CO2滅火技術在高瓦斯封閉火區的應用

周春山 鄔劍明 王俊峰 吳玉國

(太原理工大學礦業工程學院,山西省太原市,030024)

CO2滅火技術在高瓦斯封閉火區的應用

周春山 鄔劍明 王俊峰 吳玉國

(太原理工大學礦業工程學院,山西省太原市,030024)

通過對和順一緣煤礦150105工作面采空區自燃火災狀況的分析,提出了注CO2滅火的方法,論述了CO2滅火的機理、特點、制取方法和施工工藝。結果表明,隨著CO2的注入,150105回風巷斜下密閉墻觀測孔內CO濃度由0.8243%降至0.0056%,O2濃度由6.5%降至1.2%,C2H4和C2H2均降為0,火區治理效果顯著。

煤炭自燃 CO2滅火 高瓦斯礦井 封閉火區

山西潞安集團和順一緣煤業有限責任公司由原山西和順鳳臺一緣煤業有限公司整合而成,礦井設計生產能力90萬t/a,現開采15#煤層。2010年3月22日12∶30,一緣煤業150105采空區瓦斯抽放系統 CO探頭測值出現變化,由日常0.0001～0.0002%上升至0.0008%,隨后停止了抽放,至25日整個風流系統正常。但從26日04∶30開始,總回風巷CO探頭出現異常,如圖1所示。在發生CO異常后,礦方對整個通風系統進行了排查,發現在150105工作面進、回風巷繞道密閉前均有CO滲漏,其觀察孔內CO濃度高達0.8%,并有C2H4和C2H2出現,而其余地方均未發現異常。初步判定150105工作面停采線附近浮煤在長期漏風供氧的條件下發生自燃,從而造成CO異常涌出。

圖1 總回風巷CO濃度隨時間變化曲線圖

1 封閉采空區自燃原因分析

(1)礦井開采的15#煤層含硫量高,自燃傾向性為Ⅰ級,屬容易自燃煤層,煤層最短自然發火期為54天;該工作面在回采撤架過程中,52#架附近曾經發生冒青煙現象,后經注膠處理后于2009年8月進行了封閉。

(2)礦井開采的15#煤層平均厚5.5 m,采用走向長壁式綜采放頂煤采煤法,全部垮落法管理頂板,采空區特別是“兩道兩線”遺煤較多。

(3)礦井為高瓦斯礦井,在工作面回采完畢后安裝了瓦斯抽放系統抽放采空區瓦斯,由于密閉不嚴,封閉后停采線附近浮煤暴露在空氣中的時間約6個月,超過煤自然發火期,具備自然發火的潛在危險性。

2 應急處理措施

2.1 加強監測監控

(1)在150105工作面進、回風巷繞道密閉口、150105回風巷與總回風橋處增設CO傳感器,并重點監測。

(2)安排專人每天9∶00和21∶00對150105上進風巷繞道密閉觀測孔采集氣樣送至地面進行色譜分析,以掌握有害氣體及火區變化趨勢。

2.2 查明150105工作面與150103工作面連通性

應用瞬時釋放SF6示蹤氣體技術在150105工作面運輸巷密閉觀測孔將99.98%的SF6氣體(20kg)一次性瞬時釋放,同時在150103工作面進回風隅角處、回風巷和總回風巷4個采樣點按規定時間進行接收,并用帶電子俘獲的氣相色譜儀進行分析。實驗結果表明,150103工作面4個接收點均沒有檢測到SF6氣體,說明150105工作面與150103工作面之間沒有漏風通道,產生的CO氣體不會突然涌入150103工作面。

2.3 地表裂隙填埋

組織人員對150105回采工作面對應地表進行裂隙情況排查,對出現塌陷裂隙處檢測氣體情況和風流方向,之后用黃土填埋并壓實,以減少地表裂隙漏風。

2.4 密閉間充填

對150105工作面進、回風巷繞道口臨時密閉及繞道永久密閉之間以及150105工作面進、回風巷口臨時密閉和永久密閉之間(共4個地點)充填庫爾拜,一方面減少漏風,另一方面起隔爆作用。

3 滅火方法選擇

由于該礦井為高瓦斯礦井,根據150105工作面進、回風巷繞道密閉口觀測孔氣體檢測結果顯示,采空區CH4濃度在6%～11%,O2濃度在4%～7%,加之存在高溫火區,當外界條件發生改變時采空區存在瓦斯爆炸的可能性。注入惰性氣體既可使火區環境中氧氣濃度下降抑制煤的自燃,又能縮小瓦斯爆炸的界限,防止瓦斯爆炸的發生,同時能提高注入區域的壓力,可減少空氣的漏入。因此選用向150105工作面采空區注入惰性氣體滅火的方法。

目前礦井常用的惰性氣體主要有CO2和N2,在實際煤層自燃火災處理過程中,CO2比N2存在以下幾個方面優點。

(1)在井下多種氣體共存的條件下,煤炭吸附CO2的能力和速度大于N2,即CO2可以更多、更快的吸附于煤炭,對煤體形成包裹,進而阻止煤氧復合作用,抑制煤炭自燃。

(2)CO2的熱容低于N2,CO2具有更好的吸熱效果。當煤體下降相同溫度,CO2吸收的熱量比N2要少,即吸收相同的熱量,CO2降低的溫度更多。

(3)由于火區一般位于采空區中下部,N2的密度比空氣輕,N2注入火區后容易向火區頂部放頂煤裂隙帶擴散,火區惰化覆蓋率較差;而CO2重于空氣,可快速沉入底部而擠出火區氧氣,其覆蓋率很高,對火區滅火和抑爆特別奏效。

