高河礦綜放工作面CO2 防滅火技術(shù)應(yīng)用

閆紹輝

（山西潞安集團(tuán)高河能源有限公司，山西 長(zhǎng)治 046000）

由于綜放工作面開(kāi)采速度較慢，采空區(qū)遺煤較多，一次冒頂空間較大，從而導(dǎo)致采空區(qū)漏風(fēng)嚴(yán)重，使得采空區(qū)遺煤發(fā)生自燃的條件較為充足。一旦發(fā)生火災(zāi)，將對(duì)生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)造成巨大損失，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)工作人員人身安全造成巨大威脅。針對(duì)不同開(kāi)采工藝，需要有與之相匹配的防滅火措施。目前井下的防滅火技術(shù)主要有阻化劑防滅火法、均勻防滅火法、火區(qū)封閉法、灌漿防滅火法以及惰性氣體防滅火法，其中惰性氣體防滅火法主要以CO2防滅火技術(shù)為主。綜放工作面主要使用CO2滅火技術(shù)。該技術(shù)速度快，滅火能力強(qiáng)，滅火范圍廣，不會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染，不會(huì)在高溫蒸發(fā)后與煤產(chǎn)生易燃有毒氣體。

本文以高河礦W1309 綜放工作面為工程背景，對(duì)CO2防滅火技術(shù)的應(yīng)用及效果進(jìn)行研究。

1 工程概況

W1309 工作面所采為3#煤層，煤層埋深408.321～445.232 m，賦存于二疊系山西組地層中。煤厚為5.60～7.15 m，平均6.56 m，煤層厚度較為穩(wěn)定。煤層傾角為1～7°，平均5°，距9#煤層平均距離為69.6 m。煤層著火點(diǎn)為305°，自然發(fā)火期為1～3 個(gè)月，其中最短發(fā)火期為21 d，煤層自燃等級(jí)為I 級(jí)。

原煤灰分（Ad）平均16.90%，以低中灰分煤為主；原煤揮發(fā)分（Vdaf）為15.85%，為低揮發(fā)分煤；煤類(lèi)相應(yīng)由瘦煤（SM）變質(zhì)為貧瘦煤（PS）；原煤硫分（St,d）為0.24%，3#煤以有機(jī)硫?yàn)橹?。煤灰分分析：以酸性二氧化硅（SiO2）和三氧化二鋁（Al2O3）為主，根據(jù)煤灰分計(jì)算，3#煤層酸堿比為0.19，結(jié)渣指數(shù)為0.06，結(jié)污指數(shù)為0.2。

2 采空區(qū)發(fā)火原因分析及檢測(cè)

W1309 工作面煤層厚度平均為6.56 m，采煤機(jī)割煤3.2 m，剩余的3.36 m 為放煤開(kāi)采。由于放煤工藝本身存在的缺陷，導(dǎo)致放煤層的煤掉落不徹底，因此會(huì)在采空區(qū)留有大量遺煤，為煤起火提供了必要條件。W1309 工作面與W1310 采空區(qū)相鄰，巷道與W1310 采空區(qū)存在較多的巖體裂隙，導(dǎo)致采空區(qū)漏風(fēng)。進(jìn)風(fēng)巷道與相鄰工作面W1308 風(fēng)巷也存在煤柱裂隙漏風(fēng)。另外工作面巷道均采用錨網(wǎng)索強(qiáng)力支護(hù)，導(dǎo)致工作面后方巖層不易垮落，從而工作面漏風(fēng)量也隨之增大，而且結(jié)構(gòu)空隙空間大，為采空區(qū)煤自燃且充分燃燒提供了更大的有利條件。

工作面及采空區(qū)煤自燃檢測(cè)主要采用紅外線測(cè)溫、束管檢測(cè)、人工檢測(cè)的手段，其主要檢測(cè)的自燃指標(biāo)氣體有CO、C2H2、C2H4、C2H6等可燃?xì)怏w，檢測(cè)地點(diǎn)為架后、架間及行人側(cè)，具體如圖1 所示。本文以CO 濃度為主要檢測(cè)指標(biāo)，現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)中上隅角CO 的防火安全濃度為100 ppm，臨界值指標(biāo)為300 ppm，因此需要采取相關(guān)防滅火措施。

