高瓦斯矿井采空区防灭火技术研究

高瓦斯矿井采空区防灭火技术研究

刘灿 

  中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆市 九龙坡区 400039

摘要：本文针对高瓦斯矿井采空区防灭火技术进行了研究。首先，对采空区产生高瓦斯的原因进行了分析，明确了火灾形成的机理。随后针对目前高瓦斯矿井采空区防灭火问题，提出了包括瓦斯抽放、灌浆防灭火、注氮防火、工作面调风在内的四种主流防灭火技术。通过本文的研究，旨在为高瓦斯矿井的防灭火工作提供一定的技术参考，为矿井工作的安全性提供理论保障。

关键词：高瓦斯矿井；采空区；防灭火技术

引言

高瓦斯矿井采空区作为矿井的重要部分，在矿井生产中起到着至关重要的作用。然而，高瓦斯矿井采空区防灭火技术一直是困扰矿井安全的难题。在采空区形成的过程中，不断排放的瓦斯使得采空区存在较高的火灾风险，严重威胁到矿井的安全生产。

1 高瓦斯矿井采空区火灾形成机理分析

在矿井开采过程中，煤层中的瓦斯会通过不同层次的孔隙空间分布在采空区内，形成瓦斯积聚。如果瓦斯积聚达到一定浓度，一旦遇到火源，就有可能发生火灾。而矿井通风系统在提供矿井内部空气流动的同时，也是稳定瓦斯浓度的关键。如果通风系统存在故障，如通风机运转不畅或者堵塞等情况，会导致矿井内的气体无法有效排除，进而增加了高瓦斯矿井采空区火灾的风险[1]。煤矿开采过程中，采掘工作面和巷道的顶板会不可避免地出现剥落、坠落等现象，从而导致大量煤尘和瓦斯迅速释放并积聚在采空区内，煤体破碎程度越大，落入采空区浮煤粒度越小，则其越容易引发自燃现象（如图1、图2）。

图1：不同粒径煤样温度随时间变化曲线

图2：不同粒径煤样耗氧速率随温度变化曲线

2 高瓦斯矿井采空区防灭火措施

2.1 瓦斯抽放技术

瓦斯抽放是通过设置钻孔或井筒等通道，将采空区内的瓦斯排放到地面或其他安全区域，以达到减少瓦斯积聚、降低火灾发生概率的目的。必须强调的是，瓦斯抽放的目的在于“防火”，而不在于“灭火”，该技术主要包括自然抽放、机械抽放和水封抽放。自然抽放是通过利用地下差压、温差等自然条件使瓦斯自行流出，适用于瓦斯丰度较低的采空区；机械抽放是通过设置瓦斯抽放设备，如瓦斯抽放泵等，利用机械作用将采空区内的瓦斯抽送出去，适用于瓦斯丰度较高的采空区；水封抽放则通过利用水柱的高度差和气压平衡原理，将采空区内的瓦斯通过水柱排出，适用于瓦斯丰度较大的采空区。瓦斯抽放技术往往也包括了瓦斯动态监测与预警系统，通过安装瓦斯传感器等装置，可对矿井采空区内的瓦斯浓度、温度、压力等参数进行实时监测和数据采集，通过与中央监控室相连，实现瓦斯动态监测与预警系统的远程监控和自动报警[2]。一旦监测到瓦斯浓度或其他参数超过预警值，系统会立即发出警报，并自动启动瓦斯抽放设备，将采空区内的瓦斯排放掉，从而有效降低火灾发生的风险，二者相辅相成，共同构成了瓦斯抽放体系。

