煤矿火区封闭过程中瓦斯积聚规律研究及危险性分析

牛会永^{1, 2}，邓军¹，周心权³，程彩霞⁴，田兆君^{1, 2}

(1. 湖南科技大学 能源与安全工程学院，湖南 湘潭，411201；

2. 湖南科技大学 煤矿安全开采技术湖南省重点实验室，湖南 湘潭，411201；

3. 中国矿业大学(北京) 煤炭资源与安全开采国家重点实验室，北京，100083；

4. 住房和城乡建设部城乡规划管理中心，北京，100853)

摘要：为研究煤矿火区封闭过程时瓦斯的积聚规律，降低封闭区域内气体爆炸的危险性，实现矿井火区的安全封闭，通过对回采工作面瓦斯涌出量数学模型的分析，以封闭区域为研究对象，根据质量守恒定律建立瓦斯量平衡定律，推导密闭后封闭区域内瓦斯体积分数变化的数学模型，从理论上分析矿井发火区封闭后封闭区域内气体发生爆炸的原因及影响因素；以黑龙江鹤岗矿业集团兴安矿综采工作面封闭火区时瓦斯爆炸事故为例进行分析，从机理上提出封闭工作面时防止瓦斯爆炸的方法。研究结果表明：在火区封闭过程中风速下降，会引起瓦斯积聚的现象，从而改变封闭区域内的瓦斯分布状态，在高温火源存在的情况下易引发瓦斯爆炸事故；在进行火区封闭过程中，以适当速度注入一定量的惰性气体可以起到稀释以及降温的作用，是封闭灭火过程中的一种安全有效的技术措施。

关键词：火区；封闭；瓦斯积聚；爆炸

中图分类号：TD752                 文献标志码：A         文章编号：1672-7207(2013)09-3918-07

Law of gas accumulation and analysis of danger of gas explosion during sealing fire zone in coal mine

NIU Huiyong^{1, 2}, DENG Jun¹, ZHOU Xinquan³, CHENG Caixia⁴, TIAN Zhaojun^{1, 2}

(1. School of Energy and Safety Engineering, Hunan University of Science and Technology, Xiangtan 411201, China;

2. Hunan Provincial Key Laboratory of Safe Mining Techniques of Coal Mines,

Hunan University of Science and Technology, Xiangtan 411201, China;

3. State Key Laboratory of Coal Resources and Safe Mining, China University of Mining and Technology (Beijing),

Beijing 100083, China;

4. Administration Center of Urban-Rural Planning, Ministry of Housing & Urban-Rural Development of China,

Beijing 100853, China)

Abstract: In order to study the law of gas accumulation in the process of building airproof wall, to reduce the risk of gas explosion in enclosed fire zone, and to achieve security closure for the fire zone in coal mine, the equilibrium law of gas content for sealed fire zone was established according to the law of conservation of mass through analyzing the mathematical models of gas emission in working face. The mathematical model of gas concentration change in sealed fire area was deduced, and the reasons and influencing factors were analyzed theoretically after sealing the fire area in coal mine. Through analyzing the gas explosion accident in the fully-mechanized face during fire zone sealing period in Xing’an Coal Mine of Hegang Mining Group of Heilongjiang, the methods preventing gas explosion and its mechanism were put forward during fire zone sealing working face. The results show that the decrease of wind speed in the fire area during sealing can cause gas accumulation, therefore, the distribution of gas in the enclosed area can be changed, and gas explosion can occur easily if the higher temperature exists. During the course of sealing the fire zone, a certain amount of inert gas injected by an appropriate speed can play a role of dilution and cooling. Injecting inert gas is a safe and effective technical measurement during sealing the fire area.

