独头煤巷火灾成因分析及应急处置技术_李丽.pdf

Safety in Coal Mines 第 51 卷第 11 期 2020 年 11 月 Vol.51No.11 Nov. 2020 独头煤巷火灾成因分析及应急处置技术 李丽 1， 陈志平2， 王贝贝1， 关忠慧1， 王 程 1 （1.长春工程学院 水利与环境工程学院， 吉林 长春 130021； 2.铁法煤业集团 大兴煤矿， 辽宁 调兵山 112700） 摘要 为保障独头煤巷火灾险情下作业人员的安全， 降低火灾造成的经济损失， 采用理论分析 与实践经验相结合的方法对独头煤巷火灾成因进行分析并总结其火灾特点。阐述了独头煤巷 3 种不同火灾条件下应急灭火技术措施及现场作战人员安全防护措施； 从生存空间、 风筒保护、 实 时监测及救援环境 4 个方面重点阐述了独头煤巷火灾被困人员救援技术措施； 为我国煤炭企业 的火灾防治提供参考及借鉴， 从而实现最大限度地控制独头煤巷火灾事故造成的人员伤亡及经 济损失。 关键词 独头煤巷； 矿井火灾； 应急救援； 塑性破坏带； 存入式通风 中图分类号 TD752.2文献标志码 B文章编号 1003-496X （2020） 11-0078-05 Fire Cause Analysis and Emergency Disposal Technology in Blind Coal Roadway LI Li1, CHEN Zhiping2, WANG Beibei1, GUAN Zhonghui1, WANG Cheng1 （1.School of Water Conservancy 2.Daxing Coal Mine, Tiefa Coal Group, Diaobingshan 112700, China） Abstract To ensure the safety of the workers in the fire danger of the blind coal roadway and reduce the economic losses caused by fire, the combination of theoretical analysis and practical experience is used to analyze the cause of blind coal roadway fire and summarize the fire characteristics. This paper expounds the technical measures for emergency firefighting and the safety protection measures for combat personnel on site under three different fire conditions of the blind coal roadway. From the four aspects of living space, air duct protection, real -time monitoring and rescue environment, this paper focuses on the rescue technical measures for the trapped people in the blind coal roadway fire, which provides the reference for fire prevention and control of coal enterprises in China, so as to achieve the maximum control of human casualties and economic losses caused by the fire accident in the blind coal roadway. Key words blind coal roadway; mine fire; emergency rescue; plastic failure zone; stowage ventilation 矿井火灾是煤矿安全生产活动中的重要制约灾 害之一， 不但会烧毁设备、 烧损煤炭、 冻结资源、 破 坏正常生产秩序，更易衍生其它事故，严重危害威 胁井下作业人员的生命安全与健康，并造成极大的 社会负面影响。