高瓦斯矿井特大火区治理的新技术
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如图 １ 所示 ，白芨沟特大火区进风侧标高位置 最低的巷道为 １６６０ 中巷（１６６０ 为标高） ，该巷通过 三条联络巷（一川 、二川和三川）与火区相连 ，巷道 为半圆拱锚喷支护 ，高为 ３ ．４３ m ，净断 面为 １２ ．７ m２ ， 巷道全长为 １ ７００ m ，按设计净断面最大需水 量计算为 ７４ ０５３ ．７ m３ ．经统计 ，１６６０ 中巷 累 计 灌 水 ７２ ８３５ m３ ．实施远距离水封隔爆技术后 ，井下没 有再出现瓦斯 爆 炸 ．水 封 技 术 的 实 施 为 后 续 的 灭 火 、恢复生产工作奠定了基础 ．
1 治理方案
根据特大火区的特点 ，采用的技术方案为 ： １） 对特大型火区 ，首先缩下封闭区域 ，采用对 火区进风侧的低位巷道进行水封的技术 ． ２） 为尽快实施从地面打钻向封闭火区灭火 ， 采用地面灭火钻孔快速施工的新技术和新工艺 ． ３） 为扑灭大空间的火灾 ，采用由氮气 、黄泥和 水三相介质组成的三相泡沫灭火新技术 ，三相泡沫 产生量大 ，有利于扑灭大空间的火灾 ． ４） 为防止火区在灭火 、缩封及启封过程中发 生爆炸 ，采用大流量注氮气并配合堵漏技术 ，惰化 火区 ，达到抑爆目的 ． ５） 在高瓦斯火区水封巷道的启封过程中 ，为 确保安全 ，采用水封巷道的锁风启封技术 ． ６） 在启封过程中 ，采用氮气喷雾对新启封出 火区巷道进行降温和保持启封区域的初始惰化状 态． ７） 对启封出的工作面 ，采用均压方法通风 ，避
常规钻井工艺难以克服的技术难题 ：一是火区地表 山路崎岖 、地势陡峭 ，难以布置井场 ；二是火区地表 覆盖 １０ ～ ２０ m 的矸石墟渣难以成孔 ；三是天寒地
第１期
王德明等 ： 高瓦斯矿井特大火区治理的新技术
３
冻 ，气温为 － ２０ ℃ 以下 ，难以保证施工用水 ；四是 火区上部存在难以逾越的采空区冒落带 ．在此复杂 困难条件下 ，提出了采用 T６８５WS 车载顶驱钻 机 快速施工地面钻孔的技术［３］ ：
白芨沟煤矿火区是我国建国以来最大的煤矿
井下火区 ，国内外没有现成的经验可供借鉴 ．国内 大同煤矿集团公司煤峪口矿和西山矿务局杜儿坪 矿曾出现过大型火区 ，均采取密闭 、均压等方法控 制火区 ，使其不影响下分层或邻近工作面的开采 ， 没有开展针对火区的直接灭火工作 ，也没有启封火 区和恢复火区的生产［１唱２］ ．国外煤矿发 生较 大 规 模 的井下火灾 ，一般都是低瓦斯矿井 ，发生的地点主 要在巷道内 ，通常采用大范围封闭隔离的方法 ，没
应用新钻井工艺技术 ，完成 １ 个钻孔仅需 ２ ～
４ d 的时间 ，共用 ４２ d ，就完成了 １１ 个灭火钻孔的 施工任务 ，为 该火 区 的 治 理 提 供 了 重 要 的 技 术 支 持． 2 ．3 地面钻孔大流量注三相泡沫灭火技术
针对白芨沟煤矿火区范围广 、冒落空间大 、火 源位置难以具体确定 、矿井全封闭的特点 ，提出了 地面 钻 孔 大 流 量 注 三 相 泡 沫 的 灭 火 工 艺 （图 ２）［４唱６］ ．在地面建立了可移动制浆站 ，将一定比例的 水与黄泥搅拌 混 合 ，通 过 渣 浆 泵 输 入 到 注 浆 管 路 中 ，再通过定量螺杆泵将发泡剂加入到浆液中 ，浆 液与发泡剂通过混合器进入发泡器 ，并引入氮气 ， 经过发泡器发泡形成三相泡沫 ．
收稿日期 ：２００６ ０２ ２６ 基 金 项 目 ： 国 家 自 然 科 学 基 金 项 目 （５０２７４０６８） ；国 家 重 点 基 础 研 究 “９７３” 项 目 （２００１ CB４０９６０１０２） 作 者 简 介 ： 王 德 明 （１９５６唱） ，男 ，贵 州 省 遵 义 市 人 ，教 授 ，博 士 生 导 师 ，从 事 矿 井 通 风 及 防 灭 火 方 面 的 研 究 ． E唱mail ： d m w an g ＠ cu m t ．edu ．cn Tel ： ０５１６唱８３ ９９５３５８
