(qū)的通道，防止大氣通過裂縫進入到井下采空區(qū)。
2.2綜合防滅火技術現(xiàn)場應用效果分析
從031601采空區(qū)著火以來，采取綜合防滅火技術對火區(qū)進行了處治。采空區(qū)束管監(jiān)測部分氣體濃度變化曲線如圖3所示。綜合防滅火措施后封閉火區(qū)內(nèi)的O2濃度從原來的17. 938%降到了2. 6085%，CO濃度從原來的0.0544%降到O，收到了良好的防滅火效果。
3老石旦煤礦井下火災事故致因分析
3.1 采空區(qū)火災事故致因分析
老石旦煤礦針對031601工作面采空區(qū)自燃原因進行了深入分析和探討，認為采空區(qū)遺煤自燃和高分子材料引起煤炭自燃的可能性不大。
(1)煤炭自燃要經(jīng)歷潛伏、自熱、燃燒、熄滅4個階段，在煤的自熱階段，煤的氧化放熱較大，煤溫及其環(huán)境溫度升高，并且產(chǎn)生CO、CO2和碳氫類氣體產(chǎn)物，但是事實上直到4月16日上午10：30發(fā)現(xiàn)煙氣之前工作面上隅角的CO監(jiān)控探頭、采空區(qū)埋設的束管監(jiān)測系統(tǒng)測定的CO濃度都為O，且定期人工采集的氣樣、人工用CO鑒定器測定的CO濃度都為O，甚至出現(xiàn)煙氣時人工測定上隅角的CO濃度僅為0.0004%，而且溫度一直保持在180C，沒有明顯變化。
(2)在煤的自熱和燃燒階段煤會散發(fā)出煤油味和其他芳香氣味，但直到4月16日上午10：30發(fā)現(xiàn)煙氣之前工作面上隅角及回風巷均未聞到煤油味和其他芳香氣味，發(fā)現(xiàn)煙氣時現(xiàn)場人員也沒有聞到上述氣味。
(3)在煤的自熱階段有水蒸氣生成，火源附近出現(xiàn)霧氣，遇冷會在巷道壁面上凝結成水珠，即出現(xiàn)“掛汗”現(xiàn)象。但現(xiàn)場直到4月16日上午10；30發(fā)現(xiàn)煙氣之前也未發(fā)現(xiàn)“掛汗”現(xiàn)象。
(4)高分子材料是阻燃材料，自身不發(fā)生自燃，一般在高分子材料和助化劑發(fā)生化學反應時產(chǎn)生熱量，如果是采空區(qū)高分子材料產(chǎn)生熱量引起的遺煤自燃，那么應表現(xiàn)出煤炭自燃的各種特征，這與實際情況不符。
3.2F e S自燃引發(fā)火災事故探討
經(jīng)過分析認為絕氧條件下生成的Fe S遇漏風通道中的空氣發(fā)生自燃是采空區(qū)火災的主要原因。
(1)老石旦煤礦16 #煤層為高硫煤，其中16-1#煤層含硫量2. 94%，16 -3#煤層含硫量1. 72%，16-4#煤層含硫量1.62%；在井下采空區(qū)、廢棄巷道等地點會聞到一種具有臭雞蛋氣味的H2S氣體。
(2) 031601工作面回風巷由于頂板壓力大，大批金屬棚、金屬網(wǎng)等金屬物品不能及時回收而遺留在采空區(qū)，在絕氧條件下，這些金屬物品受水長期侵蝕作用與煤中硫化物結合形成Fe S，并放出熱量Q，在窒息帶內(nèi)的絕氧條件下生成Fe S處于靜止狀態(tài)，其化學方程式如下：
(3)4月15日，阿拉善左旗發(fā)生5.8級地震，老石旦煤礦震感明顯，031601工作面對應地表生成多個新的裂縫，最大裂縫寬度0.5 m，受采動和地震誘導因素影響，地面與本煤層采空區(qū)通過裂隙形成漏風通道，使采空區(qū)形成的Fe S具備了燃燒的條件，進而引燃了周邊浮煤，導致031601工作面火災事故。
(4) Fe S自燃的化學方程式如下：