矿井火灾的扑救工作对技术要求很 高，尤其是处理独头煤掘进巷火灾更是一个复杂的 技术难题，处理技术及方法选择不当，则会导致瓦 斯爆炸， 造成群死群伤事故[1-4]。 目前关于独头煤巷火灾扑灭方法的研究相对成 熟，而关于独头煤巷火灾被困人员的应急救援技术 研究相对较少。基于独头煤巷火灾成因的分析， 探 讨采取科学合理的应急处置技术及方法，安全地扑 灭火灾，有效地避免事故扩大和发生二次事故， 从 而保障作业人员的安全，保证被困人员的安全， 减 少经济损失。 1独头煤巷火灾的分类 独头煤巷火灾是燃烧发生在纵向尺寸远大于横 DOI10.13347/ki.mkaq.2020.11.016 李丽， 陈志平， 王贝贝， 等.独头煤巷火灾成因分析及应急处置技术 ［J］ .煤矿安全， 2020， 51 （11 ） 78-82. LI Li, CHEN Zhiping, WANG Beibei, et al. Fire Cause Analysis and Emergency Disposal Technology in Blind Coal Roadway ［J］ . Safety in Coal Mines, 2020, 51 （11） 78-82.移动扫码阅读 基金项目长春工程学院大学生创新创业训练计划资助项目 （202011437081） 78 Safety in Coal Mines Vol.51No.11 Nov. 2020 第 51 卷第 11 期 2020 年 11 月 图 1煤岩的蠕变特征曲线 Fig.1Creep characteristic curve of coal rock 向尺寸的狭长受限空间内的火灾。根据其不同条件 性质等进行分类，有利于分析火灾的特征和危害程 度， 以便于有针对性的采取应急处置技术措施。 1 ） 按引火源的不同， 矿井火灾分为内因火灾和 外因火灾。 2 ） 按可燃物的类型和燃烧特性， 矿井火灾可分 为 A 类火灾， 即固体物质火灾， 如煤炭燃烧； B 类火 灾， 即液体火灾， 如油脂燃烧； C 类火灾， 即气体火 灾， 如瓦斯燃烧。 3） 按火灾发生的位置不同， 矿井火灾可分为掘 进工作面迎头火灾、 巷道中部火灾、 拉门口火灾。 4） 按照巷道中风流流动方向不同， 矿井火灾可 分为上行风流火灾和下行风流火灾。 5 ） 按发生火灾的性质不同， 矿井火灾可分为原 生火灾和再生火灾。 2独头煤巷火灾成因及特点 2.1火灾成因 巷道掘进煤岩开挖后，破坏了原有的地层应力 平衡状态， 应力将重新分布， 并产生集中， 巷道围岩 圈应力重新分布而将随时间产生蠕变特征，一般仅 发展为Ⅰ、 Ⅱ阶段[5]， 煤岩的蠕变特征曲线如图 1。 当煤岩所受集中应力水平达到并超过最大保持 稳定的抵抗强度时， 将产生失稳破坏， 煤岩应力 σ- 应变 ε 关系示意图如图 2。同时会将集中应力向煤 岩体深部转移，当应力集中作用位置由浅表转向煤 体深部后，其作用方式由单轴抗压转变成具有一定 围压水平的三轴抗压状态。而在有围压加载条件作 用下，使得煤岩抵抗压力性能增强到大于所承载的 应力集中水平，故而不再有明显的向深部发展现 象，相对静止下煤岩的破坏状态呈现分带现象， 煤 掘巷应力集中示意图如图 3。 塑性破坏带由于裂隙、 裂纹发育， 具备了氧气进 入迫害煤岩体的氧化自然环境和条件。当氧化产生 的热量能够蓄积，并且达到贫火期时，方能发生自 燃。其发展变化缓慢， 且其有隐蔽性， 不易被发现。 