１） 当地表难以布置井场时 ，采用造斜定向新 工艺向火区定向侧斜钻进 ，钻孔准确进入火区 ，解 决了火区位置上部难以布置井场的困难 ．
２） 为在火区地表大量堆积的矸石 、墟渣上施 工 ，采用了跟管钻进的新工艺 ．在钻进过程中套管 在动力头的施压下 ，跟随钻头向下移动 ，避免墟渣 坍塌抱死钻头 ，保证了施工正常进行 ．
宁夏煤业集团公司白芨沟煤矿是高瓦斯矿井 ， 设计能力 ２００ 万 t／a ．２００３ 年 １０ 月 ２４ 日 ，白芨沟 煤矿井下采空区发生了瓦斯爆炸 ，引起了大范围的 火灾 ，因灾情不断扩大 ，被迫将全矿井封闭 ，封闭的 空间超过 １ ０００ 万 m３ ，其中火区为 ３００ 万 m３ ．在封 闭全矿井的过程中 ，又发生了多起瓦斯爆炸 ，冲击 波几度冲出井口 ，将井口密闭及通风机房摧毁 ．
7特大型火区均压启封方法及防复燃技术特大型火区内积存有大量的瓦斯和火灾气体采用常规的通风启封方法和锁风启封方法均不能在短时间内有效控制有害气体的涌出并且大量空气进入火区会破坏采空区内业已形成的惰化状态不利于火区的防复燃工作
第 ２３ 卷 第 ２００６ 年 ３
１期 月
采矿与安全工程学报 Journal of Mining & Safety Engineering
New T echnologies for Fighting Ex traordinary Fire in a High唱Gassy Coal M ine
W A N G De唱ming１ ， Z H A N G Yong唱jiu２ ， Z H A N G Yu唱liang２ ， Z H O U Fu唱bao１ ， S H U I Xiao唱yun２ ， LI Xiang２
图 ２ 地面钻孔注三相泡沫的制浆与发泡装置 Fig ．２ The operation of pouring three唱phase foam on the earth surface
对于高瓦斯矿井 ，在矿内已有火源的情况下 ， 封闭火区构筑密闭时易发生爆炸 ，白芨沟煤矿不得 已采用了全矿井封闭的方法 ．全矿井封闭后形成的 特大空间内仍存在大量的氧气 ，因此爆炸仍不断发 生 ，每次爆炸又破坏了封闭的空间 ．为此 ，必须缩小 封闭区域 ，提出了远距离水封抑爆方法 ．水封与水 淹不同 ，水封只是对火区的进风侧的低位巷道进行 水封 ，需水量少 ，实施较为容易 ．
文章编号 ：１６７３唱３３６３（２００６）０１唱００４７唱０５
Vol ．２３ Mar ．N Nhomakorabea ．１ ２００６
高瓦斯矿井特大火区治理的新技术
王德明１ ，章永久２ ，张玉良２ ，周福宝１ ，税晓云２ ，李 祥２
（１ ．中国矿业大学 能源与安全工程学院 ，江苏 徐州 ２２１００８ ；２ ．神华宁夏煤业集团有限责任公司 ，宁夏 银川 ７５０００４）
通过地面钻孔大流量注三相泡沫 ，灭火工作取 得显著进展 ：大量的三相泡沫注入火区后快速起到 了灭火抑爆的作用 ，CO 等火灾标志性气体呈现连 续下降趋势 ，火区内氧气的体积分数也迅速降低到 ５ ％ 以下 ，火区得到了有效控制 ，扑灭后的火区也再 未发生复燃 ．对于部分浅埋深 、漏风严重的区域 ，含 氮气三相泡沫利用泡沫的固氮特性进行了有效的 惰化 ，避免了直接注氮气易流失的缺点［７］ ．
图 １ 白芨沟煤矿 １６６０ 中巷及水封后的示意图 Fig ．１ The map of １６６０ laneway and its water sealed sketch in Baijigou mine
2 ．2 地面灭火钻孔快速施工技术 白芨沟煤矿全矿井封闭 ，灭火工作只能通过地
面施工灭火钻孔进行 ．但是在钻孔施工过程中遇到
２
采矿与安全工程学报
第 ２３ 卷
