綜采工作面注液態二氧化碳防自然發火技術與實踐

劉振偉，邢德棟，李 猛

（兗州煤業股份有限公司楊村煤礦，山東 濟寧272118）

1 工作面概述

楊村煤礦330 工作面為底分層限厚開采，為單斜構造，地層走向NE～SW，傾向SE，總體趨勢西北部高、東南部低。煤層起伏變化不大，煤層傾角1～6°，平均4°。煤層結構簡單，塊狀，少量粉末狀，以亮煤為主，夾少量暗煤，內生裂隙發育。煤層普氏系數（f）一般在1.91 左右，為軟～中等硬度煤層。

330 工作面西北臨T301 工作面，東南臨301、303、305、307 工作面采空區，北臨礦井邊界保護煤柱（與楊莊煤礦），南臨331 工作面，該面內老巷301運順、303 運順、303 軌順、305 運順、305 運順聯絡巷、-190 軌道巷與工作面立交，巷采運煤巷、北總回風巷與工作面平交。

礦井瓦斯等級為低瓦斯礦井，煤層屬Ⅱ類自燃煤層，最短自然發火期60 天，煤塵具有爆炸性，爆炸指數35.27%，地溫21°C。

2 隱患情況

330 工作面上巷沿空布置，且部分區段只采底分層，采空區內遺煤較多，旋轉開采時工作面推進速度慢，易向采空區漏風，采空區內的遺煤容易氧化蓄熱，一旦出現自然發火，治理難度大，同時停采回撤期間煤體長期暴露，也給工作面帶來安全隱患。

3 工程實例

根據工作面及其周邊巷道地質情況，利用對330 工作面采空區灌注液態二氧化碳的措施，進行防滅火控制。

3.1 灌注方案

1）利用軌順、運順內的排水管改造為CO2管路，用于壓注CO2，管口通過彎頭向上增加不小于300mm 的花管，花管上口封死，并固定牢固。

2）液態二氧化碳在地面進行灌裝，然后用礦用平板車運至330 軌順，將液態二氧化碳直接注入于采空區進行防滅火，通過φ50 高壓膠管與預先敷設的φ108 鋼管連接進行灌注。

3）利用兩輛平盤車各裝一個液態二氧化碳罐，在一輛向工作面灌注的同時，另一輛上井充裝，交替運行。

3.2 操作程序

3.2.1 操作流程相關示意圖

見圖1、圖2 及表1。

3.2.2 儲罐充裝

1）儲罐的充裝由液態二氧化碳槽車司機操作。

2）確認置換過的儲罐已達到所需純度標準后，連接充液軟管。

3）打開殘液閥（V2）和槽車排液閥約三分鐘，使輸液軟管冷卻并排除軟管內空氣后，再關閉殘液閥（V2)。

圖1 液態二氧化碳防滅火系統工藝流程圖

圖2 液態二氧化碳罐體示意圖

表1 儲罐閥門狀態表

4）微開進液閥（V1），氣體排放閥（V11），壓力表、液位計閥（V5）和液體充滿指示閥（V9），視情況（連接儲罐氣相口，使儲罐內壓力大于1.0MPa.）記錄好初始壓力值P 和液位計讀數L。

5）開始充罐時，氣體放空閥（V11）和液體充滿指示閥（V9）要控制的很小，待儲罐預冷后，可逐漸加大（V1）、（V11）的開度，按一次充灌量2 噸來計算，記錄好充罐時間和充罐速度。

6）當有液體從充滿指示閥（V9）噴出時，表明儲罐已裝滿，立即關閉儲罐進液閥（V1）、槽車排液閥、氣體放空閥（V11）、充滿指示閥（V9）打開殘液排放閥（V2)，泄掉輸液管內壓力和殘留液體后，拆下輸液軟管和氣相軟路，充裝結束。（通常壓力為1.8MPa 左右）。

3.2.3 排液、增壓

1）打開液位計、壓力表閥（V5）使其投入使用。

2）分別將排液高壓膠管和增壓回氣高壓膠管，相應的把儲罐和增壓汽化器連接好，汽化器排液膠管連接牢固。

3）微開液體排液閥（V3）、增壓閥（V6）、回氣閥（V7）給增壓汽化器一個預冷的時間和一定的壓力，過一會后可逐漸開大排液閥（V3）、關閉（V6）、（V7）加快排液速度，當儲罐內壓力下降到1.0MPa 以下，不符合排液壓力要求時，就需要給儲罐增壓，首先關閉（V7），緩慢打開增壓閥（V6）讓液體進入增壓汽化器，隨后打開增壓回氣閥（V4），給儲罐增壓。增壓過程中要注意觀察壓力表、液位計、各閥門、接頭等處有無跑、冒、漏現象，當增壓達到1.8MPa 符合排液壓力要求時，關閉增壓回氣閥（V4）、增壓閥（V6）停止增壓，打開（V7）繼續排液。

