夏海斌，昝军才，林建成，李 可

(陕西彬长小庄矿业有限公司，陕西 彬州 713500)

0 引言

随着煤炭企业兼并重组的实施，我国煤矿数量已从2015年的1.08万处减少到2017年的7 000处左右，煤炭产量为35.23亿t，占世界总产量的45.6%。但是，煤层自燃火灾是矿井主要灾害之一，据统计，全国国有重点煤矿中约56%的矿井有自然发火危险，煤矿的自燃火灾次数占矿井总火灾的90%以上。煤自燃不仅烧毁大量煤炭资源、危及矿井安全生产，造成巨大的经济损失，同时造成严重的环境及社会影响[1-4]。以陕西彬长小庄矿业有限公司40203综放工作面采空区出现自然发火隐患为研究对象，实施了液态CO2防灭火技术的现场应用，以期保证工作面的安全回采，为矿井防灭火提供宝贵经验。

1 工作面概况

陕西彬长小庄矿业有限公司40203综放工作面主采4#煤层，可采走向长度1 510.25 m，倾向长度200.5 m。工作面区域内煤层赋存较为稳定，平均煤厚15 m，煤层北厚南薄，埋藏深度499～726 m，底板标高+390～+410 m，采用全部垮落法管理顶板。工作面采用三巷布置，分别为胶带输送机顺槽、回风顺槽、高位瓦斯抽放巷，采用“U”型通风系统，工作面配风量1 500 m3/min。

40203工作面煤层自燃倾向性为Ⅰ类，属易自燃煤层，最短自然发火期为22 d，采用以黄泥灌浆、注氮气为主，汽雾阻化、注三相泡沫、上下隅角封堵以及束管监测等相结合的综合防灭火措施。瓦斯治理主要采用“抽采为主、风排为辅”的方法。瓦斯抽采主要采用本煤层采前预抽钻孔、上隅角插管及高抽巷进行抽采。

2 自然发火原因分析

2017年8月18日零点班，工作面112#、113#支架后采空区出水温度36 ℃，现场检测工作面气体浓度情况见表1。从表1可见，推采缓慢期间与正常推采期间相比，采空区30 m处CO浓度明显升高，上隅角出水温度升高约10 ℃。通过以上迹象表明，该工作面虽未见烟雾或明火，但采空区至少存在高温区域，必须采取有效的防灭火措施遏制采空区遗煤进一步氧化升温，消除自然发火隐患。

表1 工作面监测气体浓度

分析煤自燃指标气体及采空区出水温度，结合工作面生产实际，导致工作面自然发火隐患的主要原因有两方面。一是，2017年7月1日至8月17日，该工作面开采中应因地质条件、设备故障等因素影响，工作面推进较慢，日平均推进速度约1.6 m/d小于极限推进速度4.09 m/d，存在自然发火的可能性；二是，顶煤回收率偏低，采空区遗煤较多，进一步加剧了采空区遗煤氧化和蓄热升温。

3 应用实践

3.1 液态CO2防灭火的机理

惰化降氧：液态CO2充注到采空区并汽化后，使得采空区氧浓度下降，削弱了煤氧复合作用，使采空区因缺氧而窒息。实验表明煤对CO2的吸附量为48 L/kg，而对N2的吸附量仅为8 L/kg[5]。同时，注入CO2在一定程度上可抑制CO等氧化产物的产生，抑制采空区遗煤氧化自燃。此外，液态CO2内没有氧气，向采空区灌注时，可完全避免带入氧气而造成的不利影响，且CO2比空气密度大，泄漏流失量小，可快速沉入底部而挤出氧气，并在采空区内扩散充满其空间，使采空区内氧气浓度急速下降[6-8]。

吸热降温：CO2可吸热降温，当温度急剧下降到-78.5 ℃时，液态CO2的汽化潜热为5.778×105J/kg。注入采空区的液态CO2由于自身汽化吸热，体积急剧膨胀，吸收大量的热，从而迅速降低采空区温度，达到降温防灭火效果[9-11]。

3.2 现场实施

灌注液态CO2钻孔设计：在40204运顺570 m处(滞后40203切眼30 m)向40203采空区依次施工3个钻孔，用于灌注液态CO2，终孔位置位于煤层顶板上5 m、距离高抽巷5 m处。钻孔设计参数见表2，钻孔布置图如图1所示。