2.2 灌浆防灭火

灌浆防灭火技术的基本原理是通过注入具有灭火、隔离和消除瓦斯爆炸作用的灭火剂，将瓦斯与火源隔离开来，从而降低火灾发生的可能性。常用的灭火剂包括泡沫、沙浆、硅酸盐胶浆等。其中，泡沫具有良好的灭火效果和降低火灾蔓延的作用，可以在瓦斯与空气混合区形成稳定的覆盖层，阻止燃烧反应进行。沙浆通过与瓦斯形成物理隔离，减少瓦斯与火源的接触，从而达到控制瓦斯爆炸和火灾蔓延的目的。硅酸盐胶浆则具有吸附瓦斯和热量的作用，形成耐高温胶状体，在矿井采空区内形成致密屏障，减少火焰和瓦斯传播[3]。灌浆防灭火技术需要根据矿井采空区的实际情况，选择合适的灭火剂和注入方式。矿井采空区的灌浆防灭火包括局部灌浆和全面灌浆两种方式。局部灌浆通常是在矿井采空区内火灾隐患较大的区域进行，注入灭火剂进行局部灭火和封堵。全面灌浆则是在整个矿井采空区范围内进行，通过注入大量灭火剂形成完整的阻燃屏障，防止火灾的蔓延和扩大。注入灭火剂可以通过固定喷嘴喷射、注射设备注入、气枪注入等方式进行。此外，在进行灌浆防灭火时，还需要考虑灭火剂的稳定性和持久性。灭火剂在注入矿井采空区后需要形成稳定的屏障，具有较长的持久性，以保持防灭火效果，为了提高灭火剂的稳定性和持久性，可以加入一定的添加剂，如阻燃剂、黏结剂等，增强灭火剂的吸附和附着能力，防止灭火剂的流失和脱落。

2.3 注氮防火技术

注氮防火技术是指将高纯度的氮气注入高瓦斯采空区，使采空区的氧浓度降低到无法支持火焰燃烧所需的浓度，进而扼制火源的燃烧。注氮防火过程可以分为三个主要阶段：前期准备阶段、注氮防火阶段和焚烧废气阶段。

在前期准备阶段，需要对矿井的采空区进行详细的调查和分析。通过采样和检测矿井的气体成分、温度、压力等数据，了解矿井内部的情况，进行安全评估，确定注氮防火技术的可行性。在注氮防火阶段，需要在采空区域周围布设氮气供应管网系统。氮气供应管网系统通常包括氮气制造装置、输送管道、开关阀门等组件，用以将氮气输送到采空区域。在布设氮气供应管网系统时，需要考虑供气的连续性和稳定性，确保注氮过程中不会出现中断

[4]。在注入氮气后，便要开始焚烧废气，首先需监测采空区内的气体浓度和温度变化，当采空区的氧气浓度降低到一定程度后，利用专用的点火装置点燃采空区内的矿井瓦斯，将其焚烧掉。通过燃烧废气的方式，防止采空区内气体因积聚而引发火灾。注氮防火技术需要在矿井井口设置压力保护装置，以确保注入氮气的压力不会超过矿井的安全范围，同时也应对采空区中的氧气浓度和温度进行实时监测，以确保氮气注入的准确性和及时性。

2.4 工作面调风技术

工作面调风技术与前文提到的瓦斯抽放技术类似，区别在于瓦斯抽放的重点是排风，而工作面调风的重点是改变工作面的排风方式和调整风流路径，有效地控制瓦斯的扩散，从而提高矿井安全性。矿井的通风系统通常包括主风机、副风机和局部通风装置。调风技术通过合理运用这些设备，改变采空区域的气流条件，控制瓦斯的扩散速度和范围。例如可以通过合理设置风机的运行参数，改变气流的方向和速度，从而减少瓦斯浓度的积累，降低爆炸的风险。局部通风装置通常安装在采掘工作面上，可以通过喷水喷射、排风机等方式，改变局部区域的气流条件，将瓦斯带离采空区域。这样可以有效地减少瓦斯的积累，降低爆炸事故的发生概率。值得一提的是，工作面调风技术需要对瓦斯浓度进行实时监测和控制。通过合理的监测装置和自动控制系统，可以及时发现瓦斯浓度异常，采取相应的措施进行调整。这样可以保证瓦斯浓度始终在安全范围内，减小火灾和爆炸的风险。

3 结语

防灭火一直是矿井安全领域的重要课题，未来的研究应继续关注这一领域，不断探索和创新，以进一步提高高瓦斯矿井采空区的安全水平。同时，也需要加强矿井安全教育和培训，提高矿工的安全意识和技能，共同保障矿井安全，维护人民的生命财产安全。

参考文献

[1]尹智伟. 关于通风防灭火技术在煤矿中的实践探析 [J]. 山西化工, 2023, 43 (11): 179-181.

[2]张江江. 关于强化矿井防灭火工作措施分析 [J]. 内蒙古煤炭经济, 2023, (19): 100-102.

[3]高鑫. 高瓦斯矿井采空区防灭火及工作面端头封堵技术研究 [J]. 西部探矿工程, 2023, 35 (10): 176-179.

[4]董强. 某煤矿综放采空区瓦斯与火治理技术 [J]. 现代矿业, 2022, 38 (08): 218-222.