圖1 可燃?xì)怏w檢測(cè)位置示意圖

3 防滅火技術(shù)措施及效果

3.1 液態(tài)CO2 防滅火技術(shù)

W1309 綜放工作面已建立黃泥灌漿防滅火系統(tǒng)，在采空區(qū)煤層已出現(xiàn)自燃的情況下，需要繼續(xù)采取相關(guān)的防滅火措施。采用封閉式注入方式對(duì)W1309 工作面采空區(qū)進(jìn)行液態(tài)CO2注入，通過(guò)地面鉆孔與井下鋪設(shè)的管道進(jìn)行連接，將液態(tài)CO2從地面注入，途經(jīng)井下硐室及W1309 進(jìn)風(fēng)巷的穿層鉆孔向W1309 采空區(qū)注入液態(tài)CO2。如圖2 為注入CO2示意圖。

圖2 注入CO2 示意圖

3.1.1 注入液態(tài)CO2工藝

如圖3 為采空區(qū)注入液態(tài)CO2系統(tǒng)流程圖。系統(tǒng)主要由三部分組成：地面出流段、垂直保壓段、水平保壓段。具體路線為：地面液態(tài)CO2儲(chǔ)蓄槽車(chē)—地面鉆孔—井下液態(tài)CO2儲(chǔ)蓄硐室—井下液態(tài)CO2不銹鋼管路—液態(tài)CO2高壓輸入軟管—W1309 風(fēng)巷注入管路—W1309 采空區(qū)。

圖3 注入CO2 系統(tǒng)流程圖

在正式向采空區(qū)注入液態(tài)CO2前，為保證CO2始終處于液態(tài)，防止其轉(zhuǎn)為固態(tài)以致于堵塞管路，先向管路中注入少量液態(tài)CO2，同時(shí)檢查管路的完整性及流通情況，避免出現(xiàn)管路泄漏。在完成系列檢查工作后，向管路注入液態(tài)CO2，將整個(gè)管路注入壓力緩慢升至1.8 MPa 左右。整個(gè)注入期間，通過(guò)調(diào)節(jié)截止閥必須將管路壓力動(dòng)態(tài)維持在1.6～2.0 MPa 之間。在完成注入后，利用增壓裝置向管路中繼續(xù)輸入氣態(tài)CO2，目的是將剩余在管路中的液態(tài)CO2全部排出到采空區(qū)中，防止管路中殘余液態(tài)CO2。

3.1.2 液態(tài)CO2注入位置

在采空區(qū)有風(fēng)流的情況下，為使液態(tài)CO2能夠充分?jǐn)U散至整個(gè)采空區(qū)，將液態(tài)CO2注入口布置在靠近進(jìn)風(fēng)巷一側(cè)，并使其與工作面支架之間保持合理距離。其距離可由公式（1）確定。

式中：Dmin為注入孔距工作面支架最小距離，m；Wcz為采空區(qū)散熱帶寬度，m；Rc為液態(tài)CO2擴(kuò)散半徑，m；Dmax為注入孔距工作面支架最大距離，m；Wco為采空區(qū)散熱帶與氧化帶寬度之和，m。

結(jié)合W1309 工作面實(shí)際情況可知，Wcz=15 m，Rc=15 m，Wco=130 m。代入公式計(jì)算可得Dmin=30 m，Dmax=115 m。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)具體情況及工程經(jīng)驗(yàn)最終確定將液態(tài)CO2注入孔布置在W1309 進(jìn)風(fēng)巷一側(cè)距工作面50 m 處。

3.1.3 液態(tài)CO2注入強(qiáng)度

一般通過(guò)回采工作面氧氣濃度來(lái)計(jì)算液態(tài)CO2最大注入強(qiáng)度，如公式（2）所示。

式中：Q風(fēng)為工作面風(fēng)量，m3/h；C1為工作面初始氧氣濃度，取21%；C2為工作面允許氧氣濃度，18%。

W1309 工作面供風(fēng)量51 000 m3/h，代入計(jì)算可得Qmax=8500 m3/h?？紤]液態(tài)CO2密度為1.155 t/m3，實(shí)際膨脹系數(shù)為585，以及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，最終設(shè)計(jì)工作面液態(tài)CO2的注入強(qiáng)度為14 m3/h。

