大平煤礦3111回采面采空區注CO2抑制煤自燃應用研究

岳 鵬，韓曉莉

(1.山西大平煤業有限公司，山西 長治 046203；2.山西惠豐特種汽車有限公司，山西 長治 046203)

煤炭自燃是影響礦工生命安全和煤礦企業安全生產的重要威脅之一[1]。目前多采用注氮氣、凝膠、黃泥漿等方法防治煤炭自燃。其中，注液態CO2的防治方法近年來受到較多關注。二氧化碳的比重比空氣大，所以當CO2注入采空區后可快速沉積于底板，隔絕煤表面的氧氣，阻止煤氧化自燃，針對采空區抑制遺煤氧化自燃效果相對更好。本文以大平礦3111采煤面采空區為例，介紹了液態CO2防滅火裝置及其應用參數，測定了其防治煤自燃的效果，為其他采空區類似條件防滅火工作提供了參考。

1 3111采煤工作面概況

山西大平煤礦井田屬于山西沁水煤田，煤礦可采儲量為3 582萬t。3111工作面煤層傾斜和走向長度分別為192 m和1 670 m，厚度為6.19 m，面積為320 640 m2，全煤，局部含1層0.1～0.2 m的夾矸。采用工作面運輸巷進風、回風巷回風的上行U型通風方式。走向長壁綜采一次采全高后退式回采，頂板全部冒落。煤種為貧煤，水分為0.72%，灰分為14.25%，揮發分為14.75%，硫分為0.31%，發熱量為35.12 MJ/kg(不含頂、底矸和夾矸)。

2 二氧化碳防滅火技術

2.1 二氧化碳防滅火機理

二氧化碳在常溫、常壓下是無色略帶酸味的窒息性氣體，它在不同的壓力、溫度條件下有氣、液、固三種形態，不燃燒，不助燃，當空氣中二氧化碳的濃度超過29.2%時，就能使燃燒熄滅；熔點-56.6 ℃(526.9 kPa)，臨界溫度31.3 ℃，臨界壓力為7 376.5 kPa[2]。液態CO2防滅火技術就是借助液態CO2汽化后本身的氣體壓力輸送至防滅火的區域，利用CO2的防滅火性能對火區進行降溫和惰化[3]。液態CO2的性質見表1。

表1 液態CO2基本特征

2.2 滅火注二氧化碳流量

用于撲滅火區的CO2氣量主要取決于發火區域的幾何形狀、空間大小、漏風量、火源范圍和燃燒時間的長短等因素[4]。

1) 撲滅巷道火災所需CO2氣量主要按空間量及漏風量計算，試驗表明，滅火用CO2量為空間體積的1.5倍。

2) 采空區根據氧氣濃度計算撲滅采空區火災所需CO2氣量，按下式進行估算[4]：

式中：QCO2為注CO2量，m3；V0為火區體積，m3；C1為火區原始氧濃度，取12%；C2為注CO2區域達到的氧濃度，取5%.

2.3 注CO2防滅火裝備

液態CO2汽化灌注裝備由特制液體二氧化碳運輸掛車、礦用空氣加熱式液態二氧化碳汽化器、礦用氣電式液體加熱式汽化器等設備組成[5]。液態CO2經空氣加熱式汽化器和氣電式液體加熱式汽化器兩步氣化后充分汽化成為氣體，再經過變壓、穩壓過程使其成為可灌充的氣態CO2，再經管道注入井下，實現滅火的目的。

圖1 煤礦用液態CO2汽化灌注裝備

工作原理是利用液體二氧化碳在減壓提溫的情況下，會由液態轉化為氣態。調壓穩壓裝置則是把氣體二氧化碳從高壓力轉換成較低壓力，并穩定此壓力以符合井下有關管道的壓力要求(見表2)。

表2 注CO2裝置技術特征

該裝備可使液態二氧化碳從地面實施井下防滅火。由化工廠調來的液體二氧化碳，通過轉貯、汽化、穩壓過程，轉換成適度壓力的氣態二氧化碳，然后依靠煤礦地面通入井下的有關管道注入井下火區或高溫點，達到抑制瓦斯爆炸、防止火勢蔓延撲滅火災的目的。該裝置產氣量大，每小時可往井下灌注3 000 m3二氧化碳氣體，操作簡便、安全且原料成本低。

2.4 井下注二氧化碳設備及數量

1) 工作流程：利用上述液態二氧化碳運輸裝置將灌裝液態二氧化碳運至井口，利用移動式防滅火裝置運送至工作面運輸巷，利用原注氮管路與CPW-2.0礦用移動式液態二氧化碳防滅火裝置連接，每20 m設1個三通撥頭，當三通撥頭進入工作面采空區后，即開始灌注液態CO2。

2) 主要參數：液態CO2溫度：-26～-30 ℃；液態二氧化碳灌注設備出口壓力：0.8～2.0 MPa；流量：0.5～4.0 t/h；最大耐壓：3 MPa；出口溫度：-30～-20 ℃；輸送距離：>2 km。二氧化碳灌注流量大，對采空區內部煤炭自燃隔絕氧氣及降溫效果明顯。操作時直接向采空區內灌注液態二氧化碳，利用其汽化過程中的壓力沿管路壓入防滅火區域。壓注量為1.0 t/h，至工作面回采結束共灌注146車，累計292 t，向采空區共灌注了186 880 m3氣態CO2。

3 滅火效果分析

向3111工作面采空區灌注液態CO2后，用采空區鋪設的束管監測系統測定了采空區在進風巷、回風巷一氧化碳和氧氣的濃度。監測結果顯示，采空區內部靠近進風巷的氧氣濃度隨束管深度的增加而減小，深度為30～66 m時O2濃度為18%～10%，屬于氧化自燃帶，超過66 m為窒息帶；回風側采空區氧化帶范圍為10～32 m，窒息帶范圍為32 m之后。未灌注液態CO2時，采空區進風側59～105 m處為氧化帶，深度超過105 m處為窒息帶；采空區回風側40～81 m為自燃帶，81 m之后為窒息帶?？梢钥闯?，灌注液態CO2以后，進風側氧化帶寬度減少了10 m，而回風側則減少了19 m，顯著縮小了自燃發火范圍。

4 結 語

液態CO2方便運輸，汽化后能夠快速沉積，隔絕底板處煤與氧氣，快速阻止煤炭自燃。本文研究了液態二氧化碳防滅火裝備工況參數，并向采空區灌注液態CO2，實際測定其防滅火效果。測試結果表明，采空區進風側氧化帶寬度與未采取任何措施時相比減少了10 m，回風側減少了19 m，氧化自燃發火范圍顯著降低。