礦井液態CO2防滅火技術的應用

張 杰

(晉能控股煤業集團 口泉煤業有限公司，山西 大同 037000)

礦井火災作為煤礦五大自然災害之一，長期影響著我國煤礦的安全開采。據統計，在我國受到煤層自燃威脅的礦井大約占70%.煤層自燃會產生高溫、明火，與井下煤塵、瓦斯發生作用會引起爆炸，而且煤層自燃過程中將釋放大量的CO等有毒有害氣體，直接威脅到礦井人員的生命安全[1-2]。目前針對礦井火災預防及滅火技術主要有：注漿、注氮、注凝膠等常規性措施。在實施過程中發現，采空區注漿，由于受到地質條件影響，漿體流動性受到制約，不能很好地覆蓋采空區；采空區注入氮氣后，由于圍巖存在裂隙、漏風，導致其在采空區滯留時間短，不能達到明顯的效果；注凝膠或其他材料成本高，工藝復雜，影響生產。近年來興起的采空區注入液態CO2對于礦井防滅火效果顯著[3-4]。因此本文結合大同某礦井生產實際情況，對CO2防滅火效果進行分析，以期為其他礦井防滅火提供參考。

1 工程概況

山西大同某礦主采8號和12號煤層，其中12號煤層距地表29～360 m，距8號煤層平均為48 m，煤層厚度2.5～12 m，平均6.8 m。8615工作面開采12號煤層，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。老頂為中細砂巖，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號煤層為自然發火的煤層，自燃傾向性等級為Ⅰ級，煤塵具有爆炸危險性。

當8615工作面回采224 m時，工作人員在回風巷中檢測CO濃度為85.2×10-6，通過持續的監測及色譜分析，回風巷中CO、C2H4和C2H6呈持續上升趨勢，通過對8615采空區取樣監測，采空區CO濃度高達854×10-6，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號煤為Ⅰ類易自燃發火煤層，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號煤采用放頂煤回采工藝，導致大量遺煤進入采空區，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垮落帶直通地表，為煤層自燃提供了供氧通道。隨著漏風量的增加，煤層自燃發生概率大大增加。

3 CO2防滅火技術

3.1 液態CO2防滅火的機理

為了準確、快速地治理8615工作面采空區著火，經過對各種防滅火措施進行分析，決定采用采空區注液態CO2的防滅火措施。

液態CO2防滅火的作用機理：①降氧、惰化，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，造成采空區火源缺氧窒息；再者進入采空區的CO2可以抑制CO等氧化產物的產生，惰化整個采空區，抑制煤氧復合反應達到滅火效果。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，起到降溫作用最終達到滅火效果。

3.2 液態CO2治理方案

通過地面鉆孔與井下鋪設的管道進行連接，將液態CO2從地面注入，流程如圖1所示。

圖1 液態CO2注入流程

在地面提前對液態CO2進行灌裝，然后由專用液態CO2槽車運輸到指定位置，通過地面增壓裝置經地面鉆孔注入井下存儲硐室，利用高壓管注入采空區。

3.3 液態CO2注入位置

為了使液態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為CO2注入口距離支架最大和最小距離，m；WCZ為采空區散熱帶寬度，m；RC為CO2擴散半徑，m；WCO為采空區散熱帶和氧化帶寬度之和，m。

根據8615工作面實際情況，WCZ=18.2 m，RC=14.5 m，WCO=128 m帶入公式得到，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。

3.4 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為工作面風量，m3/h;C1為工作面初始氧氣濃度，取20.8%；C2為工作面允許氧氣濃度，取18%.

8615工作面風量為67 560 m3/h，因此CO2注入最大量為9 094 m3/h，因為液態CO2的膨脹系數為592，因此最終確定CO2注入量15.4 m3/h。

4 工程應用效果分析

為了驗證液態CO2滅火效果，特利用采空區埋設的束管對8615工作面采空區CO濃度進行了監測、分析，注液態CO2前后采空區CO濃度變化如圖2所示。由圖2可知，采空區注入CO2后CO濃度明顯降低，注入前CO濃度最大為854×10-6，注入后CO濃度平均為5.8×10-6，降幅為99%。注入后CO濃度從821×10-6迅速降低到了0，之后逐漸升高，最終穩定到了7×10-6左右，充分說明注入液態CO2后，CO2迅速氣化，釋放到了整個采空區，對CO起到了快速稀釋作用，而且CO濃度出現了大幅度下降并趨于穩定，充分說明說明采空區煤層自燃已經熄滅并得到了有效控制。

圖2 注入液態CO2前后采空區CO濃度變化

5 結 語

1) 詳細分析了8615工作面采空區著火原因，并確定了液態CO2滅火措施。

2) 對液態CO2滅火機理、工藝流程進行了詳細闡述，并確定了液態CO2注入的最佳位置為支架后方50 m，最佳注入量為15.4 m3/h。

3) 通過對采空區CO濃度在注入液態CO2前后的對比，CO濃度明顯降低降幅為65.7%，對CO起到了快速稀釋作用說明采空區火源得到了很好控制。