地面鉆孔灌注液態(tài)CO2 技術(shù)在采空區(qū)防滅火中的應(yīng)用

呂英華

（國家能源集團(tuán) 神東煤炭集團(tuán)，陜西 神木719315）

煤炭自燃火災(zāi)是我國礦井主要災(zāi)害之一，受自燃火災(zāi)威脅的礦井約占礦井總數(shù)的70%左右，煤礦火災(zāi)事故不但會(huì)產(chǎn)生大量有毒有害氣體，嚴(yán)重威脅井下作業(yè)人員的生命安全，因火災(zāi)引發(fā)的煤塵、瓦斯爆炸等次生災(zāi)害更為嚴(yán)重。國家能源投資集團(tuán)西部礦井隨著各礦井生產(chǎn)水平的不斷延伸，部分礦區(qū)逐漸形成了煤田火區(qū)、小窯火區(qū)、多層采空區(qū)、隱蔽高溫區(qū)域等多類型火災(zāi)形式共存的復(fù)雜生產(chǎn)條件，導(dǎo)致火災(zāi)治理難度、治理成本顯著增大，對(duì)礦井生產(chǎn)安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅。近幾年我國的礦井防滅火技術(shù)取得了顯著進(jìn)步，通過深入研究煤自然發(fā)火機(jī)理，在礦井火災(zāi)預(yù)測(cè)及治理方面開發(fā)了新的產(chǎn)品及技術(shù)，成功治理了多起煤自然發(fā)火事故。目前礦井應(yīng)用最廣泛的防滅火技術(shù)有注漿、注氮?dú)?、注凝膠、三相泡沫等常規(guī)性措施，由于國家能源集團(tuán)西部礦區(qū)煤層埋藏淺、近水平開采，采空區(qū)注漿輸漿倍線過大，受到漿液流動(dòng)性制約，并不能有效覆蓋采空區(qū)高位遺煤；并且采空區(qū)開放式注氮?dú)?，煤層埋藏淺，井上下漏風(fēng)嚴(yán)重，氮?dú)鉁舨煽諈^(qū)時(shí)間短，注氮后的效果并不十分明顯[1]；工作面回采過后，受采動(dòng)影響與鄰近采空區(qū)相互溝通，采空區(qū)范圍較大，注凝膠及三相泡沫所需量較多、成本高。

國家能源投資集團(tuán)西部某礦所采9#煤為典型的淺埋深近水平近距離易自燃煤層，且上覆存在7#、8#煤層老采空區(qū)，由于9#煤距離地表最近處約75 m 左右，煤層上覆為砂巖等軟質(zhì)巖層，9#煤層開采后上覆采空區(qū)遺留的遺煤受重復(fù)采動(dòng)影響，與上覆采空區(qū)及地表形成大量發(fā)育裂隙，受礦井通風(fēng)負(fù)壓影響，本層采空區(qū)、上覆采空區(qū)及地表漏風(fēng)嚴(yán)重，采空區(qū)遺煤長期處于漏風(fēng)供氧情況下極易發(fā)生氧化自燃[2]，因此針對(duì)9#淺埋深、近距離、近水平煤層回采后可能導(dǎo)致本層及上覆采空區(qū)大面積遺煤氧化自燃問題，首先應(yīng)針對(duì)本煤層采空區(qū)尋求一種成本低廉、技術(shù)可行、簡單可靠、可操作性強(qiáng)的采空區(qū)重點(diǎn)區(qū)域治理方案，為工作面生產(chǎn)消除安全隱患。

1 CO2 防滅火原理

CO2滅火技術(shù)已經(jīng)非常成熟，由于其滅火速度快、作用范圍大、應(yīng)用范圍廣且無害，因而成為處理各種火災(zāi)的一大重要手段。CO2注入著火區(qū)后可快速降低環(huán)境中的氧氣含量，使著火區(qū)因缺氧而窒息。CO2性質(zhì)非常的穩(wěn)定，其在不同的壓力以及溫度下有固、液、氣3 種形態(tài)存在。

采空區(qū)直注液態(tài)CO2相比于常規(guī)性治理措施而言具有優(yōu)越的防滅火特性，主要表現(xiàn)在降溫、惰化、安全、經(jīng)濟(jì)等幾個(gè)方面。液態(tài)CO2直注后會(huì)瞬時(shí)氣化吸熱、膨脹擴(kuò)散（在15 ℃，0.1 MPa 條件下1 t 液態(tài)CO2可氣化約640 m3），不僅會(huì)快速降低煤體溫度，還會(huì)極速惰化整個(gè)采空區(qū)抑制煤氧復(fù)合反應(yīng)，從而起到滅火作用[3-4]。同時(shí)由于液態(tài)CO2價(jià)格相比較液氮更便宜、便于輸送，故可通過特種輸送設(shè)備槽車大量采購并運(yùn)輸至需要實(shí)施灌注滅火的地點(diǎn)進(jìn)行滅火或者運(yùn)用專用研發(fā)裝置進(jìn)行滅火[5]，利用液態(tài)CO2注入火區(qū)后快速氣化，CO2密度大于空氣的密度，在熄滅底部的火災(zāi)時(shí)，可快速沉入底部而擠出氧氣，降低火區(qū)的氧濃度，既能撲滅大的明火火災(zāi)，又能抑制并撲滅隱蔽火源，滅火效果較好。降低氧氣含量，使火區(qū)缺氧而窒息和降溫，在應(yīng)用于煤層自燃火災(zāi)防治取得較好的效果。

