礦井火災危害分析及其防治技術摘要:礦井火災是威脅煤礦安全生產、危害職工生命安全的五大災害之一。通過分析礦井火災發生的基本要素、礦井火災的分類和礦井火災的危害等,從外因火災防治和自然發火防治兩個方面提出了防治礦井火災的技術途徑。1我國煤礦礦井火災防治現狀我國煤礦自燃發火非常嚴重,有56%的煤礦存在自燃發火問題,而我國統配和重點煤礦中具有自燃發火危險的礦井約占47%,礦井自燃發火又占總發火次數的94%,其中采空區自燃則占內因火災的60%。這種火災常造成工作面封閉、凍結大量的煤炭資源和昂貴的生產設備,造成工作面、采區風流紊亂,影響礦井正常的生產接續,并造成人員傷亡。為了加強煤礦防滅火安全技術,我國從50年代起就在煤礦推廣了黃泥灌漿防火技術,60年代至70年代又研究出了阻化劑防火、均壓通風、高倍數泡沫滅火等技術,80年代至90年代則研究了礦井自燃發火預測系統、惰氣防滅火、快速高效堵漏風、帶式輸送機火災防治等技術,并逐步形成適應普通采煤法和高產高效采煤法的綜合防滅火技術。由于我國火災基礎理論研究起步晚,防滅火關鍵設備和技術有待完善和配套,有一批亟待解決的技術問題。因此,礦井火災防治工作仍然是礦井安全生產所面臨的一項艱巨任務。2礦井火災發生的基本要素和所有的物質燃燒一樣,導致礦井火災發生的三個基本要素為:熱源、可燃物和空氣。2.1點火源具有一定溫度和足夠熱量的熱源才能引起火災。煤的自燃、瓦斯或煤塵爆炸、放炮作業、機械摩擦、電流短路、吸煙、電(氣)焊以及其他明火等都可能成為引火的熱源。2.2可燃物煤本身就是一種普遍存在的大量的可燃物。另外,坑木、各類機電設備、各種油料、炸藥等都具有可燃性。2.3空氣燃燒就是劇烈的氧化現象。實驗證明,在氧濃度為3%的空氣環境里,燃燒不能維持;空氣中的氧濃度在12%以下,瓦斯就失去爆炸性;空氣中氧濃度在14%以下,蠟燭就要熄滅?；馂牡娜齻€要素必須同時存在,且達到一定的數量,才能引起礦井火災,缺少任何一個要素,礦井火災就不可能發生。3礦井火災的分類3.1根據引火源同根據不同引火熱源,礦井火災可分為外因火災和內因火災。外因火災是由于外部熱源引起的火災。煤礦常見的外部熱源有電能熱源、摩擦熱、各種明火(如液壓聯軸器噴油著火、吸煙、焊接火花)等,多發生在井筒、井底車場、石門及其他有機電設備的巷道內。內因火災是由于煤炭等易燃物質在空氣中氧化發熱并積聚熱量而引起的火災。它不存在外部引燃的問題,因此,又稱自燃火災。自燃火災多發生在采空區,特別是丟煤多而未封閉或封閉不嚴的采空區、巷道兩側煤柱內及煤巷掘進冒高處等。3.2發火地點不同根據不同發火地點,礦井火災分為井筒火災、巷道火災、采煤工作面火災、煤柱火災、采空區火災和硐室火災。3.3燃燒物不同根據不同燃燒物,礦井火災可分為機電設備火災、火藥燃燒火災、油料火災、坑木火災、瓦斯燃燒火災和煤炭自燃火災。4礦井火災的危害4.1人員傷亡當煤礦井下發生火災以后,煤、坑木等可燃物質燃燒,釋放出有害氣體,此外,火災誘發的爆炸事故還會對人員造成機械性傷害(沖擊、碰撞、爆炸飛巖砸傷等)。4.2礦井生產接續緊張井下火災,尤其是發生在采空區或煤柱里的內因火災、往往在短期內難以消滅。