液態二氧化碳滅火技術在綜放工作面的應用

武 帥

(山西省煤炭職業中等專業學校， 山西 太原 030006)

在我國煤炭開采過程中，由于采空區漏風、煤層自燃傾向等因素導致在開采過程中采空區煤層發生自燃現象。煤層自燃如不加以控制，直接威脅到井下作業人員的生命安全。因此，必須對自燃煤層進行防滅火處理[1-2]. 目前，通過向采空區直注液態CO2作為礦區煤層自燃治理的新型防滅火技術，被各大礦區廣泛采用。它與其他防滅火技術相比，具有速度快、操作簡單、成本低、防滅火效果顯著等特點，是當前煤礦井下防滅火的最佳技術[2-4]. 以大同和尚嘴煤礦8615綜放工作面采空區煤層自燃滅火為背景，運用直注液態CO2技術，以達到防滅火效果。

1 工程概況

山西大同和尚嘴煤礦主采8#和12#煤層，其中12#煤層距地表290～360 m，距8#煤層平均為48 m，煤層厚度2.5～12 m，平均6.8 m. 8615工作面煤厚3.2～7.2 m，平均5.8 m，煤層硬度為3，煤層傾角1°～2°，平均1.5°，屬穩定煤層。工作面采用放頂煤開采工藝，采高3 m，放煤2.8 m，采放比為1∶0.93. 煤層結構簡單。基本頂為中細砂巖，厚度14.75～31.25 m，平均24.9 m；直接頂為粉細砂巖，平均5.34 m；直接底為粉細砂巖，厚度2.6～5.46 m，平均3.85 m. 12#煤層為自然發火煤層，自燃傾向性等級為Ⅰ級。煤塵爆炸危險性鑒定為有爆炸危險性。

當8615工作面回采224 m時，回風巷中CO檢測濃度為40×10-6，通過持續地監測及色譜分析，回風巷中CO、C2H4和CH4呈持續上升趨勢，進一步對8615采空區取樣監測，支架后方邊緣CO濃度高達46×10-6，隨著采空區的深入，CO濃度持續升高，最終確定為采空區煤層自燃，工作面停產封閉，進行滅火作業。

2 煤層自燃原因分析

1) 煤層自燃傾向性。12#煤為Ⅰ類易自然發火煤層，最短發火期45 d，8615工作面涌水量較大，采空區遺煤受到礦井水浸泡吸氧量增加，導致煤層自燃概率增加。

2) 采空區殘留煤體。12#煤采用放頂煤回采工藝，導致大量遺煤散落采空區，為采空區煤層自燃提供了先決條件。

3) 采空區漏風。工作面采空區頂板管理采用自然垮落法，工作面煤層較厚，部分區域在煤層開采后頂板垮落，產生的裂隙直通地表，為煤層自燃提供了供氧通道。隨著漏風量的增加，煤層自燃發生概率增加。

3 液態CO2防滅火措施

3.1 液態CO2防滅火的機理

1) 降氧窒息作用。將大量液壓CO2注入采空區后，由于其密度比空氣大，可以快速沉入底板表面，擠出多余氧氣，從而降低采空區氧氣含量。同時因為液態CO2氣化后體積膨脹，使得采空區內壓力高于外部，阻止了外部O2的進入，并且氣化后的CO2很容易覆蓋在自燃煤表面驅替O2造成采空區火源缺氧窒息。

2) 降溫。注入采空區的CO2快速氣化，體積迅速膨脹，吸附采空區大量熱量，起到降溫作用。同時氣體CO2快速流動擴散過程中也會發生吸熱反應，降低周圍環境的溫度，抑制煤炭升溫，從而延緩或阻止煤層自燃現象。

3.2 液態CO2直注工藝

3.2.1工藝流程

液態CO2滅火系統主要由地面液態CO2槽車、礦用移動式液態CO2防滅火裝置等組成。利用槽車將礦用可移動液態CO2防滅火裝置運輸到地面CO2灌注站進行液態CO2灌裝，灌裝完畢后將其運送至地面注入口，經灌注鉆孔輸入到井下，連接高壓膠管直接注入到8615工作面采空區。其中移動式液態CO2滅火裝置出口壓力設定為0.8～2.0 MPa，流量為0.5～4.0 t/h. 灌注工藝流程見圖1.