Key words: fire zone; seal; gas accumulation; explosion

矿井发生火灾后，由于其变化复杂，影响范围大，经常造成人员伤亡和财产损失，且易引发继发性灾害。在矿井火灾事故的救护过程中，一般认为，当着火时间超过2 h时，若直接灭火仍无显著效果，应立即实施封闭火区的工作^[1-3]。然而，对于高瓦斯矿，一旦封闭发火区域，瓦斯容易在封闭的火区内积聚，可能引发瓦斯爆炸事故。多数矿在封闭发火区时，仅仅凭经验判断封闭后是否有爆炸危险。王凯等^[4-5]在分析回采工作面上隅角积聚区内瓦斯运移过程的基础上，建立了上隅角积聚区瓦斯运移的动力学模型，并分析了局部区域和上隅角形成瓦斯积聚的原因；梁栋等^[6-7]基于异重流原理，推导出描述回采工作面风流中瓦斯紊流运移的微分方程，并采用数值方法求解，得到了工作面采煤机割煤时瓦斯体积分数的分布结果；秦跃平等^[8-9]研究了在U型和E型这2种通风方式下综放开采采空区流场及瓦斯运移特性，建立了关于应力场和温度场之间瓦斯运移的多物理场耦合模型；焦宇等^[10-17]从燃烧学、爆炸学及链式反应的基本观点出发，分析了惰性气体抑制矿井火区瓦斯爆炸的机理以及火区封闭过程诱发瓦斯爆炸的规律，得出了矿井封闭区内发生瓦斯爆炸的原因及影响因素，并建立了封闭火区内的热量传递模型和火区启封时间计算模型。然而，封闭火区时关键问题是如何迅速有效地实施封闭措施，使火势尽快得到遏制并趋于熄灭，同时，保证封闭期间作业的安全，避免火区内爆炸性气体的形成，因此，有必要对火区封闭时期特别是初期气体状态的变化进行定性分析，以指导封闭火区的规划、防火墙的构筑等项工作。为此，本文作者通过对回采工作面瓦斯涌出理论模型的分析，以封闭区域为研究对象，根据质量守恒定律对密闭后封闭区域内瓦斯体积分数变化的数学模型进行理论推导，分析封闭区域存在的爆炸危险性，并结合黑龙江鹤岗矿业集团兴安矿综采工作面封闭火区时瓦斯爆炸事故，从机理上提出封闭工作面时防止瓦斯爆炸的方法。

1  回采工作面瓦斯涌出量数学模型

在煤矿开采工作中，随着煤层回采工作面的不断推进，工作面煤壁上的煤被不断开采，煤层中的瓦斯也源源不断地释放到工作面的风流中。回采工作面的瓦斯涌出量主要由4部分组成^[2]：

           (1)

式中：Q_e为采区内运输及回风巷道煤壁瓦斯涌出量，m³/min；Q_f为回采工作面煤壁瓦斯涌出量，m³/min；Q_g为回采工作面落煤块的瓦斯涌出量，m³/min；Q_h为回采工作面采空区瓦斯涌出量，m³/min。

当前采煤工作面一般采用后退式开采，采区内运输及回风巷道的煤壁暴露时间一般超过煤壁瓦斯涌出的枯竭期，因此，整个巷道的煤壁瓦斯涌出量可以忽略不计，即Q_e=0 m³/min。

当采煤机位于工作面的上端或下端时，回采工作面暴露的瓦斯涌出量最大，可采用经验公式来计算：

         (2)

式中：h为煤层开采厚度，m；，和分别为回采工作面面壁瓦斯涌出特征的初始瓦斯涌出强度(m³/(min.m²))、瓦斯涌出衰减系数(min^-1)和瓦斯涌出特征系数；v_m为机组切割速度，m/min。

回采工作面采落下来的煤块在运输过程中，煤块内瓦斯仍向风流涌出。根据瓦斯渗流理论分析，煤块瓦斯涌出规律属于球向不稳定流动^[2]，一般采用在实验室及现场测定采落煤块的瓦斯涌出规律，推导经验公式以供实际应用。回采工作面采落煤块的瓦斯涌出量可用下式表示：

           (3)

式中：为采煤机落煤效率，t/min；a和b为与煤块粒径、瓦斯压力、水分及煤质有关的常数，由实测确定；为采落煤块在采区内的停留时间。

回采工作面采空区瓦斯涌出亦称生产采区的采空区瓦斯涌出，其瓦斯涌出来源主要有受采动影响的卸压邻近层以及开采层本身丢煤所涌出的瓦斯，可用下式表示：

  (4)

式中：A为回采工作面日产量，t/d；m为煤层开采厚度，m；m_i为第i邻近层厚度，m；X_i为第i邻近层的原始瓦斯含量，m³/t；K_i为第i邻近层受采动影响的瓦斯排放率，与层间垂距、开采层厚度等因素有关；Q₁为采空区内煤柱煤壁的瓦斯涌出量，m³/min；为采煤回收率；X为煤块的原始瓦斯含量，m³/t；X_c为煤块落下来时的初始瓦斯含量，m³/t；k为煤块排瓦斯程度系数。

2  火区封闭过程中瓦斯积聚规律的理论推导

矿井火区封闭时，需要在进、回风巷道快速构筑辅助或临时密闭，待封闭区域稳定一段时间后，再采取其他救灾措施。在对封闭区域进行封闭过程中，将造成封闭火区的进、回风巷道的局部风阻增加，改变了封闭火区内的大气压力分布，使得火区内瓦斯涌出及瓦斯在封闭火区内的运移规律发生变化。