有扑灭特大 型火 区 的 报 导 ．而 白 芨 沟 矿 火 区 范 围 广 、瓦斯涌出量大 、巷道破坏严重 、采空区冒落空间 大 、井上下漏风严重 ，加之矿井地处贺兰山腹地 ，山 路崎岖车辆 难以 通 行 ，地 表 基 岩 坚 硬 难 以 施 工 钻 孔 ，气候严寒 、缺土少水等使救灾工作面临极大的 困难 ．对该火与瓦斯共存条件下的特大型火区灭火 降温 、惰化与抑爆 ，特大型火区的逐步启封（缩封） 及防复燃等技术进行了研究 ，建立了一套高瓦斯矿 井特大型火区治理的综合技术 ，应用这些技术扑灭 了该火区 ，最后使矿井恢复了生产 ．
免采空区中的 火 区 气 体 及 瓦 斯 涌 出 ；采 用 控 风 降 压 ，开放式注氮 、注三相泡沫 ，重点区域监控等方法 防止火区的复燃 ．
2 治理技术
以宁夏白芨沟煤矿特大型火区的治理为切入 点 ，建立了远距离水封抑爆 、地面灭火钻孔快速施 工 、地面大流量注三相泡沫 、大流量注氮抑爆和惰 化火区 、高瓦斯火区水封巷道的锁风启封 、氮气喷 雾降温 、均压启封火区及防复燃等一整套治理特大 火区的技术 ． 2 ．1 远距离水封抑爆技术
（１ ． School of Mining and Safety Engineering ， China University of Mining & Technology ， Xuzhou ， Jiangsu ２２１００８ ，China ；２ ． Shenhua唱Ningxia Coal Industry Group ， Yinchuan ， Ningxia ７５０００４ ， China）
３） 在天气严寒无法使用水钻和无法通电的情 况下 ，依靠钻机自身配置的动力系统和液压系统来 实施钻井施工 ，采用空气潜孔锤冲击钻进工艺 ，不 用水而采用空气作为循环介质 ．
４） 火区发生在二水平 ，其上部存在着一水平 采空区 ，灭火钻孔要穿越采空区到达火区煤层 ，常 规钻井技术不可能实现 ，采用空气潜孔锤冲击钻进 工艺和采用无外接箍小钻具方法实施钻进 ，顺利实 现了钻孔穿越采空区直达钻孔设计终孔位置 ．
Abstract ： During the extinguish ment of an extraordinary mine fire in Baijigou coal mine ， a se唱 ries of new technologies were developed ． T hese technologies include remote w ater sealing to suppress explosion ， fast construction of boreholes ， massy injection of three唱phase foam ， massy infusion of nitrogen to suppress explosion ， unsealing of highly唱gassy and w atered tunnel with air locked ， cooling with w ater唱sprayed nitrogen ， unseal of fire zone with pressure balanced ， prevention of after唱combustion ， etc ． T he methane in the fire zone stopped explosion using these technologies ， and the fire w as totally ex tinguished ． M oreover ， these technologies en唱 sured the safety of rescue and production唱recovery w ork ． Key words ： gas explosion ； mine fire ； fighting fire ； suppress explosion ； three唱phase foam