3.2 措施效果

在對(duì)W1309 工作面采空區(qū)注入液態(tài)CO2后，為了研究液態(tài)CO2對(duì)工作面及采空區(qū)的作用效果，在工作面兩側(cè)及中間部位（架后）各布設(shè)檢測(cè)點(diǎn)，研究CO及CO2濃度隨時(shí)間的變化情況，如圖4所示。

圖4 工作面不同部位氣體濃度變化情況

由圖可以看出，在注入液態(tài)CO2初期，工作面不同位置處CO 濃度變化幅度很大，尤其在工作面中部區(qū)域，CO 濃度最大達(dá)到110 ppm，在工作面上側(cè)CO 濃度最大達(dá)到53 ppm。由于注入液態(tài)CO2位置在工作面下側(cè)進(jìn)風(fēng)巷，所以該部位CO 濃度整體較工作面其他處偏小，CO 最大濃度為36 ppm。隨著CO2濃度的進(jìn)一步增大，工作面各處的CO 濃度快速下降，緊接著隨著時(shí)間的不斷增長(zhǎng)，CO2在采空區(qū)充分?jǐn)U散，導(dǎo)致后期工作面各位置處的CO 濃度開(kāi)始逐漸降低并趨于平穩(wěn)。其中工作面中部區(qū)域CO 濃度趨于0，工作面上側(cè)區(qū)域CO 濃度趨于10 ppm，工作面下側(cè)CO 濃度趨于18 ppm。結(jié)合工作面CO2濃度變化情況，在前期注入液態(tài)CO2后，CO2濃度開(kāi)始逐漸升高，隨著時(shí)間的增長(zhǎng)，CO2不斷在采空區(qū)內(nèi)擴(kuò)散以及與煤體進(jìn)行吸附，導(dǎo)致濃度開(kāi)始降低。分析原因認(rèn)為，CO2與煤體的吸附阻斷了氧氣與煤反應(yīng)生成CO，所以CO 濃度降低，說(shuō)明了液態(tài)CO2能夠很好地抑制煤體自燃的條件，同時(shí)液態(tài)CO2能夠降低周?chē)諝鉁囟?，使煤體自燃發(fā)生的概率進(jìn)一步減小。

為進(jìn)一步分析采空區(qū)注入液態(tài)CO2的影響效果，在工作面進(jìn)風(fēng)巷與回風(fēng)巷各布置一個(gè)測(cè)點(diǎn)，來(lái)檢測(cè)CO、CO2、O2的含量變化情況，如圖5 所示。

圖5 工作面巷道氣體濃度隨時(shí)間變化情況

由圖可以看出，在采空區(qū)注入CO2后，不同測(cè)點(diǎn)氣體濃度的差異很大。在W1309 工作面回風(fēng)巷內(nèi)，當(dāng)CO2濃度到達(dá)9%以上時(shí)，O2濃度降到3%以下，CO 濃度下降很快，最終濃度變?yōu)?，CO2起到的作用顯著；在工作面進(jìn)風(fēng)巷，當(dāng)CO2濃度達(dá)到12%以上時(shí)，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，濃度逐漸下降，同時(shí)O2濃度也逐漸降低，并最終維持在3%左右，CO 濃度也隨之降低，并最終維持在25 ppm 左右。整體分析結(jié)果表明，液態(tài)CO2的注入能夠很好地抑制遺煤的氧化，對(duì)采空區(qū)氣體起到很好的惰化作用。

4 結(jié)論

（1）對(duì)液態(tài)CO2注入工藝進(jìn)行了詳細(xì)闡述，并確定整個(gè)注入過(guò)程中的注入壓力需維持在1.6～2.0 MPa之間。

（2）通過(guò)理論計(jì)算及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況確定了液態(tài)CO2注入位置為W1309 進(jìn)風(fēng)巷一側(cè)距工作面50 m 處，注入強(qiáng)度為14 m3/h。

（3）在采空區(qū)注入液態(tài)CO2后，通過(guò)對(duì)工作面不同位置、進(jìn)風(fēng)與回風(fēng)巷不同測(cè)點(diǎn)處相關(guān)氣體檢測(cè)，得出CO2氣體能夠很好地抑制煤體的氧化，對(duì)采空區(qū)氣體起到很好的惰化作用。