第七章第七章 火区封闭和启封火区封闭和启封 火区封闭是减少火源氧气供给、控制火势发展的一项重要技术手段，火区封闭质量的好坏直接决定了防灭火的效果。而火源熄灭后，启封措施是否得当又是后续生产能否安全和顺利进行的关键，稍有不慎，很容易导致火区复燃，甚至引发爆炸事故，从而造成重大的人员伤亡。本章主要介绍火区封闭、管理及启封的相关技术和要求。第一节第一节 火区封闭火区封闭 煤矿发生火灾后，不能直接灭火时，必须封闭火区。封闭火区就是用防火墙把进风侧和回风侧所有通向火区的巷道以及巷道内易向火源漏风的区域封严。火区封闭后，切断了外界的供氧，使得火区内生热和散热平衡系统破坏，这种情况持续一定时间即能使火源彻底熄灭。按照封闭区域的不同，封闭可分为井下封闭和地表封闭两种类型。井下封闭为局部封闭，地表封闭一般为全矿井封闭，后者在实际救灾中应用不多，因此本书主要介绍井下封闭。 一、火区封闭的基本原则 火区密闭的原则是：准备先行，行动果断，密闭墙要“密、少、快、小”，实施过程要加强监控。 井下直接灭火未能奏效时，应果断采取封闭火区的方法进行灭火，以尽量争取时间上的有利条件。许多救灾的实践表明：封闭火区灭火的成功几率随时间的拖延呈指数形式迅速下降。 处理矿井火灾的一个重要原则就是：不管采用何种灭火方法，也不管火灾的范围有多大，都应同时准备火区封闭预案，提前做好封闭火区的思想和物质准备。这是因为矿井的条件极其复杂，火源的发展受多种因素的影响，所以火势随时都有扩大化的可能，万一所用的灭火技术无法有效控制火势的发展，应保证能够及时进行封闭，将事故损失减小到最低。1、准备先行2、行动果断3、封闭“四字诀” 火区封闭的“四字诀”是“密、少、快、小”。“密”是指密闭墙要严密，尽量减少漏风；“少”是指密闭墙的道数要少；“快”是指封闭墙的施工速度要快；“小”是指封闭范围要尽量小。 原则上讲火区封闭时，应尽量使火区范围小一点。封闭范围越小，特别当进风侧防火墙与火源距离越小时，渗漏的新鲜风流在火区中的流动距离越小，封闭后的火区氧气浓度下降也越快，从而实现较好的灭火效果。但从另外一个角度来说，封闭火区的范围越小，防火墙与火源的距离越小，则火区的高温烟流对防火墙（特别是回风侧的防火墙）的影响也越大，直接威胁防火墙构筑人员的人身安全。而且对于瓦斯矿井，火区范围小更容易使可燃气体积聚达到爆炸界限，有可能在密闭过程中就发生爆炸，威胁人员生命安全，这时可适当扩大封闭的范围。4、加强监控 火区封闭时应实时监测大气压力、火区气体以及风流状态的变化。尽量在大气压力较高且上升的时候封闭火区。火区封闭过程中，要指定专人对瓦斯、CO、O2及其它有害气体浓度和风流状态的变化进行有效的监控，防止因瓦斯爆炸和风流状态的紊乱等造成灾害事故的扩大化。二、火区封闭的顺序 进行火区封闭时，应根据火区范围、火势大小、瓦斯涌出量等情况来决定火区封闭的顺序。一般是将对火区影响不大的次要巷道首先封闭起来，然后再封闭火区的主要进、回风巷。在多风路的火区建造防火墙时，应根据火区范围、火势大小、瓦斯涌出量及火区内是否有瓦斯积聚区和采空区等情况来决定封闭顺序，如表7-1-1所示。表7-1-1 不同火区封闭顺序的适用条件及优缺点比较封闭顺序优点缺点适用条件先进风巷、后回风巷 迅速减少向火区的供氧，使火势因缺氧而大大减弱，减少了流向回风侧的烟流量，为构建回风侧的防火墙创造条件1.易导致火区压力降低而“抽吸”瓦斯；2.可能引起风流紊乱；3.风流与瓦斯混合，可能引发爆炸 适用于火区瓦斯浓度较低且不与采空区或高瓦斯积聚区相连的情况封闭顺序优点缺点适用条件进、回风巷同时封闭1. 火区封闭耗时少，能尽快切断供氧2.火区封闭前仍能保持通风，火区可燃气体浓度不易达到爆炸界限 安全性与进回风侧能否保证同步封闭密切相关，井下由于通讯的困难和条件的复杂性，较难按预定时间完成同时封闭 应用范围较广，应用较为普遍，高、低瓦斯矿井均可采用先回风巷、后进风巷1.反转回流的惰性烟气能惰化火区；2.火区气压升高，抑制瓦斯涌出1.易发生风流紊乱，造成可燃高温烟气回流至火区，引起爆炸；2. 在进风侧未封闭的情况下，回风侧的防火构筑墙工作比较艰苦，危险性也更大一般不宜采用，有些情况下也可以考虑：1.火势不大、温度不高、瓦斯含量低，用以截断火源蔓延；2.高瓦斯区域，防火墙和火源之间存在瓦斯源 需要指出的是，采用进、回风巷同时封闭时，由于回风侧高温且存在大量浓烟，工作条件极为恶劣，该处的防火墙构建可能无法与进风侧同时完成。实际操作时，一般先在进风侧初步建成防火墙并留有通风孔，通风孔的大小要既能保证火区上风侧不致发生瓦斯超限聚积，又能在一定程度上控制火势发展，从而给回风侧防火墙的构筑提供一个相对有利的条件。回风侧防火墙建至一定程度时，再约定好时间，同时封闭进、回风侧的防火墙，封闭后工作人员必须立即撤到安全地点。 