(4)CO2制取過程中不會產生氧氣,在向火區壓注時,可完全避免注入N2過程中可能帶入氧氣而造成的不利影響,可快速降低氧氣濃度。

因此,該滅火工程選擇向150105工作面采空區注入CO2。

4 CO2滅火施工工藝

4.1 CO2的制取

選用ZR1000型二氧化碳發生器,按一定的比例將硫酸和碳酸氫銨加入發生器內,通過化學反應生成CO2氣體,并依靠反應壓力送往火區,抑制火區爆炸并滅火,其化學反應式為:

圖2 CO2發生器結構示意圖

發生器結構示意圖如圖2所示,將其安裝于150105工作面附近的總回風巷內,設備上CO2輸出閥通過專用的輸氣管路與鉆孔相聯接,形成灌注系統。設備參數:產氣速率0～1000 m3/h;出口輸出壓力0～0.55 MPa;產氣濃度大于98%,其余成分為水蒸氣。

4.2 鉆孔施工

根據礦井開采特點及火區監測情況,自燃危險區域位于150105工作面停采線上下隅角,結合井下巷道實際布置情況,選擇從總回風巷向自燃危險區域注入CO2,鉆孔終孔位置選擇在距150105工作面運輸巷10 m處和回風巷40 m處,如圖3所示。鉆孔孔徑設計為80mm,選用ZLJ-650型煤礦用坑道鉆機,配備42mm×1.0 m光滑鉆桿、80mm巖石鉆頭進行施工。整個施工工藝為:施工放樣→平整機臺→鉆機就位→低速開鉆→正常鉆進→接鉆→打通前加強監測→退鉆(救護隊實施) →埋設?50mm管→測溫測氣→關閉閥門→封堵裂隙。

圖3 注CO2鉆孔布置示意圖

4.3 CO2灌注量及材料用量計算

(1)CO2灌注量。實驗和理論研究表明,當混合氣體中CO2濃度達到22.8%時,瓦斯就不能引起爆炸,著火煤炭就會窒息,因此CO2注入量需大于等于V×22.8%。其中V為預測火區空間體積,由式(1)求得:

式中:H——煤層厚度,取5.5 m;

L——工作面長度,取200 m;

W——著火區域寬度,取20 m。

得出V=22000 m3,則CO2注入量為5016 m3。

(2)材料用量。根據碳酸氫銨和硫酸的反應方程式可得,每產生1 m3的CO2氣體約需3.3 kg碳酸氫銨、2 kg硫酸(濃度為98%)和2.6 kg水。因此,碳酸氫銨用量為16553 kg、硫酸10032 kg、水13042 kg。

4.4 CO2滅火效果分析

2010年3月 30日10∶00開始通過鉆孔向150105工作面采空區注入CO2氣體,至3月31日18∶00結束,累計注入 CO2約 5000 m3。隨著CO2的注入,150105回風巷斜下密閉墻觀測孔內CO濃度由 0.8243%降至 0.0056%,O2濃度由6.5%降至1.2%,C2H4和 C2H2均降為0,隨后停止了注CO2,加強日常對火區的觀測。隨著時間的推移,觀測孔內CO氣體呈逐漸下降趨勢,4月25日CO濃度降為0.0005%,火勢得到了完全控制并趨于熄滅。

5 結論

CO2灌注系統簡單、不需接電、無機械運轉,設備的安全性和可靠性高;CO2對煤炭氧化自燃有良好的惰化、抑制作用,滅火速度快;CO2注入前,要查明火區的漏風情況并封堵漏風通道,保證CO2的滅火效果。

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[3]趙忠,王海東,劉永軍.CO2滅火技術在天祝煤礦的成功實踐[J].煤礦安全,2005(5)

[4]康福鈞.CO2滅火技術在忻州窯礦8903下工作面中的成功應用[J].煤礦安全,2006(12)

[5]李士戎.二氧化碳抑制煤炭氧化自燃性能的實驗研究[D].西安科技大學,2008(4)

(責任編輯 梁子榮)

Application of fire extinguishment by CO2in high gas sealed fire zone

Zhou Chunshan,Wu Jianming,Wang Junfeng,Wu Yuguo
(College of Mining Engineering,Taiyuan University of Technology and Engineering,Taiyuan,Shanxi 030024,China)

CO2was used for fire extinguishment in goaf of 150105 working face in Yiyuan coalmine in Heshun city,based on an analysis of situation of coal spontaneous combustion.The mechanism,characteristics and construction process of fire extinguishment by CO2as well as CO2preparation were discussed.The results show that CO concentration in return airway of 150105 working face decreases from 0.8243%to 0.0056%after CO2injection,with O2concentration dropping from 6.5%to 1.2%and no C2H4and C2H2existing,suggesting successful fire extinguishment.

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TD753

B

周春山(1979-),男,助教,主要從事煤礦安全的教學與科研工作。