摘要 ： 通过治理宁夏白芨沟煤矿特大型火区 ，研究开发了远距离水封抑爆 、地面灭火钻孔快速施 工 、地面大流量注三相泡沫 、大流量注氮抑爆和惰化火区 、高瓦斯火区水封巷道的锁风启封 、氮气 喷雾降温 、均压启封火区及防复燃等一整套治理高瓦斯矿井特大火区的技术 ．应用这些技术抑制 了白芨沟煤矿特大火区内瓦斯的再爆炸 ，扑灭并安全启封了该火区 ，在救灾和恢复生产过程中确 保了安全 ． 关键词 ：瓦斯爆炸 ；矿井火灾 ；灭火 ；抑爆 ；三相泡沫 中图分类号 ： T D ７５３ ．４ 文献标识码 ： A
1 治理方案
根据特大火区的特点 ，采用的技术方案为 ： １） 对特大型火区 ，首先缩下封闭区域 ，采用对 火区进风侧的低位巷道进行水封的技术 ． ２） 为尽快实施从地面打钻向封闭火区灭火 ， 采用地面灭火钻孔快速施工的新技术和新工艺 ． ３） 为扑灭大空间的火灾 ，采用由氮气 、黄泥和 水三相介质组成的三相泡沫灭火新技术 ，三相泡沫 产生量大 ，有利于扑灭大空间的火灾 ． ４） 为防止火区在灭火 、缩封及启封过程中发 生爆炸 ，采用大流量注氮气并配合堵漏技术 ，惰化 火区 ，达到抑爆目的 ． ５） 在高瓦斯火区水封巷道的启封过程中 ，为 确保安全 ，采用水封巷道的锁风启封技术 ． ６） 在启封过程中 ，采用氮气喷雾对新启封出 火区巷道进行降温和保持启封区域的初始惰化状 态． ７） 对启封出的工作面 ，采用均压方法通风 ，避
常规钻井工艺难以克服的技术难题 ：一是火区地表 山路崎岖 、地势陡峭 ，难以布置井场 ；二是火区地表 覆盖 １０ ～ ２０ m 的矸石墟渣难以成孔 ；三是天寒地
第１期
王德明等 ： 高瓦斯矿井特大火区治理的新技术
３
冻 ，气温为 － ２０ ℃ 以下 ，难以保证施工用水 ；四是 火区上部存在难以逾越的采空区冒落带 ．在此复杂 困难条件下 ，提出了采用 T６８５WS 车载顶驱钻 机 快速施工地面钻孔的技术［３］ ：
白芨沟煤矿火区是我国建国以来最大的煤矿
井下火区 ，国内外没有现成的经验可供借鉴 ．国内 大同煤矿集团公司煤峪口矿和西山矿务局杜儿坪 矿曾出现过大型火区 ，均采取密闭 、均压等方法控 制火区 ，使其不影响下分层或邻近工作面的开采 ， 没有开展针对火区的直接灭火工作 ，也没有启封火 区和恢复火区的生产［１唱２］ ．国外煤矿发 生较 大 规 模 的井下火灾 ，一般都是低瓦斯矿井 ，发生的地点主 要在巷道内 ，通常采用大范围封闭隔离的方法 ，没
应用新钻井工艺技术 ，完成 １ 个钻孔仅需 ２ ～
４ d 的时间 ，共用 ４２ d ，就完成了 １１ 个灭火钻孔的 施工任务 ，为 该火 区 的 治 理 提 供 了 重 要 的 技 术 支 持． 2 ．3 地面钻孔大流量注三相泡沫灭火技术
针对白芨沟煤矿火区范围广 、冒落空间大 、火 源位置难以具体确定 、矿井全封闭的特点 ，提出了 地面 钻 孔 大 流 量 注 三 相 泡 沫 的 灭 火 工 艺 （图 ２）［４唱６］ ．在地面建立了可移动制浆站 ，将一定比例的 水与黄泥搅拌 混 合 ，通 过 渣 浆 泵 输 入 到 注 浆 管 路 中 ，再通过定量螺杆泵将发泡剂加入到浆液中 ，浆 液与发泡剂通过混合器进入发泡器 ，并引入氮气 ， 经过发泡器发泡形成三相泡沫 ．
收稿日期 ：２００６ ０２ ２６ 基 金 项 目 ： 国 家 自 然 科 学 基 金 项 目 （５０２７４０６８） ；国 家 重 点 基 础 研 究 “９７３” 项 目 （２００１ CB４０９６０１０２） 作 者 简 介 ： 王 德 明 （１９５６唱） ，男 ，贵 州 省 遵 义 市 人 ，教 授 ，博 士 生 导 师 ，从 事 矿 井 通 风 及 防 灭 火 方 面 的 研 究 ． E唱mail ： d m w an g ＠ cu m t ．edu ．cn Tel ： ０５１６唱８３ ９９５３５８
１） 当地表难以布置井场时 ，采用造斜定向新 工艺向火区定向侧斜钻进 ，钻孔准确进入火区 ，解 决了火区位置上部难以布置井场的困难 ．
２） 为在火区地表大量堆积的矸石 、墟渣上施 工 ，采用了跟管钻进的新工艺 ．在钻进过程中套管 在动力头的施压下 ，跟随钻头向下移动 ，避免墟渣 坍塌抱死钻头 ，保证了施工正常进行 ．