在這種情況下,一般都要采取封閉火區的處理方法,從而造成大量煤炭凍結,礦井生產接續緊張。對于一礦一井一面的集約化生產礦井,這種封閉會造成全礦停產。4.3巨大的經濟損失有些礦井火災火勢發展很迅猛,往往會燒毀大量的采掘運輸設備和器材,暫時沒被燒毀的設備和器材,由于火區長時間封閉和滅火材料的腐蝕,也都可能部分或全部報廢,造成巨大的經濟損失。另外,白白燒掉的煤炭資源、礦井的停產都是巨大的經濟損失。4.4污染環境礦井火災產生的大量有毒、有害氣體,如CO、CO2、SO2、煙塵等,會造成環境污染。特別是像新疆等地的煤層露頭火災由于火源面積大、燃燒深度深、火區溫度高以及缺乏足夠資金和先進的滅火技術,使得火災長時間不能熄滅,不但燒毀了大量的煤炭資源,還造成大氣中有害氣體嚴重超標,形成大范圍的酸雨和溫室效應。5外因火災防治的技術途徑外因火災是由外部火源引起的火災。外因火災的發生和發展都比較突然和迅猛,并伴有大量煙霧和有害氣體,如處理不當或不得其法,貽誤戰機,還可能引爆瓦斯、煤塵,造成人員傷亡和財產損失。目前,我國煤礦中的外因火災所占礦內火災總數的比重雖然很小(4%～10%),但近幾年隨著機械化程度的提高,所占比重有上升趨勢。預防外因火災發生的技術途徑有兩個方面:一是防止火災產生;二是防止已發生的火災事故擴大,以盡量減少火災損失。5.1預防外因火災產生的措施防止失控的高溫熱源產生和存在。嚴格對高溫熱源、明火和潛在的火源進行管理。盡量不用或少用可燃材料,不得不用時應與潛在熱源保持一定的安全距離。防止產生機電火災。防止摩擦引燃,防止膠帶摩擦起火。膠帶輸送機應具有可靠的防打滑、防跑偏、超負荷保護和軸承溫升控制等綜合保護系統,防止摩擦引燃瓦斯。防止高溫熱源和火花與可燃物相互作用。5.2預防外因火災蔓延限制已發生火災的擴大和蔓延,是整個防火措施的重要組成部分?；馂陌l生后利用已有的防火安全設施,把火災局限在最小的范圍內,然后采取滅火措施將其熄滅,對于減少火災的危害和損失是極為重要的。其措施有:在適當的位置建造防火門,防止火災事故擴大;每個礦井地面和井下都必須設立消防材料庫;每一礦井必須在地面設置消防水池,在井下設置消防管路系統;主要通風機必須具有反風系統或設備,并保持其狀態良好。6內因火災防治的技術途徑煤炭自燃發火的防治較為復雜。根據煤炭自燃發火的機理和條件,通常從開采技術、通風措施、介質法滅火三個方面采取措施進行預防。6.1開拓開采技術預防自燃發火的措施提高回采率,減少丟煤,即減少或消除自燃的物質基礎。限制或阻止空氣流入和滲透至疏松的煤體,消除自燃的供氧條件。對此,可從兩方面著手:一是消除漏風通道;二是減小漏壓差。使流向可燃物質的漏風,在數量上限制在不燃風量之下,在時間上限制在自燃發火期以內。6.1.1長壁式采煤長壁式采煤方法的巷道布置簡單,采出率高,有較大的防火安全性,特別是綜合機械化的長壁工作面,回采速度快、生產集中、單產高,在相同產量的條件下煤壁暴露的時間短、面積小,對于防止自燃發火非常有利。應用綜合機械化采煤,這樣既可提高煤炭產量,又可在空間上、時間上減少煤炭的氧化。6.1.2在合理的采煤方法中也應包括合理的頂板管理方法我國長壁式開采一般采用全部陷落法管理頂板,在頂板巖性松軟、易冒落、碎脹比大,且很快壓實形成再生長頂板的工作面,空氣難以進入采空區,自燃危險性小。