液態二氧化碳在土城礦21127災區處理中的應用

付朝棟，馬啟雄

(貴州盤江精煤股份有限公司 土城礦，貴州 六盤水 553000)

1 引言

1.1 礦井概況

土城礦位于貴州省盤縣灑基鎮，為貴州省盤江煤電有限責任公司所轄。其地理坐標為北緯26°01′00″～26°05′00″，東經104°30′00″～104°36′25″。煤礦中心區位于井田中央北部。土城煤礦鐵路專線接軌于水柏線的柏果站，長6 km。水柏線接軌于貴昆線的沾益站，長136.8 km。盤水公路分別經雞場坪和盤關自井田兩端進入礦區，并在礦區中部鐵廠丫口相會，至水城135 km，至盤縣64 km，至貴陽399 km，至昆明330 km。

礦井采用斜井多水平上下山開拓。煤層傾角18°～22°，采用走向長壁后退式采煤方法。回采工作面采用綜合機械化落煤，全部垮落法管理頂板。

1.2 事故巷道工程概括

21127采面煤層厚度0.3～4.6 m，平均2.9 m，煤層傾角為18°～20°,平均為19°，煤層走向為258°～266°,傾向為168°～176°，無夾矸,屬簡單結構煤層，采面中部有一段煤層變薄缺失區，對采面回采有一定影響。

21127采面切眼和風巷交點距西邊盤水公路平面距離為170 m,地面有坡上村莊，西為煤層出露地表位置,有小窯開采,上部為21125采空區,頂為2195采空區。事故發生時，回風巷距離停采線449 m，運輸巷距離停采線417 m。

1.3 事故經過概述、應急響應、處理及控制

土城礦采煤二區21127采面在4月30日18時30分發現采空區CO異常，礦上立即啟動應急救援預案，停止21采區生產，撤出井下所有人員，派救護隊到現場進行偵查，經偵查，發現在采面33～38#架后方有高溫點，礦即采取往采空區注水降溫，同時匯報到公司調度室，及駐地縣、市安監部門、六盤水煤監分局、貴州煤監局匯報，精煤公司領導及相關部室負責人在5月1日3時20分趕到土城礦采煤二區協助土城礦處理火災，成立了以礦長為總指揮的搶險救災指揮部。

經過充分準備后，在5月1日17時30分開始實施第一步處理方案。18時12分，方案實施完畢，待井下救護隊員全部撤至地面，并將采面瓦斯抽放系統停止抽放，同時往21127采面采空區進行注氮。通過監測系統對21127采面CH4、CO、T、O2等進行觀察。從5月1日18時30分到次日9點，根據主要通風機風塔觀測CO及冒出煙霧情況看，判斷分析21127采空區確實存在火源，且在實施完第一方案后火勢有增加。

5月2日13時56分，實施第二步方案。在地面安設5臺大流量水泵從拖長江取水往巷道內注水，經初步計算約需要45000 m3水。從5月2日13時56分開始至5月6日1點止，共計向巷道內注水61623 m3。根據預先安設的電話水位標記基本達到+1316 m標高，水已完全封閉21127采面進風通道。5月6日8點班指揮部安排救護隊員下井偵查，并在21127風巷防火門外安設高濃度CH4、CO、T、O2探頭。救護隊下井后發現井下水位有下降且21127回風系統溫度高、CO濃度大，暫時不具備施工密閉條件，于是指揮部又下令從5月6日15時0分開始對井下注水進行補充，至18時止又注入水2740 m3。

通過對防火門前的監測探頭顯示及主扇風塔CO分析，21127風巷基本具備安全封閉條件，于是救護隊員于5月7日8點班開始對21127采面回風巷進行密閉封閉。整個密閉過程經過救護隊員的努力于5月9日下午五點施工結束，共在回風巷施工了四道密閉墻，至此整個火區應急處理工作暫告結束。

2 火區治理實施方案

為加快火區處理,盡快恢復采區生產,礦采用地面注氮系統對火區進行注氮,但經采樣分析,效果緩慢。治理目標是使火區有關氣體和溫度指標達到規程規定要求，特別是確保將火區溫度降到25 ℃以下，氧濃度降到3%以下,安全啟封采面。該火區治理，技術途徑很多，分析認為最有效的方法是采取向火區灌注低溫二氧化碳，實施對火區降溫和惰化處理，從而使火區發火得到基本控制、以致消滅，便于后期采面的打開做好安全環境鋪墊。