根据我国现场实践情况，采煤工作面以“两道一线”自燃发生次数最多，且对于采煤工作面，不仅自燃概率较大，因瓦斯积聚达到爆炸界限的可能性也最大。图1所示为1个典型的回采工作面。若工作面采空区自燃，需要对工作面进行封闭，则火区封闭(或构筑临时封闭地点)的方式有3种，即：进风侧构筑临时密闭、回风侧构筑临时密闭和进风侧回风同时构筑临时密闭。本文以进回风侧同时构筑密闭为例分析矿山救护规程及现场救灾经验。

图1  工作面进回风侧同时构筑密闭示意图

Fig.1  Sketch map on constructing airproof wall on both sides of working face at the same time

针对图1进行如下假设：(1) 采煤工作面系统中，在无风或微风的状态下，进风巷、回风巷、采煤工作面的瓦斯涌出均为均匀涌出；(2) 在进、回风侧构筑临时密闭前后，工作面系统通风压力的变化对瓦斯涌出状态的影响可忽略。

进风巷和回风巷两端构筑密闭后，巷道漏风量为，m³/s；回采工作面的瓦斯涌出量，m³/min；巷道初始(t=0)瓦斯体积分数为φ₀；封闭空间体积为V，m³；在t时间后瓦斯体积分数为φ；当时间变化为t+dt，瓦斯体积分数变化为φ+dφ。因此，在dt时间内，封闭区域各参数有如下变化：封闭区域系统瓦斯增加量即dt时间内的瓦斯涌出量为dt/60；dt时间内由于临时密闭漏风带走的瓦斯量为；封闭区域系统内瓦斯的变化量为Vdφ。

以封闭区域空间为研究对象，根据质量守恒定律建立瓦斯量平衡定律，将因瓦斯涌出进入该空间的瓦斯量减去因漏风带走的瓦斯量即为该封闭空间内瓦斯增量的变化。

         (5)

当时间t从0→t时，φ从φ₀→φ，对方程两边分别对t和φ积分，可得：

      (6)

化简式(6)得：

           (7)

根据方程的边界条件，即当t=0时，φ=φ₀。结合式(7)与边界条件，求解一阶线性非齐次微分方程(7)得：

      (8)

则式(8)为采煤工作面进回风侧封闭后封闭区域内的瓦斯体积分数φ随时间t的变化规律。在实际应用中，可根据煤矿具体情况计算式(2)~(4)及(8)中的参数，即可求出火区封闭后的任何时刻封闭区内的瓦斯涌出量，从而算出封闭区内的瓦斯体积分数。

3  封闭火区内瓦斯爆炸危险性分析

3.1  封闭火区内可燃气体的爆炸性

封闭火区内的气体的爆炸性应根据爆炸3个要素来分析。煤矿发生火灾后，若不采取任何措施，由于高温煤体温度下降是非常缓慢的，只要煤温没有下降至能够引起瓦斯爆炸的最低点火温度以下，则火区内点火源始终存在。在火区封闭前，火区为富氧燃烧^[1]，火焰蔓延速度很快，火区火势较大；火区封闭后，由于供氧条件基本杜绝，在封闭性能良好的前提下，火区因燃烧不断消耗剩余氧气，生成CO₂，并与涌出的CH₄一起渗入空气，使得空气中O₂的体积分数持续下降；当O₂体积分数下降至12%以下时，即使CH₄已达到爆炸界限(5%~16%)，混合气体也无爆炸性。由于煤岩层中CH₄不断涌出以及CH₄体积分数继续增大，当CH₄体积分数位于爆炸界限范围时，若O₂体积分数仍保持在12%以上，就有可能发生爆炸。

若构筑的防火墙封闭严密，由于封闭区内仍然由岩、煤层涌入气体，而且因封闭区内温度较高，由于热风压的存在，封闭区域内气体的气压增加，经过一定时期后，抑制了CH₄涌出速率，使CH₄体积分数增大速率变缓；当防火墙存在较大漏风时，新鲜风流进入，极大地增大了O₂体积分数，但有利于降低CH₄在大气中的体积分数。然而，在进风侧防火墙，漏风容易进入空气，而在回风侧的防火墙，一般是火区内的空气漏出。因此，防火墙漏风增加了区内大气的流动和气体交换，对封闭效果和安全是不利的。

