王 南

(山西潞安礦業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司通風(fēng)處，山西 長治 046200)

引 言

礦井火災(zāi)會產(chǎn)生大量有毒有害氣體并造成高溫?zé)熈鳎T發(fā)瓦斯、煤塵爆炸等事故[1-3]。注惰滅火是向火區(qū)注入N2、CO2或濕式惰氣，以降低火區(qū)的氧濃度，使火區(qū)缺氧窒息的一種滅火方法。注惰用于撲滅礦井的外因火災(zāi)，其機(jī)理是減少火區(qū)中氧氣和可燃?xì)怏w的相對濃度，另外液態(tài)氮?dú)饽軌蚶鋮s熾熱煙流和著火帶，從而減小火勢，撲滅火災(zāi)。

邱雁等[4]以化學(xué)流體動力學(xué)為基本理論基礎(chǔ)，對火區(qū)注惰過程進(jìn)行模擬，建立了注惰氣體流動的數(shù)學(xué)模型，得到模擬相關(guān)計(jì)算方法；段玉龍、周心權(quán)等[5-6]對封閉火區(qū)注惰抑制礦井火區(qū)內(nèi)瓦斯氣體的分布規(guī)律進(jìn)行研究，在巷道中進(jìn)行不同流量惰氣注入的試驗(yàn)，并建立數(shù)學(xué)模型，對不同注入速度進(jìn)行了模擬，研究發(fā)現(xiàn)，注惰速度大小對火區(qū)瓦斯分布有很大的影響，注惰速度不當(dāng)會引起瓦斯爆炸。

2017年11月15日潞安某礦綜采工作面支架后方瓦斯燃燒，引發(fā)火災(zāi)，發(fā)火后，在直接滅火失敗后進(jìn)行火區(qū)封閉，11月20日從地面鉆孔開始往火區(qū)注入液態(tài)氮?dú)?，并以該礦封閉火區(qū)實(shí)際氣體監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行封閉區(qū)火情動態(tài)分析，從而掌握注氮后封閉火區(qū)燃燒狀態(tài)及爆炸性。

1 封閉火區(qū)燃燒狀態(tài)指標(biāo)判定

1.1 單一指標(biāo)氣體濃度變化速率判斷指標(biāo)

單一指標(biāo)氣體濃度變化速率判斷指標(biāo)就是依據(jù)相應(yīng)氣體濃度變化進(jìn)行判斷的，通過氣體濃度變化速率，來判斷燃燒狀態(tài)。該指標(biāo)主要包括O2、CO2、CH4、CO等氣體的濃度變化，實(shí)際應(yīng)用中常以氣體濃度為縱軸，以時間為橫軸繪制圖形進(jìn)行分析。

通過對繪制好的圖形中曲線進(jìn)行分析，確定每條曲線代表氣體的發(fā)展趨勢和變化速率，氣體百分比濃度的變化速率可由下式計(jì)算得出。計(jì)算式見式(1)。

(1)

式(1)中：X′，X″為選定時間的初始值和終值；γ′，γ″為與選定時間對應(yīng)的各組分氣體濃度的百分比。

對火情進(jìn)行分析時經(jīng)常使用火區(qū)內(nèi)氣體濃度變化速率。R<0時，氣體濃度變化趨勢為減少；R>0時，氣體濃度變化趨勢為增加。

下面介紹分析火區(qū)狀況的判斷準(zhǔn)則[6]：

準(zhǔn)則1：對于大多數(shù)煤礦，當(dāng)有惰氣注入時，若應(yīng)用判斷準(zhǔn)則，需以惰氣和甲烷的變化速率代替RCH4；

準(zhǔn)則2：當(dāng)封閉火區(qū)內(nèi)RO2≈RN2時，火區(qū)內(nèi)氧氣最多有少量吸附的條件下，可以判斷火區(qū)沒有發(fā)生燃燒；

準(zhǔn)則3：如果火源消除時，則一氧化碳、二氧化碳和氮?dú)釸值相等，并且除了甲烷百分比濃度的變化速率增大外，其余所有氣體的R值將減少；

準(zhǔn)則4：當(dāng)O2濃度減少并且CO2、CO濃度增加時，如果其R值的絕對值近似，則火情可能會進(jìn)一步發(fā)展；

準(zhǔn)則5：當(dāng)φ(O2)，φ(CO2)和φ(CO)濃度以穩(wěn)定速率降低或其速率近似為零時，封閉火區(qū)內(nèi)火情變化不大。

1.2 碳的氧化物比率CO/CO2

碳的氧化物比率作為唯一不被風(fēng)流等外部因素影響的判定指標(biāo)，不僅在煤自燃預(yù)警方面得到應(yīng)用，在判斷火區(qū)燃燒狀態(tài)方面也得到了廣泛應(yīng)用。