宁夏煤业集团公司白芨沟煤矿是高瓦斯矿井 ， 设计能力 ２００ 万 t／a ．２００３ 年 １０ 月 ２４ 日 ，白芨沟 煤矿井下采空区发生了瓦斯爆炸 ，引起了大范围的 火灾 ，因灾情不断扩大 ，被迫将全矿井封闭 ，封闭的 空间超过 １ ０００ 万 m３ ，其中火区为 ３００ 万 m３ ．在封 闭全矿井的过程中 ，又发生了多起瓦斯爆炸 ，冲击 波几度冲出井口 ，将井口密闭及通风机房摧毁 ．
7特大型火区均压启封方法及防复燃技术特大型火区内积存有大量的瓦斯和火灾气体采用常规的通风启封方法和锁风启封方法均不能在短时间内有效控制有害气体的涌出并且大量空气进入火区会破坏采空区内业已形成的惰化状态不利于火区的防复燃工作
第 ２３ 卷 第 ２００６ 年 ３
１期 月
采矿与安全工程学报 Journal of Mining & Safety Engineering
New T echnologies for Fighting Ex traordinary Fire in a High唱Gassy Coal M ine
W A N G De唱ming１ ， Z H A N G Yong唱jiu２ ， Z H A N G Yu唱liang２ ， Z H O U Fu唱bao１ ， S H U I Xiao唱yun２ ， LI Xiang２
图 ２ 地面钻孔注三相泡沫的制浆与发泡装置 Fig ．２ The operation of pouring three唱phase foam on the earth surface
对于高瓦斯矿井 ，在矿内已有火源的情况下 ， 封闭火区构筑密闭时易发生爆炸 ，白芨沟煤矿不得 已采用了全矿井封闭的方法 ．全矿井封闭后形成的 特大空间内仍存在大量的氧气 ，因此爆炸仍不断发 生 ，每次爆炸又破坏了封闭的空间 ．为此 ，必须缩小 封闭区域 ，提出了远距离水封抑爆方法 ．水封与水 淹不同 ，水封只是对火区的进风侧的低位巷道进行 水封 ，需水量少 ，实施较为容易 ．
文章编号 ：１６７３唱３３６３（２００６）０１唱００４７唱０５
Vol ．２３ Mar ．N Nhomakorabea ．１ ２００６
高瓦斯矿井特大火区治理的新技术
王德明１ ，章永久２ ，张玉良２ ，周福宝１ ，税晓云２ ，李 祥２
（１ ．中国矿业大学 能源与安全工程学院 ，江苏 徐州 ２２１００８ ；２ ．神华宁夏煤业集团有限责任公司 ，宁夏 银川 ７５０００４）
通过地面钻孔大流量注三相泡沫 ，灭火工作取 得显著进展 ：大量的三相泡沫注入火区后快速起到 了灭火抑爆的作用 ，CO 等火灾标志性气体呈现连 续下降趋势 ，火区内氧气的体积分数也迅速降低到 ５ ％ 以下 ，火区得到了有效控制 ，扑灭后的火区也再 未发生复燃 ．对于部分浅埋深 、漏风严重的区域 ，含 氮气三相泡沫利用泡沫的固氮特性进行了有效的 惰化 ，避免了直接注氮气易流失的缺点［７］ ．
图 １ 白芨沟煤矿 １６６０ 中巷及水封后的示意图 Fig ．１ The map of １６６０ laneway and its water sealed sketch in Baijigou mine
2 ．2 地面灭火钻孔快速施工技术 白芨沟煤矿全矿井封闭 ，灭火工作只能通过地
面施工灭火钻孔进行 ．但是在钻孔施工过程中遇到
２
采矿与安全工程学报
第 ２３ 卷
有扑灭特大 型火 区 的 报 导 ．而 白 芨 沟 矿 火 区 范 围 广 、瓦斯涌出量大 、巷道破坏严重 、采空区冒落空间 大 、井上下漏风严重 ，加之矿井地处贺兰山腹地 ，山 路崎岖车辆 难以 通 行 ，地 表 基 岩 坚 硬 难 以 施 工 钻 孔 ，气候严寒 、缺土少水等使救灾工作面临极大的 困难 ．对该火与瓦斯共存条件下的特大型火区灭火 降温 、惰化与抑爆 ，特大型火区的逐步启封（缩封） 及防复燃等技术进行了研究 ，建立了一套高瓦斯矿 井特大型火区治理的综合技术 ，应用这些技术扑灭 了该火区 ，最后使矿井恢复了生产 ．