当掘进煤巷较长时， 由于其分布范围广泛， 且发火率 低而易被忽视。掘进巷道靠近围岩处风流近似层流 流动，早期产生的烟气量较小或在抽采钻孔影响下 不进入巷道内而不易被及时发现。 掘进工作面， 随落煤巷掘进过程， 迎面煤壁不断 地出现新的暴露面， 在此同时， 采动应力也随之呈不 断前移变化， 受扰煤体不断发生蠕变， 煤体内瓦斯解 吸后沿裂隙、 裂纹通过迎面裁割界面涌入工作面巷道 空间， 在涌出界面瓦斯扩散稀释接氧， 从而形成气 体扩散燃烧条件。掘进工序与瓦斯涌出关系如图 4。 伴随成煤过程，会在煤体内夹杂同期沉积形成 的“岩体结核” ，尤其受岩浆热作用后形成变质岩， 其性状表现为硬脆。当发生机械裁割时易产生火 花，这种火花与失控的爆破焰同样可以成为引起瓦 斯燃烧的点火源，“岩石结核”的形成和存在随机性 很强、影响爆破质量的因素又多，都易导致瓦斯燃 图 2煤岩应力-应变关系示意图 Fig.2Schematic diagram of coal rock stress-strain relationship 图 3煤巷应力集中示意图 Fig.3Schematic diagram of stress concentration in the coal roadway 79 Safety in Coal Mines 第 51 卷第 11 期 2020 年 11 月 Vol.51No.11 Nov. 2020 烧事故。具有较强突发性，但一般其可持续时间要 受限于瓦斯涌出衰减情况。 2.2火灾特点 掘进工作面常因地质条件影响，而需过构造顶 板局部留煤， 随煤层起伏而上、 下山掘进。随工作面 推进、掘进距离增长工作面风量在漏风影响下呈微 小变化。且受距掘进工作面一定范围的设备用油脂 材料库、机械研磨煤岩、交叉点应力应变大等因素 影响， 将出现如下特点 1） 独头煤巷发火后， 受其环境条件制约， 接近火 点时，下风侧人员处于烟气侵害区，救援条件变化 的不确定性强；上风侧人员处于受困区，因施救设 施有限， 导致直接灭火条件受限[6]。 2） 一般对独头巷采用局部通风机向工作面供风， 风量较小、风速较低、易使火灾初期状态的富氧燃 烧快速转变为富燃料燃烧，易出现再生火灾和次生 火灾。当有新风混入烟气时（如烟气流到拉门口混 合全风压时） ， 易形成 “跳蛙” 现象。 3） 当在掘进的斜巷发生火灾时， 易形成火风压， 下山掘进时，对受困人员有利；但对救援作战人员 产生威胁； 上山掘进时， 一旦形成火烟滚退现象， 将 对受困人员产生极大危害[7-8]。 4） 多数情况下， 掘进火灾发生初期阶段易被扑 灭， 一旦处置不及时发生轰燃， 易扩大灾变范围， 进 而增加救援灭火战斗难度[9]。 3独头煤巷火灾应急救援措施 独头煤巷一旦发生火灾，现场作业人员既是灾 区的直接受威胁人员，也是第一时间的灭火作战人 员， 能够在第一时间快速响应、 冷静处理至关重要。 现场有序组织、协同作战直接关系作业人员生命安 全和财产安全。对于不同位置的火灾，现场灭火人 员及救援人员应采取与之发火特点、发火位置相适 用的合理有效的应急措施， 才能快速灭火， 营救被困 人员。 3.1应急灭火技术措施 1） 要利用现场环境和条件对火焰直接消灭， 对 可见到的炽热状态可燃物进行充分冷却。一般对于 迎面瓦斯燃烧来流，消灭火焰就已完成扑救工作。 但对于煤炭自然发展成的明火燃烧，不但要消灭明 火防止火灾面积扩大，也要对煤炭表面高温和近源 烟气进行冷却降温， 控制火势蔓延， 防止再生火或二 次火。 2） 扑灭明火后， 要对可燃物进一步进行处理。 对于瓦斯涌出源要通过抽采等方法控制；对于自然 发火引起的火灾， 虽经扑救消灭了明火， 进行了外表 冷却， 但深处还存在阴燃状态的松动煤圈火隐患， 可 以采用钻孔、注水的渐进方法由边缘向高温中心进 行， 逐渐消除。有条件的可在巷道喷浆、 喷密封材料 强化隔绝堵漏， 并注胶体。 3） 如果确实不具备接近式的灭火条件时， 当无 人员受困时， 宜采用密闭、 惰气等措施[10]。 