对于低瓦斯或者无瓦斯区域，为了便于操作，应先构筑进风侧密闭，这样就可以减少火区供风，从而减少火灾的燃烧强度，降低火源温度。对于高瓦斯矿井，国内外都普遍采用进、回风巷同时密闭的方法，既减少了火区供风，又为回风侧密闭提供了相对较好的条件，安全性较高。然而，有些研究表明，对于高瓦斯区域，如果能先封闭回风侧防火墙，燃烧产生的惰性气体就可以回流到火区，对火区起到一定的惰化作用，而且可以抑制瓦斯的涌出。 火区封闭后，在一段时间内（英国统计为124 h，美国统计为46 h，主要与火区情况和防火墙的位置有关）极有可能发生爆炸，因此火区封闭后应立即撤出，24 h以后才可以靠近封闭区进行探测。 三、防火墙的构建1. 防火墙的分类 根据防火墙所起的作用不同，主要分为临时防火墙、永久防火墙和耐爆防火墙三种。现将其作用和布置方法介绍如下。（1）临时防火墙 临时防火墙的作用是临时阻断火区供风，控制火势发展。在建筑时突出一个“快”字和一个“严”字。最常见的临时防火墙主要有以下两种形式： 风障临时防火墙 临时防火墙的风障主要由帆布制成，单独使用帆布做风障必然会造成一定的漏风，所以经常需附带一些加固装置，如图7-1-1（c）、（d）中的弹性胶带和钢丝绳。图7-1-1 风障临时防火墙a）在木支柱支护的巷道；b）在弧形可伸缩钢梁支护的巷道；c）附加弹性胶带加固；d）附加钢丝绳加固 木板临时防火墙 木板临时防火墙(如图7-1-2所示)就是通常所说的“板闭”，是我国目前普遍采用的临时防火墙，架设起来也比较容易。木板防火墙对于瓦斯、火灾气体渗透性高，抗空气冲击波能力弱，特别是当抹面粘土干燥脱落后更为明显，所以临时防火墙建成之后，应紧接着建筑永久性防火墙。 图7-1-2 木板临时防火墙a）在木支柱支护的巷道；b）在弧形钢支架支护的巷道 除了这两种之外，临时防火墙还有伞形临时防火墙（如图7-1-3所示）、充气式临时防火墙（如图7-1-4所示）。前者架设速度快，但漏风率较大。在此基础上，经完善和改进形成了如组合撑伞式快速密闭、伞形充气式等稳定性好、漏风率较低的临时防火墙；后者不受巷道断面、几何形状、支架类型的限制，而且漏风率小，但稳定性一般较差。图7-1-3伞形临时防火墙图7-1-4 风筒充气式防火墙（2）永久性防火墙 永久性防火墙用于长期封闭火区，建筑时既要坚固又要密实。根据用料不同，分为木段、料石、砖和混凝土等多种形式。木段与混凝土防火墙适用于地压较大的巷道；料石和砖防火墙适用于顶板稳定、地压不大的巷道。 木段防火墙 木段防火墙如图7-1-5所示。因木材本身的长短、曲直等问题以及受到巷道断面、支护形式等各方面因素的限制，木段防火墙的应用具有很大的局限性，而且木垛内必须用水泥等堵漏材料充填，再加上巷道边缘处较难处理，造成了该类防火墙的应用并不是很广泛，在客观条件允许而密封等技术又具备的情况下也可以采用，此时木段防火墙的厚度应根据墙的横截面积选取。图7-1-5 木段永久性防火墙 砖防火墙 砖墙永久性防火墙（如图7-1-6所示）比木段防火墙更为坚固，而且密闭效果也好得多，因而被广泛采用。但砖墙防火墙的砌筑也必须达到一定的要求：墙厚不得低于0.5 m，1 m3大约需要400块砖，0.3 m3水泥浆。每个防火墙应设有监测取样管，以监测防火墙内的气体成分和压力，同时在底部应该设置排水管路。图7-1-6 砖墙永久性防火墙 对于地压较大的地点，为保证防火墙能承受一定的压力，在防火墙中加设木板可以使墙体受力均匀(如图7-1-7所示)，缓冲受到的压力。图7-1-7 中间加入板材的砖墙永久性防火墙 混凝土防火墙 混凝土防火墙如图7-1-8所示。它最大的特点是具有很强的缓冲性，能够抵抗1MPa冲击波冲击。为了防止混凝土因凝固收缩产生缝隙、气泡或孔洞，待模板拆除后，要及时进 行充填。或用高压泵向其缝隙内进行灌浆充填，或采用喷涂混疑土的办法堵塞缝隙和孔洞，以防漏风供氧。图7-1-8 混凝土防火墙 多层混合式防火墙 也可以将上述一种或几种防火墙结合起来使用，如图7-1-9所示。这种防火墙更为牢固，只是施工起来相对复杂一些。图7-1-9多层混合式防火墙1装砂或岩粉的麻袋；2砖墙；3充填管；4放水管；5返水池 （3）耐爆防火墙 耐爆防火墙是在瓦斯较大的地区封闭火区时，为防止火区内发生瓦斯或火灾气体爆炸对封闭区外部的人员受到伤害而构筑的具有防爆功能的防火墙。耐爆防火墙必须承受一定的压力，各国要求不一致,例如，美国联邦法规规定不低于0.14 MPa，印度的规定范围是0.150.4 MPa。 常用耐爆防火墙 a. 沙袋耐爆防火墙 在爆炸冲击波的作用下，必须要求耐爆密闭墙的震动周期小于冲击波压力作用在密闭墙上的时间，也就是必须具有更好的耐压性能。因此，对耐爆防火墙在材料上和制作上必须有其特殊的要求。这种防火墙一般是用沙袋堆砌而成（如图7-1-10所示），也可用砂段构成。