4）在排液過程中，一定要隨時注意觀察液位計、壓力表、各閥門及管路，防止有突發情況發生。排液時不得把儲罐內的低溫液體完全排放干凈,必須保留一定余量為下一次充裝做準備，通常液位計示值大約在（1.0～1.5kPa）時,關閉排液閥（V3），防止干冰或氣體進入空氣。

5）管路連接時，在管路中間接三通，三通上口及靠近采空區一側均安裝截止閥。打開三通上口截止閥，關閉靠近采空區一側截止閥，泄掉排液高壓膠管和汽化器內的壓力后，拆下排液高壓膠管，連接下一罐車或排液結束。

6）填寫好排液記錄，并妥善保存。

3.3 常見故障分析及處理

1）正常灌注時，管路內會有“呲呲”聲，管路上會有白霜出現，若有管路結冰時，“呲呲”聲消失，大部分管路白霜會消融，只有結冰點白霜存在，通過此方法找到結冰點進行處理。

2）灌注過程中出現管路結冰后，應立即將排液閥（V3）關閉，找到結冰點后將管路卸開，使干冰自然消融，也可用澆水的方法快速使干冰融化。

3）當發現儲罐各閥門及附件有微小泄漏時，應及時檢修堵漏，有嚴重泄漏時，必須將儲罐升井后運到人稀、空曠、安全處，逐漸排放并嚴格監護，排放時人應處于上風口。

4 安全防護

1）操作人員在充裝、排液和操作低溫儲罐時，應帶上便于脫下的皮革或石棉膠皮手套；若有產生噴射或飛濺可能時，應帶上護目鏡或面罩；若有低溫液體大量泄漏時，應穿上皮靴，褲腿要套在皮靴外面。

2）在通風不良、有發生窒息危險的場所處理低溫液體時，操作人員必須戴上自吸式防護面具，必須有兩人以上進行操作處理。

3）操作人員的皮膚因接觸低溫液體或氣體而被凍傷時，應及時把受傷部位放在溫水中浸泡和沖洗，切勿干加熱，嚴重的凍傷要迅速到醫院治療。

4）若有操作人員及其他人員，因二氧化碳氣體窒息而失去知覺時，應立刻將人移到有新鮮空氣處，有呼吸困難時立刻輸氧，如有呼吸和心跳停止時，立即進行人工呼吸，并及時送醫院治療。

5）礦用液態二氧化碳防滅火系統嚴禁超裝，本系統充裝系數為≤95%。

6）礦用液態二氧化碳防滅火系統，在地面充裝液態二氧化碳后嚴禁長時間存放，以免設備超限后產生危險。

7）礦用液態二氧化碳防滅火系統的充裝、卸液等操作人員應熟悉系統使用說明書、工藝流程、各種閥門、儀表的作用及操作程序，并應進行相關操作的業務知識培訓，經培訓合格后，方能上崗。

5 治理效果

1）利用KJ90X 安全監測系統，加強氣體日常檢查，331 工作面（原330 工作面）皮帶輸送機頭CO持續60 天傳感器監測數據均正常，見圖3。

2）利用JSG- 7 型束管監測系統，定期觀測沿空側有害氣體和溫度變化。二氧化碳進入采空區域可以很好地降低該區域氧氣濃度, 低溫的惰性氣體吸收熱量降低周圍煤體的溫度,同時會有一定量的惰性氣體滲入煤體裂隙表面,阻止氧氣的進入,大大減小煤的吸氧量,從而降低氧化速度,阻止煤自燃發生。

圖3 330 工作面回風巷一氧化碳監測

通過預防性注膠注漿、注二氧化碳等防滅火措施，通過人工取樣，工作面回風隅角氣體取樣分析正 常，CO=0ppm，CO2=0.07% ，CH4=0.00% ，O2=20.21%，各項管控措施落實到位，隱患治理正常。

6 結 語

防治礦井煤炭自燃發火是井工煤礦生產面臨的一大難題，通常煤礦井下防治自然發火的防滅火方法主要有注水、注漿、注凝膠、噴漿、堵漏、均壓調風、封閉火區等。目前，我國煤礦井下自然發火常用的防滅火方法是采用注氮技術。但礦用氮氣滅火設備價格高。

本次工程實際采用的灌注液態二氧化碳防滅火技術，現場防滅火預防效果好，操作簡單，且價格低廉，適合有防滅火需求的各類礦井推廣使用。