温庄矿采空区二氧化碳防灭火技术的应用

2019-10-11孙全吉闫红卫

煤 2019年9期

孙全吉，闫红卫

(潞安集团温庄煤业有限公司，山西长治 046200)

山西潞安温庄煤业有限责任公司位于武乡县城东36.5 km处，井田面积9.941 1 km2，核定生产能力120万t/a，批准开采2-15号煤层。现采15号煤层，煤层平均厚度4.45 m。该矿150201综采工作面所采煤层自燃等级为Ⅰ类容易自燃，工作面瓦斯绝对涌出量为12 m3/min，工作面设计为U型通风，采用裂隙带抽采方式治理瓦斯。目前国内普遍采用的防灭火技术主要有均压防灭火、注浆与阻化剂防灭火和惰性气体防灭火技术，其中惰性气体防灭火多采用注氮防灭火。这些防灭火技术对于采空区自燃发火的防治起到了一定的积极作用，同时也存在着不足之处。本文将重点探究另一种惰性气体——二氧化碳防灭火技术。分析了二氧化碳的主要物理特性、防灭火的机理和优点，将其实际应用于150201工作面，并用图展示其效果，应用表明二氧化碳在防灭火方面具有良好效果。

1 二氧化碳的主要物理特性

二氧化碳在常温常压下是一种无色无味的气体，可溶水。在不同的压力、温度条件下会有气、固、液三种状态，且有汽化和升华的特性，能吸收大量的热；二氧化碳本身不能燃烧，也不支持一般可燃物的燃烧，所以可以用来灭火,这也是二氧化碳可以防灭火的主要特性[1]。

2 二氧化碳防灭火机理和特点

据煤氧复合作用学说可知，在煤炭自燃过程中，最终参与物首要是煤和氧，通过煤对氧气的吸附和氧化作用，会产生热量，生成的热量进一步加速了煤的氧化作用从而释放更多的热量，最终达到煤炭燃烧所需点火温度而造成煤炭自燃。因此二氧化碳防灭火机理主要如下：

1) 惰化吸附作用。二氧化碳被注到火区以后，会使火区中氧气的浓度下降，从而使煤氧复合过程的强度被减弱。煤是一种多孔有机岩石，具有吸附气体的特性。煤对各种物质的吸附能力并不相同，研究表明，煤炭吸附二氧化碳的能力最强。在井下多种气体并存的条件下，二氧化碳可以更多、更快的吸附于煤炭，包裹煤体，使氧气吸附量减少，进而对煤氧复合起到有效的阻化作用，大大削弱了煤的氧化作用。

2) 吸热降温作用。液态二氧化碳汽化时会吸收大量的热，从而会降低周围空气的温度，从很大程度上降低了煤的升温速度。并且注入高温火区的二氧化碳气体温度低，对火区具有一定的惰化和抑爆能力，从而使火熄灭。

二氧化碳防灭火除具有惰性气体防灭火的共性外，还具有以下优点[2-3]：①惰化速度快。由于二氧化碳的密度大于空气，在熄灭底部的火灾后，可以快速沉入底部而把氧气排出，分散开来，使火区内氧气浓度快速下降。②无二次危害。液态二氧化碳内不含氧气，向煤层自燃高温火区注入时，可避免带入氧气而造成不利的影响。③降温效果明显。④灌注流量大。⑤有较好的经济优势。

基于以上叙述，相比其他惰性气体，二氧化碳在防灭火实践工作会起到更好的效果。

3 二氧化碳防治采空区自燃发火应用实例

3.1 井下概况

温庄矿150201工作面推进至260 m时，工作面中部开始出现石包，石包最高时为2.5 m左右，宽度45 m，回采期间对石包进行松动爆破，回采速度由正规循环的每天5.6 m降低至0.8 m，并且采空区遗煤增多，在处理工作面支架上部高帽区时向工作面加注化学材料进行充填，同时，为了解决工作面瓦斯问题，裂隙带钻孔抽放负压由原来的20 kPa调整至30 kPa左右，造成采空区漏风增大，最终导致150201综采工作面采空区遗煤自燃。