但如果頂板巖層堅硬,冒落塊度大,采空區難以充填密實,漏風與浮煤堆積易造成自燃火災,則可通過灌漿或用水砂充填等充填法管理板,以減小煤的自燃危險性。6.1.3區段煤巷采用垂直重疊布置厚煤層分層開采時,如果分層區段平巷采用傾斜布置的方式(內錯式或外錯式),容易給自燃發火留下隱患。因此,各分層巷道應采用垂直重疊方式布置,即各分層區段平巷沿鉛垂線呈重疊式布置。這種布置方式的優點是:可以減小煤柱尺寸甚至不留煤柱,消除區段平巷處煤體自燃的基本條件;區段巷道受支承壓力的影響較小,維護比較容易。6.1.4推廣無煤柱開采技術6.2通風措施預防自燃發火的措施通風措施防治自燃發火的原理就是通過選擇合理的通風系統和采取控制風流的技術手段,以減少漏風,消除自燃發火的供氧條件,從而達到預防和消滅自燃發火的目的。據通風阻力定律,漏風區域的漏風量隨漏風風阻的增大而減少。因此,通過增加漏風阻力減少漏風,從而起到防滅火作用。均壓防滅火,又稱為調壓放滅火。是利用風窗、風機、調壓氣室和連通管等調壓設施,改變漏風區域的壓力分布,降低漏風壓差,減少漏風,從而達到抑制遺煤自燃、惰化火區,或熄滅火源的目的。6.2.1選擇合理的通風系統結合既定的開拓方案和開采順序,選擇合適的通風方式。如前進式回采,則選用對角式通風;后退式回采,則選用中央式通風,可以減少采空區漏風,從而減少自燃發火的可能性。6.2.2實行分區通風每一生產水平,每一采區都布置單獨回風巷道,實行分區通風。這樣既可以降低礦井通風阻力,增大礦井通風能力,減少漏風,也便于調節風量和發生火災時控制風流、隔絕火區。當一個采區發生火災時,能夠根據救災的需要,做到隨時停風、減風或反風。這樣,一旦一個采區發生火災,就有條件防止火災氣體侵入其它采區,避免擴大事故范圍。在巷道布置上,要為分區通風和局部反風創造條件。6.2.3選擇合理的采區和工作面通風系統選擇采區和工作面通風系統的原則也是盡量減少采空區的漏風壓差,不要讓新、乏風從采空區邊緣流過。如采空區漏風較為嚴重工作面,工作面較短時可采用后退式U型通風系統,工作面較長時可采用后退式W型通風系統。6.3介質法預防自燃發火的措施介質法是防治自燃發火的直接技術,其基本出發點:一是消除或破壞煤自燃發火基本條件中的供氧條件,降低煤自燃氧化的供氧量;二是吸熱降溫作用,延緩和徹底阻止煤自燃發火的進程。這類技術種類較多,主要有灌漿防滅火、惰化防滅火、阻化防滅火、凝膠防滅火以及泡沫防滅火等技術。6.3.1灌漿技術灌漿技術是一項傳統的、簡單易行的、比較可靠的防滅火技術。在一些缺少灌漿材料的礦區,通常采用注水來代替灌漿,增加煤體的水分,也取得了較好的效果。目前現用防滅火充填材料主要有:黃泥漿充填材料、水砂漿充填材料、煤矸石泥漿充填材料、粉煤灰充填材料、石膏育填材料、水玻璃凝膠充填材料、廢水泥渣充填材料等。該技術的優點是:(1)包裹煤體,隔絕煤與氧氣的接觸;(2)吸熱降溫;(3)工藝簡單;(4)成本較低。但同時也存在缺點:(1)只流向地勢低的部位,不能向高處堆積,對中、高及頂板煤體起不到防治作用;(2)漿體能均勻覆蓋浮煤,容易形成“拉溝”現象,覆蓋面積小;(3)易跑漿和潰漿,造成大量脫水,惡化井下工作環境,影響煤質。