由式(1)可以看出Fe S自燃生成氧化鐵和硫，自始至終就沒有碳的參與，因此也就不會產(chǎn)生CO、CO2和碳氫氣體，也就不會聞到煤油味和其他芳香氣味；另外由于Fe S自燃具有突然性的特征，因此前期是發(fā)現(xiàn)不到溫度變化的，至于發(fā)現(xiàn)煙氣2.5 h以后CO濃度上升到0.04%，是由于Fe S自燃引起周圍遺留的煤炭自燃出現(xiàn)大量CO，這也與事實相符合。
3.3Fe S自燃室內(nèi)相似性模擬試驗
通過室內(nèi)試驗模擬井下Fe S自燃過程，對煤礦井下火災致因進行核實、驗證，以便得出科學、合理的自然規(guī)律，為制訂有效的安全技術措施提供理論依據(jù)，最大限度的保障礦山安全生產(chǎn)。實驗室內(nèi)Fe S自燃試驗設計方案示意圖見圖4。
(1)試驗材料。鐵銹500 g，H2S氣體1 L．N2氣體2 L，O2氣體1 L（注：氮氣的分子量為28，空氣的分子量為29，硫化氫氣體的分子量為34，氧氣的分子量為32）．200 ml的玻璃管3個，塞子若干，帶刻度的注射器1個，帶開關的導管1個，試管夾1個，支架兩個。
(2)試驗步驟。把鐵銹50 g平鋪在玻璃管內(nèi)，兩端塞上塞子；打開右端的導管開關，用注射器在玻璃管的左端注入N2直至充滿玻璃管為止（考慮安全系數(shù)可以注入氮氣大于500 ml以確保把玻璃管內(nèi)的空氣排干凈，達到絕氧的環(huán)境），注完后關閉導管開關；停放一段時間后，打開導管開關，在玻璃管左端用注射器注入硫化氫氣體直至注滿為止（考慮安全系數(shù)可以注入硫化氫氣體大于500 ml以確保把N2排干凈），注完后關閉導管開關；為了確保鐵銹跟H2S充分反應，觀測時間不小于48 h；打開導管開關，用注射器在玻璃管的左端注入一定量的O2，觀察玻璃管內(nèi)的Fe S燃燒現(xiàn)象并做好記錄。
(3)試驗結果分析。鐵銹和硫化氫氣體反應時間53 h，F(xiàn)e S與氧氣反應時間2.5 h，試管的溫度由32℃升高到226℃，F(xiàn)e S顏色變暗，在溫度為226℃時持續(xù)25 min發(fā)現(xiàn)明火，并產(chǎn)生煙氣，氣球開始膨脹，立即停止試驗。試驗結果證明：試管內(nèi)Fe S處于無氧環(huán)境，不會與空氣接觸而發(fā)生氧化反應，但當往試管內(nèi)注入O2后，F(xiàn)e S與O2發(fā)生氧化反應，釋放出大量的熱量，由于局部溫度升高，加速了周圍Fe S的氧化，形成連鎖反應。如果周圍中存在碳、油等可燃物，則它們在Fe S的作用下，會迅速燃燒，放出更多的熱量。
4 結論
(1)采取封閉工作面、利用井下移動制氮機和地面制氮機向封閉火區(qū)注氮氣、在井下對采空區(qū)注液氮、在地表填堵采空區(qū)上覆地表裂縫等綜合防滅火安全技術措施對火區(qū)進行了處治，有效地抑制了火區(qū)的擴展。
(2)通過綜合防滅火措施后，031601封閉工作面內(nèi)的O2濃度從原來的17. 938%降到了
2. 6085%，CO濃度從原來的0.0544%降到了O．收到良好的效果。
(3)經(jīng)分析研究，提出阿拉善5.8級地震導致采空區(qū)與地表形成漏風通道，F(xiàn)e S遇O2發(fā)生自燃進而引燃了周邊浮煤或高分子材料，進而導致031601工作面火災事故的結論。
(4)嚴禁廢舊的錨桿、錨網(wǎng)、W鋼帶以及U型鋼棚等金屬制品不進行回收直接拋入采空區(qū)，并對井下金屬材料進行防銹處理，從根本上杜絕Fe S的形成。
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