图7-1-10 沙袋耐爆防火墙a)不带通行孔；b)同时带通行孔和注惰气通道1注惰气通道；2排水管；3通道；4气体成分监测孔；5支撑架 b. 石膏耐爆防火墙 国外目前也有采用石膏快速充填耐爆防火墙（如图7-1-11所示）。石膏防火墙墙厚通常为23.5m。施工时先掏锥形槽，再砌两个带加强支护的木板墙，用管道把水和石膏粉送到石膏泵中混合，再用软管送到面板墙之间灌注、硬化成型，固化后的石膏抗压强度可达6MPa。1985年大同矿务局永定庄煤矿11号层406盘区发生自燃火灾，用砖石和其它形式的密闭均未能解决漏风和火灾气体泄漏问题，再砌筑了石膏密闭后，以上问题得到了很好的解决。图7-1-11石膏耐爆防火墙1取样管；2测温孔；3检测孔；4U形压差计；5石膏充填料出口；6充填管7供料带；8空气采样管；9支撑架；10排水管；11木板支架；12网罩 除了上述两种常使用的传统耐爆防火墙外，也可因地制宜，在条件具备的前提下可采用水封的方法。采用水封时，可以远程操作，安全可靠，具有操作简单、严密性好、充分隔爆以及启封方便的优点。图7-1-12为宁夏白芨沟煤矿高瓦斯特大火区采用的水封示意图。如果巷道中的某一部分存在低洼处，也可以对巷道进行局部水封，如图7-1-13所示。水封技术不同于水淹，它只是对火区进风侧或回风侧的低位巷道进行水封，需水量少，实施较为容易。图7-1-12 白芨沟煤矿高瓦斯特大火区水封示意图图7-1-13 局部水封火区示意图 改进的耐爆防火墙 a. 形状上改进 当然也有在防火墙的形状上做一定改进来增加抗爆性能的方法，如图7-1-14所示的耐爆防火墙，防火墙凸向火区一边，这样就能比平直形状的防火墙承受更大的冲击压力 。图7-1-14 凸型耐爆砖墙 b. 添加缓冲设施 为了增加防火墙的耐爆强度，除了在材料上和形状上的改进外，还可以在防火墙和火区之间辅助以某种压力缓冲设施，如图7-1-15所示。带消波钢帘的耐爆防火墙由一道密闭墙和一排或几排悬挂在巷道顶梁上，在爆炸冲击波的作用下可摆动的工字钢组成。钢帘位于密闭墙和火区之间，其作用就是减缓作用在密闭墙上的压力；带消波孔的耐爆防火墙由两道石膏防火墙组成，在面向火区可能发生爆炸的第一道防火墙中设置几根直径为100300mm钢管，其作用同钢帘一样，减缓冲击波压力，保护其后的第二道防火墙，同样，在防火墙前方堆砌防垒也可以起到相同的作用。（a) 安装水槽的耐爆防火墙（b) 含消波钢帘的耐爆防火墙（c) 含消波孔的耐爆石膏双墙密闭图7-1-15 带缓冲设施的耐爆防火墙 防火墙的技术要求 a. 厚度要求 沙袋防火墙的厚度一般为巷宽的两倍，砂段防火墙的厚度至少要保持在5m10m，石膏防火墙的厚度也是取决于巷道断面的大小，具体要求如表7-1-2所列 。表7-1-2 各类防爆墙的最小厚度井巷断面(m2)石膏墙沙袋墙水沙充填厚度(m)厚度(m)石膏粉(t)厚度(m)沙袋数量（袋）5.02.2115150057.52.519626005810.533074200810143.542864001015 b. 气密性要求 耐爆防火墙在保证强度的同时，还必须满足气密性的要求。目前，我国还没有相关的技术标准，美国规定了耐爆防火墙在受到爆炸冲击后所允许的气体泄漏率标准，如表7-1-3所列。表7-1-3 美国规定的耐爆防火墙遭受爆炸冲击后允许的气体泄漏率防火墙两侧压差 /Pa气体泄漏率 /m3min-12502.835004.257505.667507.08 在进风侧建防火密闭墙必须严密坚固，在墙面上及其前面一定距离的巷道两帮都要涂抹一层灰浆。由于防火墙不可能把火区完全严密隔离，在不易看到的裂缝及构筑材料的孔隙中，总有空气渗入火区，诱发火灾逆风向扩展，逐渐移向防火墙附近。所以，一般情况下，防火墙要采用耐温材料，如果条件允许可以在墙面贴防火胶带、防火密封条或者喷涂防火漆等。2. 防火墙位置的选择 防火墙的位置必须根据封闭火区范围要小，防火墙的数量要少，封闭的时间要快，封闭的密封性要严的原则进行确定。所以火区进风防火墙的位置要求选在距火源近，且支护完整的地段，而且防火墙周围5m以内无杂物、积水、淤泥、煤尘堆、片帮和冒顶。为使防火墙避开断层，设在没有裂隙的岩体内，有时可能造成密闭墙离火源距离较远，从而增加防火墙的数量，给以后打开火区造成一定的困难。所以，防火墙的位置应当根据实际情况进行综合考虑而定。 在进风防火墙与火源之间不能存在连通火源前后的巷道，如图7-1-16所示。这种巷道易造成火烟的循环，容易导致火灾气体爆炸。图7-1-16 进风侧防火墙位置选择（a）火区进风侧防火墙位置选择错误；（b）火区进风侧防火墙位置选择正确 另外，防火墙的位置距巷道的交叉口也不宜过远，因防火墙建成之后将形成一个盲巷，很容易产生瓦斯聚积，使检查人员无法入内。如图7-1-17所示，火源在P点，虽然火源附近A点的岩石比较结实，由于此处离新鲜风流太远，不宜在此设防火墙，而应建在B处。