3.2应急安全防护措施 现场作业人员转入作战状态时，要做好充分的 自我防护。同时要及时准确向矿调度发出事故情况 和现场情况的报告， 要充分利用水充分进行控温、 降 温， 如打开水幕或水阀直接对烟气降温、 过滤等。要 利用矿井送风管道内压缩空气作为待援待救避险时 的空气来源。要保证发生火灾前系统状态正常， 特 别是预抽瓦斯系统、 通风系统。 现场要密切监测 CH4 浓度和烟气流动形态，可利用现场材料制作防热辐 射墙、 小空间压风自救场所等。 3.3被困人员救援措施 很多独头煤巷火灾在初期能够被消灭，但若初 期处置不当或火势发展迅速， 高温、 浓烟、 局部冒顶 等因素会造成人员受困于灾区之内的独头巷道之 内， 积极施救、 科学自救能有效防控人员伤亡， 对保 障安全避灾至关重要。 3.3.1防止烟气完全充灌生存空间 保持正常的局部通风状态不能改变，绝不能随 意停开局部通风机。利用存入式通风将逆退的烟气 冷却、 阻滞、 排出， 条件适宜时， 还应加大局部供风 量。计算如下 h＝RQ 2 （1） Qhωcp△t（2 ） 图 4掘进工序与瓦斯涌出关系 Fig.4Relationship between driving process and gas emission 80 Safety in Coal Mines Vol.51No.11 Nov. 2020 第 51 卷第 11 期 2020 年 11 月 图 5 “三压一排” 降温控烟局部通风示意图 Fig.5Schematic diagram of local ventilation of“three- pressure one-emission”cooling and controlling smoke 式中 h 为通风阻力， Pa； R 为风阻， N s2/m8； Q 为风量， m3/s； Qh为热负荷， kW； ω 为质量流量， kg/s； cp为比热容， kJ/ （kg ℃） ； △t 为温差， ℃。 由式 （1） 可以看出加大风量， 可大大提高通风阻 力， 对于掘进面而言， 提高了工作面压力， 增加了风 速， 更有利于排烟和抑制烟流逆退的长度。由式 （2） 可以看出换热降温能力随流体流量加大而增强， 随 温差加大而加大， 因此增风并控温对救援是有益的。 人员进入工作面避灾时，要把火区与工作面间 净化水幕打开，形成强制冷却的屏障。可以利用矿 井压缩管道空气或压入式通风风筒形成径向附壁风 幕， 进一步阻隔， 形成第 2 道屏障。 一旦局部通风机不能向生存空间供风，要打开 矿井压缩空气风管末端控制阀门，利用管道压缩空 气供风，就目前矿井压风机设置而言，一般地面设 有螺杆压风机， 额定流量为 1 000 m3/h， 井下用风点 的压力可达 0.5 MPa， 压风机效率按 75计算， 由波 义尔-马略特定律 pV常数（3） 式中 p 为压力， Pa； V 为体积， m3。 计算可得单机、单一用风地点压缩空气供给量 可以达到 60 m3/min，可以满足 15 人重体力工作时 的需氧要求。为提高压风利用和效果，可以用风筒 等制作简单气囊，人员置身气囊内利用压缩空气提 高避灾处压力， 从而提高抵抗烟气能力[11-12]。 3.3.2风筒保护 目前所用风筒材料均具有阻燃性能，但其耐火 性能有限， 而局部通风是灾区人员生存最好的措施， 保护其不被烧毁十分重要。首先对局部通风机吸入 风流降温，增加火烧或高温作用下风筒段对流冷却 能力，同时也对改善生存环境有益。其次对高温烟 气烘烤或火烧处风筒进行强冷却，人员无法接近 时， 可以利用智控、 远控设备， 如智能机器人、 远程 控制灭火机器车等实施冷却工作。 3.3.3实时监测瓦斯浓度 正常通风情况下， 瓦斯的涌出量是缓慢的， 形成 积聚或达到预混浓度需要一个积累过程，加之扑灭 火灾用水及燃烧产物等影响因素，亦会增加爆炸气 体成分。