2 工作面概況

010905工作面是該礦一盤區(qū)第5 個(gè)綜采工作面，工作面走向長度約1 000 m，煤層設(shè)計(jì)采高為2 m。工作面距上覆8#采空區(qū)最近約45 m，距上覆7#采空區(qū)最近約70 m。8#煤層開采時(shí)礦方對(duì)上覆7#煤層采空區(qū)進(jìn)行地表探測(cè)，地表鉆探結(jié)果表明010905 工作面上覆7#采空區(qū)存在局部高溫區(qū)域，經(jīng)測(cè)溫得知鉆孔孔底溫度最高超過200 ℃，且高溫區(qū)域各鉆孔孔口呈出氣狀態(tài)，便攜儀測(cè)得CO 體積分?jǐn)?shù)最高在1 000×10-6，010905 工作面上覆7#煤層采空區(qū)局部高溫區(qū)域遺煤處于氧化自燃階段，上覆8#采空區(qū)經(jīng)鉆孔探測(cè)暫無溫度異常，隨后對(duì)7#煤層采空區(qū)進(jìn)行注液氮滅火治理后開始對(duì)9#煤層工作面進(jìn)行開采，為預(yù)防010905 工作面采空區(qū)氧化帶區(qū)域自然發(fā)火問題，經(jīng)經(jīng)濟(jì)性、效果性對(duì)比后實(shí)施地面鉆孔灌注液態(tài)CO2防滅火預(yù)防性處理。010905 工作面與上覆采空區(qū)位置關(guān)系圖如圖1。

圖1 010905 工作面與上覆采空區(qū)位置關(guān)系圖Fig.1 Location relationship between 010905 working face and overlying goaf

由于注液氮成本高、擴(kuò)散半徑不理想，故010905 工作面正常回采后在氧化帶區(qū)域沿著傾向布置1 個(gè)靠近聯(lián)巷密閉監(jiān)測(cè)點(diǎn)的地表鉆孔，鉆孔施工全程下套管并施工至9#煤層采空區(qū)氧化帶區(qū)域，套管為耐低溫耐高溫不銹鋼管，對(duì)氧化帶區(qū)域進(jìn)行灌注液態(tài)CO2防滅火治理。鉆孔形成后孔深約90 m，通過對(duì)孔口取氣及井下聯(lián)巷束管監(jiān)測(cè)系統(tǒng)分析：采空區(qū)CO 體積分?jǐn)?shù)約15×10-6、氧氣體積分?jǐn)?shù)約19%、溫度約15 ℃。010905 工作面上覆地表鉆孔位置關(guān)系圖如圖2。

3 采空區(qū)鉆孔灌注液態(tài)CO2 治理方案

圖2 010905 工作面上覆地表鉆孔位置關(guān)系圖Fig.2 Location relationship of surface drilling on working face 010905

010905工作面由于正常生產(chǎn)接續(xù)需要，需要對(duì)采空區(qū)處于“氧化帶”區(qū)域采取防滅火預(yù)防性治理措施，經(jīng)過對(duì)常規(guī)性注漿注氮效果分析討論后認(rèn)為其對(duì)采空區(qū)實(shí)際情況不能起到大范圍、針對(duì)性治理效果，且液態(tài)CO2具有無毒無害、溫度低、便于罐體儲(chǔ)存、方便槽車運(yùn)輸、經(jīng)濟(jì)性合理、汽化吸熱降溫作用明顯、快速惰化充填有限空間等優(yōu)點(diǎn)，經(jīng)研究后決定對(duì)010905 工作面采空區(qū)“氧化帶”區(qū)域采取井上鉆孔始端直注井下聯(lián)巷措施孔終端監(jiān)測(cè)的綜合性灌注液態(tài)CO2快速治理方案[6-11]。根據(jù)010905 工作面“三帶”測(cè)定報(bào)告[6]，位于工作面后方采空區(qū)80 m 范圍進(jìn)入氧化帶區(qū)間，氧化帶區(qū)域面積約為6 000 m2。故本次液態(tài)CO2井下終端觀測(cè)位置選定為相應(yīng)的4個(gè)聯(lián)巷進(jìn)行效果觀測(cè)（兩聯(lián)巷間距約50 m）。為了確保該方案安全、順利實(shí)施，灌注期間該礦井加強(qiáng)了對(duì)聯(lián)巷和工作面回風(fēng)巷道內(nèi)的人員管理，避免由于意外泄露引起窒息事故。

3.1 技術(shù)參數(shù)