2 封閉火區(qū)燃燒狀態(tài)及爆炸性判斷

采用密閉取樣管取樣和鉆孔取樣兩種相結(jié)合的方式對封閉火區(qū)內(nèi)氣體進(jìn)行檢測，取樣時間和地點(diǎn)滿足準(zhǔn)則要求，并通過氣樣可靠性分析排除異常數(shù)據(jù)，根據(jù)回風(fēng)側(cè)實(shí)測數(shù)據(jù)，并通過單一氣體指標(biāo)和復(fù)合氣體指標(biāo)變化趨勢研究封閉火區(qū)燃燒狀態(tài)。

2.1 氣體變化速率的確定

通過式(1)計(jì)算氣體百分比濃度的變化速率：R<0時，氣體濃度變化趨勢為減少；R>0時，氣體濃度變化趨勢為增加。

在封閉后11月29日到12月5日這7 d內(nèi)：RO2=-0.091 4，RN2=0.001 3，RCO2=-0.008 4，RCO=-0.129 1，RCH4=0.003 3。在整個火區(qū)封閉后12月6日到12月13日這8天內(nèi)：RO2=-0.025 1，RN2=0.004 6，RCO2=-0.045 3，RCO=-0.180 9，RCH4=-0.015 1。

2.2 火區(qū)燃燒狀態(tài)分析

如圖1～圖4所示，11月20日從地面鉆孔開始往火區(qū)注入液態(tài)氮?dú)?，在這16 d內(nèi)使火區(qū)N2濃度連續(xù)增加。CH4濃度前期增高后期降低，封閉并注氮后RO2值從-0.091 4變化為-0.025 1，O2濃度降低到以1%以下，說明注氮取得一定的防滅火效果；而火區(qū)封閉9 d后RCO2=-0.008 4，RCO=-0.129 1，表明CO、CO2濃度呈現(xiàn)下降趨勢，并由圖2可知，在火區(qū)封閉9 d后CO濃度趨近于820×10-6，未達(dá)到規(guī)程要求，當(dāng)火區(qū)持續(xù)處于燃燒狀態(tài)時，則有RCO小于RO2成立。在采取注惰措施后，RCO大于RO2，故可以判斷火區(qū)火源并沒有一直保持燃燒，自燃得到了一定抑制，根據(jù)判定準(zhǔn)則四，一氧化碳、氧氣、二氧化碳濃度從火區(qū)封閉開始9 d后就一直呈現(xiàn)下降趨勢，所以在火區(qū)封閉后，火區(qū)內(nèi)火勢無惡化趨勢，且碳的氧化物比率CO/CO2數(shù)值迅速減少，故判斷O2(%)<5%(12月3日)，與O2測量結(jié)果一致。

圖1 封閉火區(qū)內(nèi)O2和N2濃度變化趨勢

圖2 封閉火區(qū)內(nèi)碳氧化合物濃度變化趨勢

圖3 封閉火區(qū)碳的氧化物比率變化趨勢

圖4 封閉火區(qū)甲烷濃度變化趨勢

通過以上對各種氣體變化速率以及碳氧化物比率的分析，說明在采取注氮措施后對自燃抑制效果明顯。

2.3 爆炸性分析

從第125頁圖5可以看出，在火區(qū)封閉14 d后氧氣濃度持續(xù)低于9%，低于可爆氧氣濃度下限，火區(qū)不具備爆炸危險(xiǎn)性，注氮措施成功抑制了瓦斯爆炸。

圖5 甲烷和氧氣濃度隨時間變化曲線

3 結(jié)論

通過對封閉火區(qū)進(jìn)行火情分析，計(jì)算出火區(qū)封閉初期CO、CO2、O2、N2、CH4氣體濃度變化速率，利用總結(jié)的火區(qū)狀況的判斷準(zhǔn)則以及碳的氧化物比率CO/CO2進(jìn)行了分析，采用措施后，CH4濃度前期增高后期降低，CO、CO2氣體濃度從火區(qū)封閉開始9天后就一直呈現(xiàn)下降趨勢，RO2值從-0.091 4變化為-0.025 1，O2濃度降低到1%以下，火區(qū)封閉14 d后氧氣濃度持續(xù)低于9%，低于可爆氧氣濃度下限，結(jié)果表明注氮措施對自燃和爆炸抑制效果明顯。