辛置礦2-208 工作面采空區防滅火技術研究與應用

張 強

（霍州煤電集團辛置煤礦，山西 霍州 031412）

1 工程概況

山西焦煤霍州煤電集團辛置煤礦2-208 綜采工作面位于310 水平二采區，工作面位于310 水平二采區軌道巷左側，北面緊鄰二采區軌道巷、皮帶巷，南面距離二采區右翼皮帶巷110 m，西面距離二采區回風巷25 m，東面距離2-202 工作面采空區最小間距為63 m，工作面主采2 號煤層，2 號煤層位于二疊系下統山西組，煤層穩定可采，結構復雜，含2 層夾矸，其中第2 層夾矸層位較穩定，厚度稍大，為低硫肥煤，煤層厚度為3.8~4.3 m，平均厚度為4.1 m，平均傾角為4°，工作面傾斜長度和走向長度分別為579.5 m 和175 m，煤層頂板巖層為泥巖、砂泥巖和K8 中細砂巖，底板巖層為泥巖和中砂巖。

根據礦井地質資料可知，2 號煤層瓦斯相對涌出量為0.28 m3/t，絕對涌出量為0.73 m3/min，為低瓦斯煤層，煤塵具有爆炸性，2 號煤層自燃等級為Ⅰ級，現為防止2-208 工作面采空區出現自燃現象，擬采用液態二氧化碳防滅火技術進行采空區防滅火。

2 液態CO2 防滅火工藝

2.1 防滅火原理

采空區內注入CO2能夠有效抑制采空區內的遺煤自燃現象，其中CO2對采空區內的氣體抑制機理主要有惰化作用、氣體吸附阻化作用和冷卻降溫作用，具體CO2這3 項作用原理如下：

1）惰化作用：CO2氣體是一種惰性氣體，將CO2注入采空區內后，能夠有效的稀釋采空區內氧氣的濃度，且CO2的注入區域會形成一個惰性區域，采空區內的遺煤在CO2的惰性作用下會被覆蓋，實現將氧氣與遺煤之間被CO2分隔開，當采空區內的氧氣含量降低至5%~10%時，此時即可實現抑制采空區內遺煤自燃現象的出現，當采空區內氧氣含量低于3%時，此時采空區內的遺煤完全被抑制。

2）吸附阻化作用：煤體是一種孔隙性的介質，其具有一定的吸附能力，且煤體對不同氣體的吸附能力不同，根據相關研究表明[1-2]，對氣體吸附能力由高至低排列，分別為 CO2＞ CH4＞ CO ＞ N2；據此可知，煤對于CO2的吸附能力較高，在同等條件下，CO2能夠被更快的吸附到煤中，煤體吸入CO2后，可實現對煤體的包裹，進而抑制采空區遺煤的氧化自燃。

3）冷卻降溫作用：液態的CO2通過管路注入到采空區內后，在周圍環境壓力的作用下，隨著壓力的升高和周圍溫度的升高，液態的CO2其會被瞬間氣化，液態CO2氣化的過程會吸收大量遺煤散發出的熱量，達到對采空區有效降溫的目的，基于相關實驗數據可知，當外界氣體壓力為16°時，此時注入采空區內CO2，在注入時間4 h 后，采空區內部的溫度會普遍降低2℃~3℃。

2.2 防滅火工藝

液態CO2防滅火工藝主要是將大流量的CO2注入到防滅火的區域，降低采空區內的氧氣濃度、阻化煤體自燃、降低采空區內遺煤溫度，以此有效抑制采空區內遺煤的自燃現象，實現采空區的防滅火。液態CO2的輸送系統主要包括3 部分，分別為地面出流段、垂直保壓段、水平保壓段，防滅火系統布置如圖1所示，圖中P 為壓力表、T 為溫度計、Q 為流量計。

在進行液態CO2壓注時，液態CO2從地面出流段釋放由地面鉆孔，然后通過地面鉆孔在進入到井下硐室，最后通過井下硐室達到防滅火區域，

圖1 液態CO2 輸送系統示意圖

圖2 液態CO2 施工工藝流程圖

在進行液態CO2防滅火工藝施工時，主要的工藝流程為安裝及準備工作、氣密性檢測、升壓及保壓、液態CO2壓注、吹掃管路，具體施工工藝流程見圖2。

1）安裝及準備工作：將壓力表、溫度計、流量計按要求放置于輸送管路上，用于在液態CO2施工時監測其流量、壓力和溫度，該階段同時檢查各個管路的連接安裝狀態，確保管路之間均連通。

2）氣密性檢測：通過向管路內注入少量的液氮，并隨時監測沿途的管路，當發現存在著氮氣泄露現象時，此時應停止壓注，采用有效措施進行密封。

3）升壓與保壓：在氣密性檢測完成后，將井下鉆孔閥門更改至開啟狀態，并通過注入氣體CO2對管路內的氣體進行驅替，在驅替完成后，隨著可采用增壓裝置對整套輸送管路進行液態CO2的壓注作業，通過增壓裝置當液態CO2的壓力達到1.6~2.0 MPa 時，即可停止增壓作業[3-4]。