選擇灌注二氧化碳實現滅火的理由如下：從理念上講，煤礦井下防滅火包括防治自然發火離不開控制三要素:可燃物的存在、熱源(溫度)、具有一定濃度O2的空氣供給。按照煤的自然發火的規律，其發火的起因實質是煤與氧的氧化反應過程結果，O2是氧化反應的必要條件，沒有O2，氧化反應就無法進行。試驗結果證明，O2濃度低于8%時失燃,低于3%時[2]，氧化反應徹底被中止，燃燒現象不能持續進行。同時實踐表明，火點得到真正熄滅，能控制溫度，就可控制氧化速度，從而控制煤的自燃發生。這說明，只要能夠控制住至少其中一個因素就會實現防治自然發火目的[2]。能夠將煤氧化濃度和生熱溫度同時控制住，就是更有效地控制住自然發火辦法。這也是采取防滅火措施應考慮的基本理念[1]。按照這個理念，國內外已研究探索形成了一系列成熟的煤礦礦井防滅火技術，無論哪種技術，核心都是在控制遺留煤、浮煤的氧化和降溫從而控制氧化速度上采取措施[2]。目前，國內外已總結出一系列綜合防滅火措施，包括火災氣體的監測監控、高溫點、火點的探測確定；打鉆、注膠、注沙、堵漏；均壓；惰化防滅火[3]等。這些措施都有一定成效，但很多技術措施的實施也受條件限制。如采取黃泥、凝膠隔絕法，這要有地質條件保障，工作面傾角不宜過大或過小，特別是面對大面積采空區自然發火，如不能準確確定高溫火點，注膠、注漿、注三相泡沫都很難取得成效。 結合21127綜采面火區構成情況，控制該火區氧氣濃度和溫度，是防滅火的關鍵和根本。而要實現這個目的，實施二氧化碳滅火是最佳選擇。因為其降溫和惰化效果優于其他滅火方法，也優于氮氣滅火。兩者滅火機理對比如下。

2.1 吸附性對比

煤可視為吸附劑，而二氧化碳、氮氣視為吸附質。在煤對惰性氣體的吸附過程中，將吸附熱轉移給惰性氣體，從而遏止了燃燒的鏈鎖反應，同時提高了惰性氣體的惰化效果和阻燃、阻爆效果。

實驗結果表明，煤對二氧化碳的吸附量為48 L/kg，而煤對氮氣的吸附量僅為8 L/kg，前者是后者的6倍，由此看出，二氧化碳的惰化阻燃效果特別明顯。

2.2 火區惰化覆蓋率對比

以放頂煤綜采面氧化自然帶為例，其立體空間體積都很大，但要求火區空間內惰氣濃度均勻分布，才能取得最佳的惰化阻燃效果。氮氣的相對密度為0.98 ，由于比空氣輕，注入于火區內的氮氣容易向火區頂部放頂煤裂隙帶擴散，致使火區惰化覆蓋率較差，進而影響氮氣的惰化防火效果；而二氧化碳的相對密度為1.53 ，重于空氣，由于火災的重點防范區域位于放頂煤采場氧化自然帶底部，因而容易被二氧化碳惰化帶所覆蓋，而且其覆蓋率很高，對氧化自然帶防火特別奏效[4]。

2.3 氧含量對比

目前，便于在井下使用的制氮機有DM系列膜式制氮裝置和變壓吸附(PSA)裝置兩種。無論采用膜分離還是吸附分離技術，不可能將氧氣全部分離出去，少量的氧氣必然會摻入到氮氣里，這是無可置疑的。據DM系列膜式制氮機產品說明書記載，氮氣濃度為95%～99% ，其濃度取決于產氣量，產氣越大，其濃度就越低；反之，就越高。據測定，目前國內膜式制氮機和變壓吸附式制氮機產氣量中所含的最大氧量為3%左右，這對氧化自然帶防火十分不利。據調查，產自化工廠副廠品液態二氧化碳中所含的氧濃度幾乎為0 %，這對氧化自然帶惰化防滅火十分有利[5]。