免采空区中的 火 区 气 体 及 瓦 斯 涌 出 ；采 用 控 风 降 压 ，开放式注氮 、注三相泡沫 ，重点区域监控等方法 防止火区的复燃 ．
2 治理技术
以宁夏白芨沟煤矿特大型火区的治理为切入 点 ，建立了远距离水封抑爆 、地面灭火钻孔快速施 工 、地面大流量注三相泡沫 、大流量注氮抑爆和惰 化火区 、高瓦斯火区水封巷道的锁风启封 、氮气喷 雾降温 、均压启封火区及防复燃等一整套治理特大 火区的技术 ． 2 ．1 远距离水封抑爆技术
（１ ． School of Mining and Safety Engineering ， China University of Mining & Technology ， Xuzhou ， Jiangsu ２２１００８ ，China ；２ ． Shenhua唱Ningxia Coal Industry Group ， Yinchuan ， Ningxia ７５０００４ ， China）
３） 在天气严寒无法使用水钻和无法通电的情 况下 ，依靠钻机自身配置的动力系统和液压系统来 实施钻井施工 ，采用空气潜孔锤冲击钻进工艺 ，不 用水而采用空气作为循环介质 ．
４） 火区发生在二水平 ，其上部存在着一水平 采空区 ，灭火钻孔要穿越采空区到达火区煤层 ，常 规钻井技术不可能实现 ，采用空气潜孔锤冲击钻进 工艺和采用无外接箍小钻具方法实施钻进 ，顺利实 现了钻孔穿越采空区直达钻孔设计终孔位置 ．
Abstract ： During the extinguish ment of an extraordinary mine fire in Baijigou coal mine ， a se唱 ries of new technologies were developed ． T hese technologies include remote w ater sealing to suppress explosion ， fast construction of boreholes ， massy injection of three唱phase foam ， massy infusion of nitrogen to suppress explosion ， unsealing of highly唱gassy and w atered tunnel with air locked ， cooling with w ater唱sprayed nitrogen ， unseal of fire zone with pressure balanced ， prevention of after唱combustion ， etc ． T he methane in the fire zone stopped explosion using these technologies ， and the fire w as totally ex tinguished ． M oreover ， these technologies en唱 sured the safety of rescue and production唱recovery w ork ． Key words ： gas explosion ； mine fire ； fighting fire ； suppress explosion ； three唱phase foam
摘要 ： 通过治理宁夏白芨沟煤矿特大型火区 ，研究开发了远距离水封抑爆 、地面灭火钻孔快速施 工 、地面大流量注三相泡沫 、大流量注氮抑爆和惰化火区 、高瓦斯火区水封巷道的锁风启封 、氮气 喷雾降温 、均压启封火区及防复燃等一整套治理高瓦斯矿井特大火区的技术 ．应用这些技术抑制 了白芨沟煤矿特大火区内瓦斯的再爆炸 ，扑灭并安全启封了该火区 ，在救灾和恢复生产过程中确 保了安全 ． 关键词 ：瓦斯爆炸 ；矿井火灾 ；灭火 ；抑爆 ；三相泡沫 中图分类号 ： T D ７５３ ．４ 文献标识码 ： A