一般要求防火墙距新鲜贯穿风流510 m。防火墙必须建在距贯穿风流较远处时，应该建导风设施，如图7-1-18所示。另外，考虑到运输的方便性，防火墙都应建在运输巷附近，这样可以缩短建密闭的时间，保证封闭工作顺利进行。 由于封闭火区的原则在很多情况下是相互制约的，因此防火墙的布置应根据实际情况，综合考虑上述原则确定。在防灭火措施计划中，对预计易发生火灾的地点实施封闭措施时，都要预计灭火时建筑防火墙的位置、布置方式和对防火墙质量的要求。图7-1-17 新鲜风流近处布置密闭墙图7-1-18 封闭火区形成盲巷通风3. 防火墙的构筑 构建防火墙的目的是在整个火区封闭期间隔断流向火源的风流。 为了减少防火墙的漏风，原美国矿业局的相关研究人员提出了一些技术措施，现场应用证实这些措施能够有效提高防火墙的构筑质量和减少漏风，现简要介绍如下： （1）在砌筑混凝土防火墙过程中，对竖直的防火墙面进行抹面时，用具有适当强度的塑料硬毛刷代替抹刀刷涂砂浆，可以增加防火墙的严实性和耐久性。特别是防火墙周边与巷道的接触处，相对抹刀来说，使用塑料硬毛刷不仅更为简便，而且效果更好。 （2）在砂浆中掺入玻璃纤维，能够有效增强砂浆的胶结强度和粘性，在现场的涂抹过程中也更加方便。 （3）在防火墙上涂抹石灰，既有利于防止漏风，也有助于查看墙上的裂缝发展情况。 （4）防火墙周边与巷道接触的地方容易出现漏风，因此，应分别在巷底、巷帮和巷顶采取相应措施。 巷底处理。一种方法是掏槽（一般情况下，槽宽至少要1.5倍于防火墙的宽度）。先向地槽内倒入溶有玻璃纤维的砂浆，形成防火墙墙基，然后在尚未固结的墙基上砌筑混凝土砖；另一种方法不建墙基，这种方法适用于要求迅速构筑防火墙的情况。第一层混凝土砖墙直接砌筑在人工产生裂隙的巷底，把水玻璃(硅酸钠)倒入混凝土砖的中空部分，使水玻璃渗入破裂的底板，水玻璃固结后形成的屏障，能够有效减少防火墙的底部漏风。 巷帮处理。与巷底的处理方式类似，首先在巷道两帮掏槽，嵌入混凝土砖并用砂浆使之与巷帮紧密胶结起来，然后用砂浆塞满防火墙与巷帮的所有空隙，最后在墙面与巷壁的交角处用砂浆涂抹成弧形封闭带。如果需要加强对墙体的支撑，也可以考虑在自掏槽向周围巷帮打钻孔，向其中充填水泥砂浆，并在孔内加锚杆或钢筋，沟槽内配钢筋或型钢予以连接（如图7-1-19所示），巷帮及锚杆再通过沟槽内的砂浆与防火墙就胶结成一整体，大大增加了墙体的牢靠程度。 巷顶处理。首先用木楔打入防火墙面2.5cm，然后将砂浆用硬毛刷塞入所形成的空隙中，在防火墙面与巷顶的交角内也用砂浆糊成弧形封闭带。若为了现场灭火的需要，所修建的防火墙由几层混凝土砖构成，则可以分层进行如上处理。 防火墙内侧周边处理。如果现场条件允许，为进一步减小漏风。可安排一名工人在防火墙内侧完成涂抹墙面和处理防火墙周边缝隙的工作，使防火墙两侧都尽量密实，实现良好的防漏风效果。图7-1-19 锚杆注浆处理巷帮a巷帮的处理；b局部放大图1防火墙；2沟槽；3钻孔；4锚杆；5型钢；6注浆管 一般情况下，至少需要在墙体上安设三个管：注浆管、观测管和排水管，管道直径为35l00 mm，观测管和注浆管距巷道底板高度不小于1300mm，两管之间距离为400mm。注浆管用以在封闭时以及封闭后向火区灌注灭火材料，加快火源熄灭速度，其在密闭内侧露出长度应不小于2000mm，露在密闭外侧长度为200mm，管口有螺纹并带有管帽或用木塞封堵；观测管用以从火区中抽取气样，时刻注意监测火区内的状况，判断火情，观测管在密闭内侧露出长度也应不小于2000mm，露在密闭外侧长度应为150200mm，管口应有相应的封堵措施；排水管距巷道底板150200mm，用以及时排除密闭墙后面的水。管外端装上阀门控制，水应该没过管道或者做成一段U形管以作为底部的密封，防止漏风。另外，还可以根据需要，在墙体上预留通行孔，通行孔由钢板卷制而成，直径约为800mm。通行孔的作用一是在封闭火区期间保持送风稀释火区内部瓦斯；二是在封闭之后的火灾熄灭过程中，可派救护队员由此进入火区侦察火情。通行孔里端装有从外段操纵的密闭盖，可根据需要进行开启与关闭。 在防火墙构筑之前，应预先在进、回风巷架设局部通风机，将风筒出风口引至防火墙施工处。一旦施工地点的氧气浓度低于20 ，应立即开启局部通风机供风，防止窒息事故的发生。如果不具备安设局部通风机的条件，则应由矿井救护队员佩戴呼吸器来完成。 在高瓦斯区域，为保证构筑防火墙人员有足够时间撤退至安全地带，可以采用如图7-1-20所示的自动封闭防火墙通风口的装置，用一罐水使自动封闭门扇承重而悬挂在巷顶。在人员撤离时，使罐内水逐渐由孔口漏出，重量减轻至一定程度后，不能承受门扇自重而自动放下门扇覆盖住通风口。漏水的孔径和数目视人员能撤至安全地带的时间而预先确定。