4）液態CO2壓注：當升壓與保壓作用完成后，對輸送管路內的環境進行檢查，確保輸送管路內能夠達到輸送液態CO2的條件，隨后打開儲液罐的流量控制閥，隨著壓注液態CO2作業的進行、壓注流量的增大會使得輸送管路內的壓力會逐漸增大，當壓力達到一定數值后，緩慢調節鉆孔前閥門進行調整，確保液態CO2壓注的壓力穩定在1.6~2.0 MPa 之間，以此持續進行持續穩壓注入。

5）吹掃管路：當壓注液態CO2達到設定流量時，此時即可關閉流量控制閥，停止注入作業，采用增壓裝置向管路內壓注氣態CO2實現將殘余液態CO2氣體驅逐出壓注管路的目的，以確保輸送管路的安全。

3 防滅火方案及效果

3.1 防滅火方案

2-208 工作面采用液態CO2防滅火工藝時，輸送系統中主要包括地面出流段、垂直和水平保壓段，本次液態CO2的防滅火工藝采用高壓鋼管，液態CO2防滅火方案中的各項參數設計如下：

1）注入位置：現為保障液態CO2注入后能夠有效的擴散到工作面整個采空區內，現設置將液態CO2放置在工作面進風巷一側，現為使得注入位置距離工作面支架的距離較為合理，通過下式進行計算確定：

式中：Dmax為注入口距離工作面的最小距離；Dmin為注入口距離工作面的最小距離；Wco為采空區散熱帶與氧化帶寬度之和；Rc為液態CO2的擴散半徑；根據2-208 工作面的地質條件，現取Wco=130 m、Wcz=15 m、Rc=15 m，基于上述數據能夠計算得出Dmax=115 m，Dmin=30 m，現考慮類似工程實踐液態CO2的擴散半徑，最終確定注入口布置在進風巷一側距離工作面50 m 的位置處。

2）注入強度：液態CO2的最大注入強度確定時是依據回采工作面的氧氣濃度計算確定[5-6]，具體其計算公式如下：

式中：Qmax為注入液態 CO2的最大強度；Qf為工作面風量；C1為工作面的初始氧氣濃度；C2為允許的氧氣濃度。根據工作面通風情況，取Qf=850m3/h；C1=20%；C2=18%，計算得出Qmax= 8 500 m3/h，現考慮到液態CO2的密度為1.155 t/m3，膨脹系數為585，據此能夠確定出本次注入液態CO2的強度為14 m3/h。

2-208 工作面在進行液態CO2壓注作業時，其壓注系統流程圖如圖3 所示。

圖3 工作面壓注液態CO2 系統流程圖

在采空區氧化帶靠近進風巷一側距離工作面液壓支架50 m 的位置處，共計布置2 個液態CO2壓注鉆孔，并將其分別命名為1 號和2 號，2 個鉆孔水平方向上的距離為36 m，具體采空區液態CO2壓注鉆孔的布置剖面圖如圖4 所示。

圖4 采空區液態CO2 壓注鉆孔布置剖面圖

3.2 效果分析

為有效驗證液態CO2注入采空區后的防滅火效果，在工作面進風巷和回風巷分別布置1 個測點，具體對采空區內CO、CO2和O2的濃度進行實時監測，具體監測采空區壓注液態CO2后指標氣體濃度變化曲線如圖5 所示。

分析圖5 可知，2-208 工作面采空區內注入液態CO2后，在采空區的不同位置，其氣體濃度的變化差值較大，在工作面壓注液態CO2后，采空區內的CO2的濃度會逐漸上升，同時O2和CO 的濃度會逐漸降低，從曲線中能夠看出回風巷內的O2濃度會下降至3%，CO 的濃度最終會降低至0%；在工作面進風巷側，隨著液態CO2的注入，CO2逐漸上升至12%以上，O2濃度降低至3%以下，CO 濃度出現迅速降低，最終進風巷區域CO 濃度穩定在25×10-6；據此可知液態CO2注入后能夠對采空區起到有效的抑制作用，可有效的抑制采空區內的遺煤氧化，有效的預防了采空區內出現自燃現象。

圖5 工作面進風巷和回風巷氣體濃度變化曲線圖

4 結 論

根據2-208 工作面瓦斯及煤層賦存特征，通過具體分析液態二氧化碳防滅火工藝流程，結合工作面特征，確定工作面液態CO2注入口布置在進風巷一側距離工作面50 m 的位置處，注入強度為14 m3/h，注入壓力為1.6~2.0 MPa，并在采空區注入液態CO2后對采空區內的指標氣體進行監測，基于監測結果可知，采空區內注入液態CO2后，對采空區的惰化效果較好，能夠有效防止采空區遺煤自燃。