通过分析瓦斯爆炸条件可以看出：封闭火区的爆炸危险性主要取决于火区内混合气体体积分数是否满足爆炸条件。封闭区内CH₄和O₂体积分数的变化规律如图2所示。当2种气体体积分数同时变化到各自爆炸极限范围内时，就可能发生瓦斯爆炸(如图2(a)所示)；若CH₄体积分数在上升到爆炸界限(5%~16%)之前，O₂体积分数已经下降到12%以下时，就不会发生瓦斯爆炸(如图2(b)所示)。

分析图2可知：若瓦斯爆炸上、下限体积分数对应的火区封闭时间分别为t₁和t₂，封闭时间为t，则当t₁＜t＜t₂时，瓦斯体积分数处于爆炸范围内；火区内使瓦斯失爆相应的氧气体积分数所对应的火区封闭时间为t₃，当t＜t₃时，氧气体积分数满足爆炸条件；若t₂＜t₃，则可能发生瓦斯爆炸的时间为(t_l＜t＜t₂)∩(t＜t₃)，即可能发生爆炸的时间为t₁2(图2(a)中阴影部分所示)；若t₃＜t₁，则(t_l＜t＜t₂)∩(t＜t₃)，两者交集为空集，即封闭区内不会发生瓦斯爆炸(如图2(b)所示)。

现场实践证明：对于瓦斯矿井特别是高瓦斯矿井，在直接灭火过程中若火势较大，则不能在较短时间内扑灭明火；随着灭火时间的延长，火区中局部地点形成瓦斯积聚，其体积分数有可能上升到爆炸下限体积分数以上；当火灾蔓延或发生风流逆转使得高浓度瓦斯流至火源，就会发生瓦斯爆炸。因此，直接灭火时瓦斯爆炸的危险性较大，特别是当火势已经扩大，火区出现严重冒顶或发生风流逆转时，爆炸危险性更大。

图2  O₂及CH₄体积分数随火区封闭时间变化的理论曲线

Fig.2  Theoretical curves of O₂ and CH₄ concentration change with time after sealing

3.2  封闭火区过程降低爆炸危险性的基本措施

根据上述分析可知，若要避免封闭火区内气体发生爆炸的危险性，应使t₃-t₁尽可能小，甚至为负数，使得O₂危险期(小于t₃)与CH₄危险期(大于t₁)左右错开，就可避免火区内爆炸性混合气体形成。因此，在现场实践中可根据具体情况采取下列措施：

(1) 在火区封闭过程中，加入惰性气体，惰性气体流可以通过掺混和携带作用稀释并排走火区中的部分瓦斯，使火区瓦斯上升至爆炸下限体积分数的时间t₁延长，或使其体积分数保持在下限体积分数以下；另一方面，注惰后可以快速降低火区氧气体积分数，使火区氧气体积分数下降至其失爆体积分数的时间t₃迅速减小，从而使t₁＜t＜t₃条件不易发生；在火区完全封闭后，当火区瓦斯体积分数在t₁时间上升到爆炸下限体积分数时，火区中氧气体积分数早己在较短的时间t₃内下降到其失爆体积分数，即t₃＜t₁，如图2(b)所示，从而达到惰化火区内可燃气体的目的，大大减小或消除火区瓦斯爆炸危险性。

(2) 火区封闭时应提高防火墙质量，阻塞各类漏风通道，同时减小封闭火区的范围。封闭区域范围愈小，则进风侧防火墙与火源距离愈短，氧气体积分数高的新鲜风流段愈短。火区内空气的氧气体积分数在封闭后下降愈迅速，可便于控制火区的着火带。

(3) 在封闭火区作业时，流进火区的风速应维持不变，保持足够高的风速可以防止烟流滚退或形成可燃气体层，一旦发生严重的烟流滚退，烟流充满构筑防火墙区域，人员必须撤退。

4  案例分析及处理经验

4.1  矿井及采区概况

黑龙江鹤岗矿业集团兴安矿为煤与瓦斯突出矿井，煤层具有煤尘爆炸危险和自燃危险性，综采工作面停采封闭火区期间发生瓦斯爆炸，事故发生在三水平北18号层四段综合机械化放顶煤开采工作面。该工作面走向长度650 m，工作面长120 m，煤层厚度为10 m，煤层倾角为18°~22°，可采储量为90万t；18号煤层爆炸指数为47.37%，自然发火期为35 d，煤层瓦斯含量为5~7 m³/t，工作面日产量为2 800 t，瓦斯绝对涌出量为25.0~31.5 m³/min，风量为1 500 m³/min。工作面停采线、上下顺槽、机道石门上山见煤处易形成发火隐患，工作面停采系统及密闭位置如图3所示。

图3  工作面停采后系统平面示意图

Fig.3  Schematic diagram of system plane after stopping coal mining in working face