2.4 阻燃、阻爆臨界氧濃度對比

在以氮氣惰化的條件下，火區內明火被熄滅的臨界氧濃度為9.5% ，與失爆點相應的阻爆臨界濃度為11.5% ；而在以二氧化碳惰化的條件下，明火被熄滅的臨界氧濃度為12.0% ，與失爆點相應的阻爆臨界氧濃度為14.6% 。從上列數據看出，二氧化碳與氮氣的阻燃、阻爆臨界氧濃度均相差2%以上，二氧化碳的惰化效果顯然優于氮氣[6]。

另外，液態二氧化碳的降溫阻燃作用也十分突出。一個大氣壓下，液態二氧化碳的汽化溫度為0 ℃時，液態CO2的汽化吸熱是235 kJ/kg一個大氣壓下，液氮的汽化溫度為-195.81 ℃時，液態氮的汽化吸熱是47.9 kCal/kg,即47.9×4.187=200.6 kJ/kg。

3 火區降溫及處理措施

為加快火區處理進度，決定通過與黑龍江哈爾濱騰龍公司合作，開展灌注液態二氧化碳降溫滅火技術，為提前打開火區，提前抽排下一亞階段的水作準備工作。

該項技術方案于2013年4月26日開始談判，經過最終商談和準備，從5月11日開始實施，向21127回風巷開始灌注液態二氧化碳。由于受巷道變形影響，二氧化碳灌注設備安裝在211軌道石門車場，距離出液口最遠達800 m，同時又因廠家從未這樣長距離的灌注過液態二氧化碳工作，開始設計時考慮距離原因，整個灌注系統安裝了三臺汽化器，導致剛開始灌注的一百多噸液態二氧化碳效果不佳，在21127風巷閉墻前灌注管路溫度還是20 ℃，降溫效果不明顯。后在現場，公司、礦相關人員反復琢磨，結合汽化器原理，與廠家商議，決定甩掉一臺汽化器進行試驗，結果在21127風巷閉墻前灌注管路溫度迅速降至-13 ℃，降溫效果明顯；于是礦方再次提出再甩掉一臺汽化器灌注，這樣最終達到最好效果時為21127風巷閉墻前灌注管路溫度降至-28 ℃，整個21127風巷溫度逐步下降，達到救護隊員進入條件。救護隊員進入偵查后，由于采面原上出口替棚單體柱支護段因火災冒頂人員無法進入，為將液態二氧化碳灌注進入采空區，決定將原風巷20寸瓦斯抽放管掐斷與回風巷鋪設的二氧化碳灌注管聯通，對采空區進行灌注。通過對采空區灌注后，從安設的監測溫度探頭顯示，風巷冒頂處往外溫度已從剛開始的37 ℃降至20.56 ℃。在7月份經礦和公司決定對21127回風冒頂段進行恢復,于7月18日至28日由救護隊對采面冒頂段恢復后進入偵查,采面中部溫度為21.5 ℃,局部高頂處溫度仍在44 ℃,礦再次決定在采面中上部安設水幕灑水降溫,同時將注二氧化碳的汽化器地點移至21127回風巷口,縮短輸入距離,提高降溫效果,此時,采面溫度在17～20 ℃,局部為32.5 ℃，采樣分析的一氧化碳穩定在1PPm。根據目前的降溫效果和監測溫度情況，公司與礦在研究下一步的實施方案,主要是采取在21127回風4道鎖風門外增設一道密閉,并將密閉夾層及密閉周邊進行注漿噴漿，保證密閉的的致密性，確保在下一步對外圍系統恢復期間災區穩定。

4 效果分析

(1)遠距離輸送液態二氧化碳降溫效果比近距離輸送液態二氧化碳差。

(2)輸送線路越長，輸送管線維護量大，維護管路工作危險性大。

(3)汽化器使用個數越多，輸送溫差越大，出口溫度越高，降溫效果越差，最好采用直注式(罐體連接管路直注)。

(4)灌注液態二氧化碳過程中不能間斷，必須連續不斷注入火區。

(5)所購進的液態二氧化碳入井前必須經采樣分析，質量合格，其液態二氧化碳成分中一氧化碳含量不能超過10×10-6。所注入的液態二氧化碳中一氧化碳超標，會導致火區一氧化碳濃度超標，對火區處理決策誤判斷。

5 結語

該技術在土城煤礦21127火區中的成功應用，確保了21127采面及采區的安全生產，為今后災害事故的處理及自然煤層火區的處理提供了可靠的數據和寶貴的經驗。