表2 灌注液态CO2钻孔设计参数

液态CO2灌注装备：液态CO2直接灌注系统主要由地面液态CO2槽车、矿用移动式液态CO2防灭火装置和输送管路等构成。矿用移动式液态CO2防灭火装置出口压力为0.8～2.0 MPa；出口流量为0.5～4.0 t/h；出口温度为-30～-20 ℃，技术参数见表3。

a-平面图；b-剖面图图1 灌注钻孔布置示意图

表3 矿用移动式液态CO2防灭火装置技术参数

灌注流程：用车辆将CPW-2.0矿用移动式液态CO2防灭火装置运至地面液态CO2灌注站，将液态CO2灌注到CPW-2.0矿用移动式液态CO2防灭火装置，然后由专用的液态CO2槽车运送至井口，换装后下井运送至40204运顺压注地点处100 m范围内，连接高压胶管经钻孔注入40203采空区，工艺流程如图2所示。

图2 40203采空区灌注液态CO2工艺图

实施过程：使用ZDY3500LP型煤矿用履带液压钻机在40204运顺570 m处按照灌注液态CO2钻孔设计参数，完成3个灌注钻孔的施工。钻孔实际施工情况见表4。从表4中3个灌注钻孔施工过程中的见岩及返水情况可以看出，3个钻孔被成功的施工到设计层位，进入采空区顶板冒落的裂隙空间，为液态CO2汽化扩散创造了有利条件。

表4 钻孔实际施工情况表

钻孔施工完成后，8月20日零点班液态CO2槽车到矿，随即依次对1#、2#CPW-2.0型矿用移动式液态CO2防灭火装置进行充装，充装完毕后立即入井，运送至40204运顺灌注地点，使用φ25 mm高压胶管连接钻杆与CPW-2.0型矿用移动式液态CO2防灭火装置，开启阀门进行灌注。

8月20日0：40～8：00，向40203采空区共灌注4储气罐，累计灌注8.1 T，液态CO2膨胀比例约为1∶640，CO2灌注量按公式(1)计算[12]。

(1)

式中：Q—火区灭火CO2注入强度，m3/h；T—预计注入CO2的时间，h；α—富裕系数，取1.2～1.5；V—封闭火区空间总体积，m3；Q0—火区漏风量，m3/h；τ1—注CO2前火区内平均氧浓度，取10%～18%；τ0—火区周边巷道空气中的氧浓度，取20%；τ2—火区内灭火临界氧浓度，取3%～5%。经计算共计充注CO2气体5 184 m3，具体灌注情况见表5。

表5 地面充灌及井下灌注液态CO2情况统计表

3.3 防灭火效果分析

防灭火效果：灌注期间每2 h检测1次采空区出水温度、袋子墙内CO气体浓度及上隅角采空区19 m处的CO浓度。灌注后继续每2 h检测1次出水温度和CO浓度，并取每班检测数据最大值。所得采空区出水温度变化如图4所示，袋子墙内CO浓度变化见表6，上隅角采空区19 m处CO浓度变化见表7。

表6 地面充灌及井下灌注液态CO2情况统计表 %

效果分析：由图4、表6和表7可见，40203采空区出水温度由灌注前36 ℃降至26.5 ℃，上隅角袋子墙内CO浓度由灌注前0.006 7%降至0.005 1%，上隅角采空区19 m处CO浓度由灌注前0.007 2%降至0.005 3%。40203工作面上隅角出水温度及CO浓度均显著下降，且维持稳定，充分证明向40203采空区灌注液态CO2，成功的利用液态CO2汽化吸热、惰性降氧的特点，有效实现采空区降温、隔绝氧气的目的，达到了预期防灭火效果，成功遏制了采空区遗煤进一步氧化升温，消除了采空区自然发火隐患。

表7 灌注前后上隅角采空区19 m处各类气体浓度 %

4 结语

由于日平均推进速度小于极限推进速度，40203采空区开始出现自然发火隐患。通过分析40203采空区工作面自然发火原因、液态CO2防灭火机理及施工工艺，利用液态CO2具有惰化降氧、吸热降温等特点，提出向该采空区施工钻孔灌注液态CO2的方案。灌注液态CO2后，采空区出水温度由灌注前的36 ℃降至26.5 ℃，上隅角袋子墙内CO浓度由灌注前的0.006 7%降至0.005 1%，上隅角采空区19 m处CO浓度由灌注前的0.007 2%降至0.005 3%，迅速遏制了采空区遗煤进一步氧化升温，消除了采空区自然发火隐患。液态CO2防灭火技术在小庄煤矿的应用实践，增加了矿井防灭火措施，积累了宝贵的实践经验，也再次证明这种操作简单、针对性强、见效迅速的防灭火技术适用于自燃、易自燃煤层采空区自燃火灾的防治。