3.2 已采取防灭火措施

1) 降低矿井主扇风量，从5 400 m3/min至4 200 m3/min，目前已降至3 300 m3/min；

2) 控制工作面风流风量，在回风侧打两道临时风门，减少工作面风量，目前工作面风量控制约500 m3/min；

3) 从工作面两端头向采空区注碱水；

4) 利用回顺煤帮钻孔或瓦斯钻孔向工作面顶部注水；

5) 根据相关上级部门安排，已安排撤出全矿井下所有人员。

由于采取相关措施后并没有有效控制火区，随后，紧急购买安装了地面液态二氧化碳气化装置，向150201综采工作面采空区注二氧化碳。

3.3 注二氧化碳的主要技术参数

1) 初始注气量的计算：

Q1=W×H×L×K1×K2=40×1.5×140×2.5×0.85=17 850 m3

式中：Q1为初始注气量，m3；W为惰化带宽度，m；H为惰化带(采、放煤)高度， m；L为惰化带长度，m；K1为采空区气体置换系数，取K1=2.5；K2为采空区松散系数，取K2=0.85。

2) 供二氧化碳压力。保持管路末端的绝对压力应不低于0.2 MPa。

3) 注二氧化碳地点及与其相连巷道的安全通风量：

式中：Q0为工作场所的安全通风量，m3/min；QN为最大CO2气体泄漏量，10 m3/min；CN为泄漏CO2气体中的CO2气浓度，97%；C1为工作面或巷道中原始氧气浓度，一般取20.8%；C2为工作场所的安全氧浓度指标，18.5%。

经计算得Q0>776.1 m3/min。

3.4 注二氧化碳防灭火管路敷设工艺和方法

根据温庄矿150201工作面条件，利用矿井原有的压风系统管路，在胶带巷道(进风巷)铺设管路，采用埋管注二氧化碳工艺。

具体注CO2管路工艺为：从地面压风机房至井下150201胶带机头使用原3寸压风管，150201胶带巷道采用专用的4寸无缝钢管铺设，利用钻机从皮顺下隅角打设2个D74 mm的注二氧化碳孔，孔深10 m。

3.5 注二氧化碳效果

因为一氧化碳是采空区自燃发火的标志性气体，所以用注入二氧化碳前后抽放管路中一氧化碳浓度变化图来探究二氧化碳的防灭火效果。

4月21日3时至13时向采空区加注20 t液态二氧化碳，15时30分一氧化碳浓度开始明显下降，1号泵站瓦斯抽放管路一氧化碳浓度由790×10-6下降至225×10-6；2号泵站瓦斯抽采管路一氧化碳浓度由910×10-6下降至110×10-6。向采空区加二氧化碳后一氧化碳下降效果见图1。

图1 第一次加注CO2期间抽采管路中CO变化曲线

22日上午10时50分至20时10分向采空区第二次注二氧化碳，加注量20 t。在加注期间，一氧化碳浓度略有增大，随后一氧化碳浓度逐渐下降，23日18时，1号泵站瓦斯抽放管路一氧化碳浓度下降至104×10-6；2号泵站瓦斯抽放管路一氧化碳浓度下降至159×10-6。向采空区加注二氧化碳后一氧化碳下降效果见图2。

图2 第二次加注CO2期间抽采管路中CO变化曲线

4月24日9时至16时和4月25日11时至18时，分别向采空区进了第三次和第四次二氧化碳加注，两次共加43.8 t。从4月18日至4月25日，工作面累计推进14.8 m，通过四次加注后，截止25日23时，1号泵站抽放管路一氧化碳浓度下降至41×10-6；2号泵站抽放管路一氧化碳浓度下降至87×10-6。一氧化碳下降效果见图3。

4月26日14时至20时向综采空区进了第五次加注二氧化碳，加注液体二氧化碳17 t。从4月18日至4月26日，工作面累计推进17.2m，通过五次加注后，截止27日8时，1号泵站瓦斯抽放管路一氧化碳浓度下降至10×10-6；2号泵站瓦斯抽放管路一氧化碳浓度下降至34×10-6。一氧化碳下降效果见图4。