图7-1-20 防火墙通风口自动封闭装置1自动封闭门扇；2滑轮；3开有出水口的容器 四、火区防爆计算 在火区封闭过程中，为了避免火区发生爆炸，必须对火区状态加以判定，要能够清楚地了解火区的发展趋势，准确判断火区能否发生爆炸和发生爆炸的时间，以及至少需要多少的供风量才能保证火区气体在封闭过程中不会发生爆炸。必要时还需要向火区注入惰性气体进行惰化，这其中就涉及到惰性气体注入量的问题。 以上问题都必须通过相应的计算来确定，这对于保证封闭工作顺利安全地进行，保障作业人员的生命安全有着重要的意义。1. 最低供风量的计算 火区封闭过程中，必须保持向火区供风，而且供风量必须大于最低供风量。最低供风量是指保证火区气体在封闭期间不会发生爆炸（达不到爆炸下限）的最小需风量。 要计算最低供风量，首先必须计算出火区可燃气体的产生量和火区混合气体的爆炸浓度下限。 如果已知火区产生的可燃气体各组分的浓度，就可以用下式计算火区可燃气体的产生量：（7-1-1） 其中，Qf 爆炸性气体的产生量，m3/s； Q 供风量，m3/s； ri 火区产生的可燃气体i的浓度，包括CO、CH4、H2和 CmHn等，。 而火区混合气体的爆炸浓度下限可以根据莱夏特尔法则求得：（7-1-2） 其中，ri 表示火区可燃气体浓度之和； Gdi 为可燃气体i 的爆炸浓度下限。 知道了可燃气体产生量和混合气体爆炸下限，就可以由下式计算出最低供风量。（7-1-3）其中，Gd 火区可燃气体的爆炸下限，； ra 进入火区空气中的可燃气体含量，。 例7-1-1 已知某高瓦斯火区供风量Q30m3/s，流出火区的气体成分分析为：O2-18%，CO-0.3%，CH4-0.9，H2-0.3，进风流中的可燃气体含量ra0.3，要保证构筑防火墙时火区可燃气体不发生爆炸，求所需保证的最低供风量。解： 求爆炸气体的产生量根据式（7-1-1）计算火区可燃气体产生量为： 求火区可燃气体的爆炸下限已知CO、CH4、H2的爆炸下限分别为12.5 %， 5 ，4 ，则由式（7-1-2）可以求出火区混合气体的爆炸下限： 求最低供风量将上述数值代入式（7-1-3）得： 所以，为保证火区中的气体不发生爆炸，供风量不得低于8.4m3/s（504 m3/min）。2. 火区爆炸时间的计算 如果封闭过程中，当进入火区的风量小于防止火区气体爆炸的最低供风量时，则火区气体在一段时间后就有可能达到爆炸浓度下限，从而发生爆炸，因此，密闭墙也就必须在这有限的一段时间内尽快完成。 供风量小于最低供风量时，可由下式计算出混合气体发生爆炸的时间：其中， 火区爆炸时间，s； V 封闭火区的体积，m3； Qz 火区的供风量，m3/s，Qz0，就不会发生爆炸；d1，则取=1，若求得0，则取=0；最后计算状态点P的坐标： 式中，ci 、ci、di 、di、ei 、ei、fi 、fi等系数可参见表7-2-3。 系数气体aibicidieificidieifiCH410.3763.0160100.780012.852H214.9183.5334.6430.140.010.1075.4010.1160.6982.435CO13.0383.3963.1170.1610.0070.43.6220.1330.7972.619C2H414.2693.5264.120.3850.0090.2164.8490.0724.7292.519C2H611.8722.9091.9371.0520.0050.7242.2330.0370.8752.391C3H612.8693.3832.6371.0980.0060.4293.4420.0610.8082.637C3H812.1053.2942.1641.3820.0050.5382.5370.1100.8562.710C3H1012.1393.2642.2961.5250.0060.5302.5620.1400.8562.671C2H215.3083.5774.9010.1270.0110.0445.7180.1150.6802.415表7-2-4 各可燃气体相关系数表（2）利用爆炸三角形对火区状态进行判定 由图7-2-1所示，连接SB，且延长BS交y轴于F点；再连AS，并延长交x轴于E点。于是将爆炸三角形坐标分为4个区：I区为爆炸三角形，即爆炸区；区为加入可燃气体后的爆炸区；区为加氧后的可燃气体爆炸区；区为安全区。 当测定混合可燃气体状态点P在区内时，再继续混进可燃气体时，状态点就会向I区移动，移动方向是沿AB连线向B方向移动。若气体状态点进入到I区，则发生爆炸的危险性将大大增加。 当测定混合可燃气体状态点P在区内时，如果其中的含氧量增加，那么P点将沿指向A点的方向移动进入I区，从而增加爆炸危险性。此时，若进行启封，新鲜风流进入火区，危险性比较大。 当测定的混合可燃气体状态点P在区内时，不会发生爆炸，为安全状态。 