采空區(qū)液態(tài)二氧化碳惰化降溫防滅火技術(shù)研究

宋宜猛

（國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局信息研究院，北京市朝陽區(qū)，100029）

目前，二氧化碳特別是液態(tài)二氧化碳防滅火技術(shù)在煤礦火災(zāi)防治中得到廣泛應(yīng)用。液態(tài)二氧化碳防滅火技術(shù)除了具有安全性高、惰化率高、抑爆性能好、速度快、成本低等特點(diǎn)，還具有減少碳排放的重要環(huán)保意義。前人在采用二氧化碳防滅火方面開展了大量研究工作并取得了一定的成果，但總體而言，缺乏比較完整的對比研究和總結(jié)分析，特別是液態(tài)二氧化碳防滅火分類注入量鮮有涉及。本文在總結(jié)分析液態(tài)二氧化碳防滅火機(jī)理及對比氮?dú)夥罍缁鸺夹g(shù)基礎(chǔ)上，推導(dǎo)了液態(tài)二氧化碳注入量計算公式，研究確定了液態(tài)二氧化碳的注入工藝和注入位置等參數(shù)，結(jié)合在山西潞安集團(tuán)溫莊煤業(yè)150201工作面采空區(qū)滅火的工程應(yīng)用，總結(jié)了相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，以使該技術(shù)在今后煤礦火區(qū)治理中更好地發(fā)揮作用。

1 液態(tài)二氧化碳防滅火機(jī)理

液態(tài)二氧化碳作為煤礦防滅火新材料，其滅火性能主要表現(xiàn)為降溫和惰化兩個方面。一方面，液態(tài)二氧化碳在膨脹氣化過程中需要吸收大量的氣化熱，液態(tài)二氧化碳?xì)饣療釣?78 kJ／kg（－78.5℃）。在相對封閉的空間內(nèi)，所需的氣化熱從火區(qū)周圍環(huán)境中獲得，從而降低了火區(qū)的溫度，減緩了煤氧反應(yīng)速度；另一方面，大量的液態(tài)二氧化碳?xì)饣溆M(jìn)火區(qū)空間后，氧濃度被急劇稀釋的同時又增加了火區(qū)的氣體靜壓，從而降低了采空區(qū)的漏風(fēng)量，致使供氧進(jìn)一步減少，同時二氧化碳?xì)怏w進(jìn)入火區(qū)后，與煤接觸產(chǎn)生吸附現(xiàn)象，煤是吸附劑，二氧化碳是吸附質(zhì)，從而減少了煤對氧的吸附。據(jù)試驗(yàn)表明，煤優(yōu)先吸附二氧化碳?xì)怏w，使得煤被二氧化碳?xì)怏w所包裹，從而阻斷了煤氧復(fù)合理論所主張的自燃的前半個進(jìn)程（煤氧結(jié)合過程），使得鏈?zhǔn)椒磻?yīng)失去活性，反應(yīng)得以終止，這便是二氧化碳?xì)怏w的惰化作用。

2 液態(tài)二氧化碳與液氮防滅火性能對比

雖然液態(tài)二氧化碳和液氮都可作為惰性氣體用于防治煤自燃，但液態(tài)二氧化碳比液氮更具有獨(dú)特的優(yōu)勢。二者防滅火性能參數(shù)對比見表1。在純度方面，目前無論采用膜分離還是吸附分離技術(shù)制作氮?dú)猓疾豢赡馨蜒鯕馊糠蛛x出去（現(xiàn)有制氮機(jī)制作后的氮?dú)鉂舛燃s為97%左右，因氧氣的液化沸點(diǎn)為－182.96℃，氮?dú)獾囊夯悬c(diǎn)為－196℃，因此在液化過程中部分氧氣被保留在了液氮中）。而化工廠制取液態(tài)二氧化碳時，因二氧化碳液化沸點(diǎn)為－56.6℃，較氧氣的液化沸點(diǎn)相差較大，因此在液化過程中不會被摻入氧氣成分，從而純度更高，接近100%；在吸附量方面，在相同溫度和壓力條件下，煤對二氧化碳?xì)怏w和氮?dú)獾奈侥芰Ψ謩e48 L／kg和8 L／kg，即煤對二氧化碳的吸附能力是其吸附氮?dú)饽芰Φ?倍；在抑爆方面，氮?dú)鈱?yīng)失爆點(diǎn)的抑爆臨界氧濃度為11.5%，二氧化碳?xì)怏w對應(yīng)失爆點(diǎn)的抑爆臨界氧濃度為14.6%，即在同等條件下，二氧化碳?xì)怏w可比氮?dú)庖直秶鼘挕⒏邕_(dá)到抑爆效果；采空區(qū)火源點(diǎn)多發(fā)于遺煤中，即一般位于采空區(qū)一側(cè)的中、下部。氮?dú)獾拿芏刃∮诳諝饷芏?，二氧化碳?xì)怏w密度大于空氣密度，因此，采空區(qū)的火源點(diǎn)更容易被二氧化碳惰化帶覆蓋，且覆蓋率較廣。所以，液態(tài)二氧化碳的防滅火性能要優(yōu)于液氮防滅火性能，并且更具有環(huán)保意義。