单一的监测 CH4浓度是不够的， 而要计算 火区混合气体的爆破浓度下限，其爆炸浓度下限可 由莱-夏特尔法则求得， 如式 （4 ） [13-14] Gd ∑ri rCH 4 GCH 4 rCO GCO rCmHn GCH 4 rH 2 GH 2 （4） 式中 Gd为混合气体爆炸下限， ；∑ri为可燃 混合气浓度和， ； rH 2、 rCH4、 rCO、 rCmHn分别为混合气体 中 H2、 CH4、 CO、 CmHn的浓度， ； GCH 4、 GCO、 GH2分别 为混合气体中 CH4、 CO、 H2的爆炸下限， 。 QminQf 1-Gd Gd-ra （5 ） 式中 Qmin为最低供风量， m3/s； ra为进入火区空 气中可燃气体浓度， ； Qf为爆炸气体含量， m3/s。 基于式 （5） 的最低供风量 Qmin需求判断环境安 危，目前便携式气相色谱分析与防爆计算机的应用 可以快速提供以上依据。 3.3.4创建良好救援环境 当有人员受困于掘进工作面时， 快速排除烟气、 降低接近灾区环境温度是创建良好救援环境的关 键。“三压一排” 降温控烟局部通风示意图如图 5。 抽 出式通风将烟气与人员隔离开，增加通风量可有效 稀释逸散烟气和增加排热量。但抽出式通风不宜长 距离使用，而且对爆炸气体要监控使用。增加压入 风， 相当于创造了富燃料火灾烟气的新风掺入， 易形 成回燃条件， 因此使用时应先形成排烟， 再逐点供入 新风[15]。 4结语 1） 外因火灾的发生具有突发偶然性， 早期响应 至关重要， 日常加强管理完全可以避免。 尤其是发热 性高分子材料的应用必须在施工后做好监管工作。 2） 内因火灾的发生具有前期预兆， 通过强化隐 患排查是完全可以避免的。 3） 火灾发生后， 合理的控烟降温和科学的自救 是减少人员伤亡、 财产损失的有效措施。 81 Safety in Coal Mines 第 51 卷第 11 期 2020 年 11 月 Vol.51No.11 Nov. 2020 4） 在灭火战斗时， 必须严密监控爆炸性气体及 火势变化。 参考文献 ［1］ 刘学服， 方前程， 黄渊跃.独头煤巷掘进过程中瓦斯分 布规律研究 ［J］ .煤炭科学技术， 2012， 40 （3） 62-64. ［2］ 张晓东， 葛红霞.煤矿火灾事故应急救援技术分析 ［J］ . 能源技术与管理， 2012 （4） 124-126. ［3］ 吴兵， 雷柏伟.我国煤矿火灾应急救援体系建设机制 ［J］ .安全， 2017 （10） 61-63. ［4］ 李方.矿井火灾危害及其防治技术探究 ［J］ .煤炭科技， 2015 （3） 122-123. ［5］ 杨逾， 田瑞冬.煤矿井下留设煤柱蠕变规律 ［J］ .辽宁工 程技术大学学报 （自然科学版） ， 2016， 35 （10） 1026. ［6］ 刘洪生.矿山掘进巷道火灾事故的特点及其处理方法 ［J］ .煤炭技术， 2009， 28 （1） 107-109. ［7］ 张洪杰， 丁玉洁， 段齐齐.独头巷道火灾烟流滚退临界 通风量研究 ［J］ .河南理工大学学报 （自然科学版） ， 2017， 36 （3） 28-33. ［8］ 李坤， 全加， 由长福， 等.火灾位置对掘进巷道通风及 继发性灾害的影响 ［J］ .清华大学学报 （自然科学版） ， 2010， 50 （2） 270-273. ［9］ 张连龙.矿井独头巷道火灾事故处理方法的探讨 ［J］ . 科学技术创新， 2019 （7） 153-154. ［10］ 郑学召， 回硕， 文虎， 等.矿井火灾孕灾机制及防控技 术研究发展 ［J］ .煤矿安全， 2017， 48 （10） 148-151. ［11］ 张景奎， 慕守宝.掘进巷道火灾时期压风自救系统的 作用规律 ［J］ .黄金， 2013， 34 （11） 30-34. ［12］ 鹿存荣， 杨胜强， 肖化金， 等.独头煤巷通风风筒风量 与风压变化规律及影响因素分析 ［J］ 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