当测定混合可燃气体状态点P在I区内时，火区随时可能发生爆炸，最危险，应立即撤出火灾现场的救灾人员，并采取惰化措施，使P点向区内移动。 爆炸三角形判定法比较直观，但由于火区中混合可燃气体各自的组分处于不断的变化之中，如果每一过程都采用人工计算的方法，计算量太大，过程也比较复杂。不过由于上述方程和数据都比较简单，因而可以编制简单的计算机程序来实现，只需输入混合气体组分即可计算出所需数值，从而确定爆炸三角形，并可以通过图形显示出来。 另外，对于已确定的状态点，爆炸三角形判定法只能定性地预测火区状态的变化趋势，无法做到定量，如无法看出需要注入多少惰性气体才可以使状态点从爆炸区移到安全区，而这对于救灾决策中具有很重要的实用价值。第三节第三节 火区启封火区启封 启封火区是一项危险的工作，启封过程中因决策或方法上的失误，可能导致火区复燃和重封闭，甚至造成火区的爆炸而产生重大伤亡事故。本节介绍火区启封的条件和启封方法。一、火区启封的条件 规程第二百四十八条规定：“封闭的火区，只有经取样化验证实火已熄灭后，方可启封或注销。火区符合以下条件时，方可认为火源熄灭： （1）火区内的空气温度下降到30 以下，或与火灾发生前该区的日常空气温度相同。 （2）火区内空气中的氧气浓度降到5.0 以下。 （3）火区内空气中不含有乙烯、乙炔，一氧化碳浓度在封闭期内逐渐下降，并稳定在0.001 以下。 （4）火区的出水温度低于25，或与火灾发生前该区的日常出水温度相同。 （5）上述4项指标持续稳定的时间在1个月以上。” 由于火区内外环境影响的复杂性，取样点与火区真实状态之间不可避免的存在着差异，在符合上述条件的情况下启封火区时，仍应谨慎从事。在现场实际启封工作过程中，判定是否满足启封条件时，还应注意以下几点： （1）封闭火区内氧气浓度低于5 时，火势将逐渐减弱直至熄灭。氧气浓度在2以下时，火将完全熄灭。但即使在火区中氧气浓度为零的条件下，火区内可燃物的阴燃仍能够长期持续下去，因为煤层特别是特厚煤层具有较强的吸附氧气的能力，所吸附的氧气足以支持阴燃的进行。而阴燃在供氧条件发生变化的情况下很有可能转变为明火燃烧，特别是可燃物阴燃温度超过150时更容易发生这种情况。 （2）由于焦炭对CO有较强的吸附作用，火区燃烧所产生的CO可能被焦炭所吸附。故即使所测定的CO浓度为零，也不能据此就认为火源完全熄灭。 （3）由于矿井情况复杂，部分火区的瓦斯涌出量比较大，可能使燃烧产生的气体浓度下降，但这不意味着火源已熄灭。 （4）对于封闭性较好的盲巷或大型火区或采用均压防灭火措施的火区，CO很难散失，即使火源熄灭不再产生CO，CO也可能长期存在。另外，煤层及木材在常温下的缓慢氧化也会产生CO。因此，存在CO并不绝对意味着火区尚未熄灭。二、启封方法1. 通风启封火区法 通风启封火区也就是在保持正常通风情况下启封火区。该方法适用于确认火源已经完全熄灭且火区范围较小的情况。选择通风启封火区法之前要慎重考虑，若选择不当，反而会造成火区复燃、火势扩大甚至引发爆炸事故。 通风启封火区一般按以下步骤进行： （1）先用局部通风机风筒和风幛等通风设施对密闭墙进行通风，同时确定火区气体的排放路线，并撤出该路线上的人员； （2）打开一个回风侧防火墙，过一定时间（根据现场情况确定），再打开一个进风侧防火墙。开启时应先开个小孔，然后逐渐扩大，严禁一次将防火墙全部打开； （3）保持足够通风量，使火区气体特别是瓦斯沿着预定的路线，保持在规定允许的浓度（0.75 ）以下排出； （4）让火区气体排放持续一段时间，期间进行检测，若无异常现象再相继打开其余防火墙，若发现尚有高温点存在，则应采取直接灭火的方法立即扑灭并撤离不必要的人员。通风排放火区气体所需要的时间可以用下式进行估算： （7-3-1） 式中，t 通风所需时间，min； C1 火区环境瓦斯气体浓度，； C2 需要达到的瓦斯浓度，； V 封闭区体积，m3； Q 通风量，m3/min； 其中G为CH4释放量，m3/min； n 环境参数，随可燃气体释放量和风速的变化而变化，当 风速大于1m/s时，n取2；风速位于0.31 m/s时，n取3。 由于进风侧防火墙一般位于火区的下部，容易有CO2积存，启封前和启封期间都要注意检查，防止CO2逆风流动造成危害。进、回风侧的防火墙打开之后，救护人员应暂时撤离工作现场，通风12h以后，再派人进入火区进行清理、喷水、降温、挖除发热的煤炭等恢复工作。2. 锁风启封火区法 锁风启封火区也称分段启封火区，适用于火区范围较大、难以确认火源是否彻底熄灭或火区内存积有大量的爆炸性气体的情况下。启封时，沿着原封闭区内的巷道，由外向内，向火源逐段移动防火墙的位置，逐渐缩小火区范围从而最后在封闭状况下进入着火带，实现火区全部启封。 锁风启封火区法一般按以下步骤进行： （1）以距进风巷原防火墙最近的新鲜风流处为基地，将其作为地面指挥中心和现场救护人员联系的桥梁。 （2）在主要进风巷处构筑锁风防火墙，墙上留设风门，以便于人员进出；锁风防火墙与原防火墙之间留出56m的距离，便于材料贮备和人员作业。 （3）启封人员进入锁风防火墙与原防火墙之间的临时密闭后关上风门，在原防火墙上打开一个缺口以满足人员的通行，缺口要悬挂风帘形成锁风室；对临时防火墙和原防火墙之间的空间进行清理，防止妨碍人员的通行和紧急情况下的撤退；在确认封闭区内气体不至于对人员构成威胁的前提下，才可以从缺口进入封闭区。 （4）救护人员进入原防火墙内，进一步测定和分析大气成分、温度、压力和巷道环境的基础上，确定下一道锁风防火墙的构建位置和构筑材料，该位置同时还应综合考虑救护人员的作业时间、作业内容、与指挥中心的联络能力和火区状况等各方面因素。 （5）救护人员携带塑胶风障、马蹄钉、射钉枪和其它工具、材料进入在选定的位置构筑新的带风门的锁风防火墙。 （6）拆除两道锁风防火墙之间的原封闭防火墙，并及时清理，以免妨碍通行。 （7）打开原锁风防火墙的风门通入新鲜风流。在有多条巷道相连的地区，可以考虑控风，使新鲜风流经过相应区域，同时应注意采取逐段通风的方式，不要过早通入过大风流。 （8）救护人员对新建的锁风防火墙进行修补和加固，若条件允许的话，在锁风防火墙外可再构建一个防火墙以减小漏风。 （9）将原联络基地移近新建的锁风防火墙，并重复由（2）至（8）的步骤，逐步向着火带推进。在整个推进过程中，应始终保持火区处于封闭隔离状态。 利用锁风法启封火区的过程中，由于原防火墙的打开，新鲜风流的进入不可避免地要增加原封闭区内的氧气浓度，从而增大发生爆炸的可能性。因此，锁风最好在封闭区内氧浓度减少到2以下时进行，以防止形成爆炸性气体。 无论采用哪一种启封方法，工作过程中都要经常检查火区内的气体，一旦发现火区复燃或爆炸的征兆，应及时予以处理或撤退。三、火区启封的注意事项 （1）启封已熄灭的火区，必须事先制订专门措施，并报请批准。启封措施的内容应包括： 启封火区的根据；启封前进入火区侦察的方法和打开防火墙的顺序；启封火区时的各项安全措施：预先储备建筑防火墙的材料以满足万一再封闭的要求、预先确定排放瓦斯和有害气体的路线、配备紧急救护工具和直接灭火工具及材料。 （2）在启封过程中，应注意时刻监测封闭内的有害气体浓度的变化，若形成爆炸性气体，现场人员应立即撤退。 （3）火区内涌出的有毒有害气体也对现场工作人员构成了极大的威胁，大气压力降低时这种威胁更大。因此，启封期间务必要对火区内的压力进行有效监控，火区压力下降预示新鲜空气可能流人，火区压力上升则预示区内有毒有害气体可能流出。救灾指挥中心应有地面和封闭区内大气压力变化趋势图，以便及时掌握封闭区内和地表大气变化趋势，从而积极采取相应措施确保火区启封的顺利进行。 （4）启封过程中有时需要配合其它技术同步进行。例如，如果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或者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，而启封时大量空气进入火区还会破坏封闭火区内已形成的惰化状态，有可能导致火区复燃。这时，可以配合均压技术达到安全启封的目的。例如，2003年宁夏白芨沟煤矿特大火区启封时就采用了该方法。启封前，在回风巷内设置了调节风门和局部通风机，以提高工作面内的通风压力，有效地避免了火区内有害气体的涌出，有害气体浓度明显下降，为火区的顺利、安全启封创造了有利条件。 （5）如果火区内存在大量的瓦斯气体，则应在与火区相连的巷道内撒布岩粉或采取其它防爆措施，在火区回风侧的巷道中更应如此。 （6）在启封完成之后的3天内，每班必须由矿山救护队检查通风工作，并测定水温、空气温度和空气成分。只有在确认火区完全熄灭、通风状况良好后，方可进行生产工作。四、案例分析 2003年10月24日，宁夏白芨沟煤矿2421-1综放面的采空区发生瓦斯爆炸，引起了大范围的火灾，因灾情不断扩大，被迫将全矿井封闭。火区封闭后，中国矿业大学与宁煤集团组成课题组承担了该火区的灭火、抑爆、缩封、启封及防复燃技术的指导工作。 在该火区的治理中，通过远距离水封抑爆、通过地面灭火钻孔大流量注三相泡沫、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灭火、抑爆、缩封、启封及防复燃技术，扑灭并安全启封了该特大型火区。1.工作面概况 白芨沟煤矿2421-1工作面走向平均长为1480 m，倾斜平均宽为155 m，设计平均采厚10 m，其中机采高度3 m，放顶高度7 m。煤层倾角018，平均倾角6。工作面共布置了运顺、1号工艺巷、2号工艺巷、顶板瓦斯巷和回顺等5条巷道，如图7-3-1所示。2003年10月24日，该工作面采空区发生瓦斯爆炸，随后又在工作面下部发现明火，初期救灾时决定对该工作面封闭，但在封闭过程中，灾情不断扩大，被迫将全矿井封闭。