表1 二氧化碳和氮?dú)獾姆罍缁鹦阅軈?shù)對比

3 液態(tài)二氧化碳注入工藝、注入量計算及注入位置

液態(tài)二氧化碳防滅火關(guān)鍵技術(shù)主要包括注入工藝選取、注入位置選擇以及注入量的確定，因此有必要重點(diǎn)從這三個方面研究確定液態(tài)二氧化碳防滅火參數(shù)。

3.1 液態(tài)二氧化碳注入工藝

用于防滅火的液態(tài)二氧化碳一般來源于化工廠回收的副產(chǎn)品。在需要時，可通過特制的運(yùn)送槽車將液態(tài)二氧化碳運(yùn)至井口，再由煤礦根據(jù)礦井及火區(qū)條件，以適當(dāng)?shù)姆绞剿偷交饏^(qū)防滅火。其方式主要有以下幾種：

（1）鉆孔式：從地表直接向火區(qū)或火災(zāi)隱患區(qū)打鉆孔，通過套管注入液態(tài)二氧化碳，這種方式適用于火區(qū)或火災(zāi)隱患區(qū)接近地表的情況。

（2）埋管式：一般是利用礦車型槽車將液態(tài)二氧化碳運(yùn)至井下火區(qū)附近，然后沿工作面的進(jìn)風(fēng)側(cè)采空區(qū)埋設(shè)一趟管路，隨著工作面推進(jìn)，當(dāng)出口達(dá)到一定深度后開始注液態(tài)二氧化碳，同時又埋入第二趟管路，如此交替進(jìn)行。

（3）拖管式：同埋管式不同的是液態(tài)二氧化碳注入管隨著工作面的推進(jìn)而移動，管路依靠液壓支架等做牽引使其埋入固定深度。

（4）旁路式：當(dāng)工作面有雙進(jìn)風(fēng)巷時，可通過與工作面平行的巷道，在其內(nèi)通過鉆孔將氮?dú)庾⑷氚l(fā)火采空區(qū)。

3.2 氧化帶防滅火二氧化碳注入量計算

在開采易自燃煤層時，惰化采空區(qū)氧化帶防止自燃是日常工作之一。借鑒《煤礦用氮?dú)夥罍缁鸺夹g(shù)規(guī)范》（MT／T701－1997）中氮?dú)庾⑷肓康挠嬎愎剑傻贸龈鶕?jù)控制火區(qū)的氧濃度計算需要注入液態(tài)二氧化碳量的公式，即

式中：QC——氧化帶惰化防火二氧化碳注入量，m3／h；

Q0——進(jìn)入氧化帶的漏風(fēng)量，m3／min；

K——二氧化碳防火用量的備用系數(shù)，取1.2～1.5；

K0——采空區(qū)漏風(fēng)流經(jīng)散熱帶的氧濃度遞減系數(shù)，取0.5～0.9，平均為0.7；

C0——工作面空氣氧濃度，取20%；

C2——氧化帶惰化防火臨界氧濃度，取10%。

3.3 火區(qū)滅火二氧化碳注入量計算

在治理封閉空間火區(qū)時，由于封閉的空間體積一般比較大，且氧含量高，所以滅火初始注入二氧化碳的量要相對較大。此時還要考慮被封閉的空間體積的大小，火區(qū)封閉的空間體積用式（2）計算：

式中：V——封閉火區(qū)的總體積，m3；

V1——工作面封閉體積，m3；

V2——巷道封閉體積，m3；

V3——采空區(qū)封閉空間體積，m3；

L1——采空區(qū)走向長度，m；

L2——采空區(qū)傾向長度，m；

h——煤層厚度，m；

λ——頂板巖石冒落碎脹系數(shù)，取1.1～1.3。

由封閉空間氧氣濃度關(guān)系可推導(dǎo)出治理封閉空間火區(qū)二氧化碳用量關(guān)系式：

式中：QC——火區(qū)滅火初始注入二氧化碳量，m3／h；

t——注入二氧化碳的時間，h；

K——二氧化碳注入量的備用系數(shù)，取1.2～1.5；

V——封閉火區(qū)空間總體積，m3；

C1——注二氧化碳前火區(qū)內(nèi)平均氧濃度，取10%～18%，平均為14%；

C2——火區(qū)內(nèi)滅火臨界氧濃度，取5%；

Q0——火區(qū)漏風(fēng)量，m3／min；

C0——火區(qū)周邊巷道空氣中的氧濃度，取20%；

CC——注入二氧化碳的純度，%。若注入是液態(tài)二氧化碳，其中沒有氧氣成分，二氧化碳的純度CC≈100%，因此式（3）可簡記為：

3.4 火區(qū)滅火后防復(fù)燃日常二氧化碳注入量計算

通過對火區(qū)注入二氧化碳，以最快速度惰化火區(qū)，并將火區(qū)平均氧濃度降低到滅火臨界氧濃度5%，滅火工作即可獲得成功。在滅火后，為防止火區(qū)復(fù)燃，需要持續(xù)不斷的注入二氧化碳，以維持火區(qū)平均氧濃度在5%以下。此時，二氧化碳注入量無需按照滅火時的高強(qiáng)度注入量，改為日常注入量即可。