4.2  事故发生经过及火区安全封闭过程

工作面于2005-07停采，8月在撤设备期间发生自燃，见图4。回风石门风流中CO体积分数突然上升，此时，采取封闭措施，先进行板闭施工，然后在回风石门板闭外施工永久密闭。当永久密闭施工到0.6 m高时，板闭内开始出清烟，CH₄体积分数为1.9%。为了安全考虑撤离所有工作人员，同时打开联络巷中的通行风门，使风流短路减小火区入回风风压，从而减少火区漏风。21日8时发生爆炸，回风石门木板密闭被摧毁，采空区冒出青烟，此时风量为40~50 m³/min，回风风流中CO体积分数为500×10^-6~1 000×10^-6，CH₄体积分数为1%，轨道上山CO体积分数为850×10^-6，在事故处理过程中共发生7次爆炸，没有人员伤亡，爆炸当时的情况和爆炸原因初步分析结果如表1所示。

由于注入氮气可降低O₂体积分数，同时可降低可燃气体的温度，进而遏制火区瓦斯爆炸。救护人员于2005-08-24T9：25开始向火区内注氮，采用膜分离井下移动制氮机，产氮气量为480 m³/h。井下封闭区内O₂体积分数于08-26T5：00降到9.86%。至此，火区爆炸得到遏制。在O₂体积分数下降到10%以下后，继续观察和注氮气48 h，再没有发生爆炸。因此，建立入回风石门木板封闭，在木板密闭外施工混凝土实现永久密闭，到2005-08-30完成了火区入回风石门的安全封闭工作。

4.3  事故处理经验

在煤矿火区封闭过程中，由于风流速度下降会引发巷道或采空区瓦斯积聚，在高温火源存在的情况下易引发瓦斯爆炸，进而威胁封闭人员的安全以及封闭工作的顺利进行，因此，处理火区要考虑判断火区是否有爆炸危险。有瓦斯爆炸危险的火区要考虑人身安全，首先及时撤人，杜绝人员伤亡。

处理火区时应建立观测制度，通过对气体变化的分析，判断是否有爆炸危险，并掌握火区爆炸规律。

在确认火源位置和爆炸瓦斯来源的情况下，通过调整通风系统控制火区流过风量，从而控制火区内的瓦斯体积分数，为救灾决策提供准确而科学的技术依据。

图4  工作面停采后进风侧剖面示意图

Fig.4  Profile sketch map of inlet side after stopping coal mining in working face

表1  火区爆炸观察记录

Table 1  Observation and record of blast in fire zone

注入N₂可降低火区空气中O₂和可燃气体的体积分数。液态N₂还具有冷却炽热烟流和着火带的作用，有助于调节火区内风流流动方向，防止进风巷受烟流侵入。

5  结论

(1) 通过对回采工作面瓦斯涌出量模型的分析，根据质量守恒定律建立了瓦斯量平衡模型，对封闭区域内瓦斯体积分数变化规律进行了理论推导，得出了封闭区域内瓦斯体积分数随时间的变化规律及其计算模型。

(2) 在火区封闭过程中，风速下降会引起采空区瓦斯积聚现象，从而改变封闭区域内的瓦斯分布状态。若火区内瓦斯失爆氧气体积分数对应的火区封闭时间t₃大于火区内瓦斯爆炸下限体积分数对应的封闭时间t₁，则火区内气体有爆炸的危险。

(3) 在封闭火区过程中，充注惰性气体是封闭灭火中采取的一种切实安全有效的技术措施，可避免高瓦斯矿井封闭区内瓦斯爆炸的危险性。实施注惰措施时必须要保证注入封闭区域内的惰性气体呈紊流流动状态，以起到充分稀释以及降温的作用，避免造成次生灾害的发生，从而使可燃气体失去爆炸性，达到惰化火区的目的，实现安全封闭火区。

(4) 在封闭火区时，流进火区的风量应维持不变，避免在瓦斯涌出量大的矿井形成爆炸性混合气体而存在爆炸隐患；同时，保持一定的风速可以防止烟流滚退或形成可燃气体层。

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(编辑  陈灿华)

收稿日期：2012-08-12；修回日期：2012-10-20

基金项目：国家自然科学基金资助项目(51274099)；湖南省教育厅资助项目(10C0660)；湖南省高校科技创新团队支持计划项目(2008)；湖南科技大学重点学科学术创新团队支持计划项目(2012)

通信作者：牛会永(1975-)，男，河北石家庄人，博士，副教授，从事煤矿火灾防治理论与技术、事故应急救援研究；电话：0731-58290040；E-mail: niuhuiyong@163.com