图7-3-1 白芨沟煤矿2421-1工作面巷道布置图2.采用远距离水封方法缩封火区 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。为了缩小封闭区域，采用了远距离水封抑爆方法封闭火区。如图7-3-2所示，该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。水封实施后，火区的进风被切断，井下没有再出现爆炸。水封技术的实施为后续的灭火、恢复生产工作奠定了基础。图7-3-2 白芨沟矿1660中巷及水封后的示意图3.火区启封经过 对该火区实施封闭后，通过地面灭火钻孔大流量注三相泡沫、注浆等灭火措施，成功将火区扑灭。在启封过程中，采用了以下技术手段。 （1）锁风、注氮和逐段启封 高瓦斯火区水封巷道一旦排水启封，火区内的灾害气体会向外涌出，危及救灾人员的安全，同时，新鲜空气又会进入到火区，若火区未熄灭，还会出现复燃，甚至发生爆炸。因水封巷道的排水解封是一个渐进的过程，实施锁风困难，人员进入构筑密闭难度大。为了保证水封巷道的安全启封，采用锁风、注氮和逐段启封技术。 锁风排水。排水过程中大流量注氮（1800 m3/h及以上），对水淹区内严格锁风，保持排水巷道空间的惰化状态。 分段限量排水，逐段解封。利用巷道坡度，由高及低（南北）对因排水后露出的联络巷口及时进行密闭，以确保巷道逐段启封的安全，如图7-3-3所示。 在联络巷口逐一露出到设计水位时，快速施工联络巷内的密闭，以切断与火区的联系，确保启封的安全。图7-3-3 分段限量排水缩封示意图 （2）氮气喷雾降温启封 因煤岩的热传导性低，封闭的火区内散热较困难，巷道刚启封时，巷内气体温度高达43。对此，采用了氮气喷雾降温启封技术。氮气喷雾是水在高压氮气流及较高温度环境作用下发生雾化，形成粒径为10200m的弥散氮气雾，由于雾滴的表面积比水大得多，更易蒸发和运移带走热量，因此氮气喷雾具有显著的降温效果。大量氮气的注入还能进一步保持火区的惰化状态。氮气喷雾降温与惰化技术为冒顶巷道的安全启封和修复提供了有利的工作条件。 （3）特大型火区均压启封与防复燃技术 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，为此，采用均压启封方法。即在工作面回风巷道内设置调节风门和局部通风机，以提高工作面内的通风压力，避免采空区内火灾气体与瓦斯的涌出，如图7-3-4所示。 与主要用于防止漏风和窒息火区的常规均压方法不同，特大型火区均压启封方法的技术特点在于：控风范围广、风量与风压的调节量大、要求精度高，因此实施难度大。在实施均压措施中，为增大供风量，采用2台局部通风机并联供风，风量达760 m3 /min。为了准确控制通风压力，在调解风门内外都安设了压差计，通过压差计读数，达到精确调节风门内外压差的目的。图7-3-4 局部均压通风启封火区方法 采用均压启封方法后，启封区域内的有害气体浓度明显下降，氧气浓度大幅上升，为工作面人员的工作创造了安全的条件。 因工作面遭受严重破坏，恢复生产的周期较长，火区易复燃，为此采取了以下防止火区复燃的技术：采用均压通风和减风降压方法，降低工作面压差，减少漏风；采用开放式注氮技术，惰化工作面后方的氧化带；对可疑高温点采用目标注氮和注三相泡沫技术消除复燃隐患。 白芨沟矿特大型火区采用均压启封与防复燃技术后，回风巷道内CO浓度显著下降，5 h内就达到生产作业的要求，成功地启封了火区。而且火区自启封后至恢复生产的2个多月内没有发生复燃，成为国内煤矿井下火区启封后防止复燃的范例。4.案例总结 白芨沟矿2421-1综放工作面为高瓦斯煤层，在火与瓦斯共存的情况下，由于采取了正确的措施，实现了火区的安全封闭和启封，并最终实现工作面的安全回采，对现场工作具有重要的指导意义。从整个封闭和启封过程中，可以总结出以下经验： （1）对于高瓦斯矿井，水封是一种行之有效的火区封闭方法，操作简单，技术安全可靠。它不仅能保证火区封闭的严密性，而且具有一定的防爆效果。在白芨沟煤矿，正是利用了巷道的地势特点，采用水封的方法，实现了火区的有效封闭。 （2）采用严格锁风，大流量注氮，加强监测，保持缩封区的惰化状态；利用巷道坡度，由高及低，分段限量排水，逐段启封；利用瓦斯抽放管路保持巷内气体的单向流动，防止高浓度瓦斯涌入上部火区；采用氮气喷雾惰化大冒顶巷道和对高温巷道有效降温。这一系列启封技术，解决了高瓦斯巷道缩封过程中的难题，有效地防止了瓦斯爆炸。 （3）采用局部通风机均压通风启封火区。由于火区燃烧范围广、燃烧强度大，火区内灾害气体大量、长期积存，为避免灾害气体涌出对启封工作造成不利影响，采用局部通风机均压法启封火区，取得了显著的效果。谢 谢 ！