圖1 液態CO2灌注流程圖

3.2.2液態CO2注入位置

為了使液壓CO2充分擴散至整個采空區，將注入口布置在工作面進風巷一側，與支架保持合理的距離[5]. 具體計算公式如下：

Dmin=WCZ+RC

Dmax=WCO-RC

式中：

Dmax，Dmin—CO2注入口距離支架最大和最小距離，m；

WCZ—采空區散熱帶寬度，m，取18.2；

RC—CO2擴散半徑，m，取14.5；

WCO—采空區散熱帶和氧化帶寬度之和，m，取128.

根據8615工作面實際情況，帶入公式得：Dmax=113.5 m，Dmin=32.7 m. 可見，CO2注入口布置在距離工作面支架32.7～113.5 m的區域比較合適。結合現場實際和經驗決定注入口布置在距離工作面支架50 m位置處。

3.2.3液態CO2注入量

根據工作面氧氣濃度對CO2注入量進行計算，具體計算公式如下：

式中:

Qf—工作面風量，m3/h，取67 560；

C1—工作面初始氧氣濃度，%，取20.8；

C2—工作面允許氧氣濃度，%，取18.

帶入公式得：8615工作面CO2注入最大量為9 094 m3/h，因為液壓CO2的膨脹系數為592，因此最終確定CO2注入量15.4 m3/h.

3.3 實施過程

選擇合適的位置從地面向井下8615工作面進風巷施工兩個鉆孔，一用一備，井下采用鉆機在距離工作面支架后方50 m處打鉆，一備一用，要求鉆孔必須打入采空區，為液態CO2氣化和擴散創造有利條件。鉆孔施工完畢前1 h在地面將移動式液態CO2防滅火裝置灌裝完畢，并運輸到指定地點，對地面鉆孔進行注水測試，確保鉆孔暢通無阻。待井下鉆孔施工完畢后，立刻鋪設高壓膠管并完成所有連接，并確保密封完整，無漏液。隨后開啟防滅火裝置閥門進行灌裝。

3.4 安全技術措施

1) 礦用液態二氧化碳防滅火系統嚴禁超裝，充裝系數<95%.

2) 礦用液態二氧化碳防滅火系統在地面充裝后原則上存放不能超過3 h.

3) 所有參與作業人員必須對車輛運輸、液態CO2灌裝、工藝流程、氣體監測等進行專業培訓，確保各崗位人員完全熟悉作業流程，培訓合格后方可上崗。

4) 在注入口附近，工作面上下隅角、工作面支架前安排專人進行CO2濃度監測，如發現濃度大于1.5%，應該立即通知所有人員佩戴自救器進行撤離。

5) 對于可能發生人員凍傷、窒息等的安全隱患，要有充足的應急預案，作業現場應該配備充足的急救人員和急救藥品。

4 應用效果分析

為了驗證液態CO2滅火效果，利用采空區埋設的束管對灌注前后8615工作面采空區氣體及溫度進行監測、分析。CO2灌注完畢后，由專業人員佩戴專業設備每天對8615工作面回風側采空區氣體監測3次，記錄最大值。通過紅外測溫儀對采空區溫度進行探測。監測結果見表1，氣體濃度變化曲線見圖2. 由圖2、表1可知，通過對采空區灌注液態CO2，采空區溫度由29.6 ℃下降到16.0 ℃，采空區O2、CO、CO2、CH4濃度均出現了明顯的下降并趨于穩定，O2濃度由16.7%降到7.8%降幅達53%，CO含量由0.004 4%下降到0.000 7%降幅達84%，CH4含量由1.24%下降到0.65%降幅達48%. 充分證明向采空區內直注液態CO2可以實現采空區降溫、降氧作用，阻止采空區遺煤氧化升溫，最終自燃的現象，成功消除工作面火災隱患。

表1 液態CO2灌注前后采空區氣體及溫度變化特征表

圖2 液態CO2灌注后采空區氣體濃度變化圖

5 結 語

1) 通過對8615綜放工作面采空區自燃情況進行分析，煤層自燃傾向、放頂煤遺煤、采空區漏風為采空區自然發火的主要因素。

2) 針對采空區煤層自燃情況，決定采用直注液態CO2技術，從降氧窒息和降溫兩方面滅火，并對直注液態CO2技術的工藝流程、注入參數、安全措施等進行了闡述。

3) 通過對8615采空區進行直注液態CO2滅火，采空區溫度由29.6 ℃下降到16.0 ℃，O2濃度降幅53%，CO濃度降幅84%，CH4濃度降幅48%，采空區標志氣體均出現了明顯的下降并趨于穩定，充分證明直注液態CO2防滅火技術對于采空區防滅火具有良好的效果。