6.3.2煤炭自然發火是由于煤與空氣中的氧氣相互作用的結果,在漏風不可避免的情況下,在煤的表面噴灑上一層隔氧膜,阻止或延緩煤的氧化進程。阻化劑主要是鹵化物與水溶液能浸入到煤體的裂隙中,并蓋在煤的外部表面,把煤的外部表面封閉,隔絕氧氣。同時,鹵化物是一種吸水能力很強的物質,它吸收大量水份復蓋在煤的表面,也減少了氧與煤接觸的機會,延長煤的自然發火期。阻化劑技術在美國、波蘭、前蘇聯等國家得到了較好的應用。近些年來,阻化劑技術在我國也得到推廣應用。該技術惰化煤體表面活性結構,阻止煤炭的氧化;吸熱降溫,并使煤體長期處于潮濕狀態。但阻化劑技術也存在著一定的缺陷,不容易均勻分散在煤體上,且噴灑工藝難實施;腐蝕井下設備,影響井下工人的身體健康。6.3.3惰性氣體技術從20世紀70年代開始在德、法英等發達國家煤礦中大量使用,從80年代起,我國開始了氮氣防滅火技術的研究與推廣。惰氣源目前發展起來的主要是氮氣,制備的方式有:深冷空分、碳分子篩變壓吸附和中空纖維分離等三種。注惰效果主要取決于能否保證惰氣質量,合理必需的注入量及其連續性,以及能否輔以強有力的檢測技術,否則很難取得理想的效果。該技術的優點:(1)減少區域氧氣濃度;(2)可使火區內瓦斯等可燃性氣體失去爆炸性;(3)對井下設備無腐蝕不影響工人身體健康。但也存在著一定的缺點:(1)易隨漏風擴散,不易滯留在注入的區域內;(2)注氮機需要經常維護;(3)降溫滅火效果差。6.3.4惰性氣體泡沫防滅火材料主要是氮氣泡沫、二氧化碳泡沫等。在井下滅火時,可采用鉆孔壓注方法,將溶液注入自然發火區域。該技術避免了“拉溝”現象;水也能均勻分布;適于采空區或煤堆深部的煤炭自燃。但由于泡沫很容易破滅,加上只有液相水,一旦水分揮發,防滅火性能就消失。7不同地點火災的防治技術7.1井口建筑物火災進風井口建筑物發生火災時,應采取防止火災氣體及火焰侵入井下的措施:立即反轉風流或關閉井口防火門,必要時停止主要通風機;按礦井災害預防和處理計劃的規定,引導人員出井;迅速撲滅火源。7.2井筒中的火災進風井筒中發生火災時,為防止火災氣體侵入井下巷道,必須采取反風或停止主要通風機運轉的措施。7.3井底車場的火災當進風井井底車場和毗連硐室發生火災時,必須進行反風或使風流短路,確?；馂臍怏w不侵入工作區?；仫L井井底發生火災時,應保持正常風向,在可燃氣體不會聚集到爆炸限度的前提下,可減少進入火區的風量。礦山救護人員要用最大的人力、物力直接滅火和阻止火災蔓延。為防止混凝土支架和砌碹巷道上面的木垛燃燒,可在碹上打眼或破碹,設置水幕。如果火災的擴展危及關鍵地點(如井筒、火藥庫、變電所、水泵房等),則主要人力、物力應用于保護這些地點。7.4井下硐室中的火災硐室發生火災,且硐室無防火門時,應采取掛風障控制入風,用水、滅火器、高倍數泡沫或砂子滅火。7.5傾斜巷道中的火災傾斜進風巷道發生火災時,必須采取措施防止火災氣體侵入有人作業的場所,特別是采煤工作面。為此,可采取風流短路和局部反風、區域反風等措施。7.6平巷石門和其他水平巷道中的火災位于礦井或一翼總