當(dāng)火區(qū)內(nèi)平均氧濃度降至5%后，式（4）中V（C1－C2）＝0，式（4）簡化為計算火區(qū)防復(fù)燃日常注二氧化碳量：

3.5 液態(tài)二氧化碳注入位置

在工作面回采期間，為防止采空區(qū)自然發(fā)火，需持續(xù)不斷地注入一定量的液態(tài)二氧化碳，液態(tài)二氧化碳的注入口（末端）一般布置在氧化帶內(nèi)，并且盡量高位布置管路。注入口至工作面距離（埋入深度）可根據(jù)式（6）確定。

式中：Dmin——注入口距工作面的最小距離，m；

WCZ——采空區(qū)冷卻帶的寬度，m；

RC——液態(tài)二氧化碳擴(kuò)散半徑，m；

Dmax——注入口距工作面的最大距離，m；

WCO——采空區(qū)冷卻帶和氧化帶寬度之和，m。

4 工程應(yīng)用

山西潞安集團(tuán)溫莊煤業(yè)150201工作面煤層為極易自燃煤層，自然發(fā)火期為40 d，采用傾斜長壁綜放采煤方法開采，煤層平均厚度為5 m，采高2.4 m，放頂高2.6 m，工作面長度為120 m，最大控頂距5 m，上、下巷道為梯形斷面，上寬2.2 m，下寬3.2 m，高2.2 m。2013年4月10日，該工作面自開切眼推進(jìn)僅約100 m時，由于防火措施不當(dāng)，上隅角出現(xiàn)CO，濃度達(dá)1.72%，并不斷上升，同時檢測出C2H4氣體，經(jīng)判斷是回風(fēng)側(cè)采空區(qū)外幫的遺煤發(fā)生自燃。在注水、注氮未能遏制CO的上升趨勢后，被迫封閉工作面，封閉位置位于上、下巷道距工作面外200 m處。封閉后，CO濃度很快達(dá)到41.8%。

經(jīng)滅火指揮部初步判斷，火源點(diǎn)位于采空區(qū)內(nèi)中下部位置，決定采用液態(tài)二氧化碳進(jìn)行滅火。由式（2）計算得出封閉火區(qū)總空間約為54000 m3。由于封閉空間大，惰化滅火的臨界氧濃度較低（5%），因此滅火所需的二氧化碳體積也比較大，綜合考慮，二氧化碳初始注入強(qiáng)度以該礦最大供給能力2000 m3／h進(jìn)行連續(xù)不斷注入封閉區(qū)域。經(jīng)實(shí)測該礦火區(qū)漏風(fēng)量為2 m3／h，注入的二氧化碳濃度接近100%，惰化滅火臨界氧濃度取5%，根據(jù)式（4）計算需要連續(xù)注入約85 h，取4 d時間。在現(xiàn)場操作時，將二氧化碳槽車運(yùn)至井下后，通過上、下巷道密閉預(yù)留孔，雙管路連續(xù)向封閉空間注入液態(tài)二氧化碳，如圖1所示。4 d后，共注入液態(tài)二氧化碳約360 t，采樣分析發(fā)現(xiàn)，CO濃度從41.8%降至0.0009%，O2濃度從 19.8%降至到3.87%，二氧化碳濃度從7.56%上升到84.63%，經(jīng)判斷，火區(qū)得到控制。

圖1 150201工作面封閉后注液態(tài)二氧化碳示意圖

5 結(jié)論

（1）液態(tài)二氧化碳防滅火性能比液氮效果要好，在今后的防滅火工作中可以推廣使用。

（2）通過對150201工作面的火區(qū)治理，驗(yàn)證了二氧化碳注入量計算公式的正確性及二氧化碳實(shí)際滅火的效果。

（3）在實(shí)施液態(tài)二氧化碳滅火時還需注意滅火設(shè)備的操作規(guī)程、安全保障等問題，防止發(fā)生次生災(zāi)害。

（4）在火區(qū)安全啟封后，視具體情況可考慮再注一定時間的二氧化碳以確保火區(qū)不復(fù)燃。

綜上，液態(tài)二氧化碳技術(shù)防滅火具有投資少、見效快等特點(diǎn)，是當(dāng)前礦井防滅火的首選方案之一。

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