由于CO2是一種臨界溫度約31.2 ℃、臨界壓力約7.38 MPa 的無毒無害、酸性氣體，其只能在加壓條件下成為液態(tài)，所以采用井上直注時(shí)必須控制好管道內(nèi)壓力，防止因失壓后變成固態(tài)CO2導(dǎo)致無法順利直注。根據(jù)現(xiàn)場經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)管道內(nèi)壓力維持在1.2 MPa 以上時(shí)，可保證管道不會(huì)因壓力不足導(dǎo)致固態(tài)CO2封堵管道，由于垂直輸送距離短，因此要求井上始端管路無漏氣、壓力表無損壞、槽車始端加壓2.0 MPa 后輸送液態(tài)CO2即可滿足輸送壓力要求（考慮短距離輸送壓力損失），同時(shí)直注前應(yīng)當(dāng)進(jìn)行1 次全管道氮?dú)獯驂涸囼?yàn)，使保證管路承壓壓力在2.0 MPa 以上，符合壓力要求。

3.2 工作面采空區(qū)“氧化帶”區(qū)域灌注量計(jì)算

為了使010905 工作面采空區(qū)處于“氧化帶”范圍的區(qū)域得到有效控制、且對(duì)工作面正常推進(jìn)不造成影響，預(yù)計(jì)將采空區(qū)位于“氧化帶”范圍內(nèi)的多孔介質(zhì)空間內(nèi)充滿惰性氣體，考慮回采后采空區(qū)頂板實(shí)際下沉量，暫不考慮氣體損失等其它因素[7]。經(jīng)過理論計(jì)算得到該礦010905 工作面地表直注區(qū)域的“氧化帶”面積約6 000 m2。由于1 t 液態(tài)CO2在常溫狀態(tài)下可轉(zhuǎn)換成氣體為640 m3。010905 工作面煤層為綜采工作面開采，采高為2 m 則液態(tài)氮量T為：

式中：T 為注液態(tài)CO2總量；A 為考慮頂板下沉后的折算系數(shù)，取0.7；S 為直注區(qū)域面積；H 為采高。

經(jīng)理論計(jì)算后T=65.1 t，即得出“氧化帶”范圍灌注區(qū)域總共需要約65 t 液態(tài)CO2，需全部通過地面鉆孔進(jìn)行灌注。

3.3 工作面采空區(qū)氧化帶區(qū)域注液態(tài)CO2 及觀測(cè)

目前國內(nèi)CO2防滅火技術(shù)主要采取2 種灌注方式：一種是在地面將液態(tài)CO2經(jīng)氣化灌注方式，另一種是在井下將液態(tài)CO2直接灌注方式。氣化灌注方式很好地解決了液態(tài)CO2長距離管路輸送凝結(jié)堵塞問題，但氣化后液態(tài)CO2的降溫防滅火作用被極大削弱。因此采用液態(tài)CO2防滅火，充分利用其降溫特性是防滅火技術(shù)研究的重點(diǎn)方向。

本次通過地表鉆孔注入約65 t 液態(tài)CO2均由2輛工業(yè)用槽車運(yùn)輸至灌注地點(diǎn)，沿著010905 采空區(qū)氧化帶區(qū)域上部地表鉆孔進(jìn)行灌注。釋放前工業(yè)用槽車釋放裝置與地表鉆孔孔口管道對(duì)接完成，釋放過程當(dāng)槽車壓力表壓力達(dá)到2.0 MPa 時(shí)擰開閥門，全程觀察鉆孔旁管路壓力表讀數(shù)，防止因管路泄露造成壓力不足造成管路結(jié)干冰，直注無法繼續(xù)進(jìn)行。

當(dāng)?shù)乇砉嘧⒁簯B(tài)CO2工作完成后，礦方安排專人對(duì)010905 工作面采空區(qū)氧化帶區(qū)域聯(lián)巷觀測(cè)孔內(nèi)埋設(shè)的束管及溫度傳感器進(jìn)行連續(xù)取氣分析、測(cè)溫[8]，主要研究聯(lián)巷所在的氧化帶區(qū)域在實(shí)施直注液態(tài)CO2后的溫度、CO、O2等相應(yīng)的變化關(guān)系，不僅為實(shí)現(xiàn)本工作面安全回采，而且為礦井工作面采空區(qū)高溫區(qū)域后期治理提供理論指導(dǎo)[9]。

3.4 灌注液態(tài)CO2 效果

當(dāng)010905 工作面采空區(qū)氧化帶區(qū)域?qū)?yīng)地表直注鉆孔完成2 車液態(tài)CO2灌注后，利用相應(yīng)聯(lián)巷內(nèi)布置的測(cè)溫導(dǎo)線測(cè)得采空區(qū)溫度為-16 ℃左右，先呈明顯下降趨勢(shì)，后逐漸恢復(fù)正常；測(cè)得CO 體積分?jǐn)?shù)為0，對(duì)采空區(qū)CO 的稀釋作用較為明顯；測(cè)得氧氣體積分?jǐn)?shù)呈明顯下降。同時(shí)010905 工作面上隅角未見低氧以及CO2超限。

010905 工作面采空區(qū)氧化帶區(qū)域地表鉆孔灌注前后CO 體積分?jǐn)?shù)變化曲線圖如圖3、圖4。

圖3 010905 工作面采空區(qū)氧化帶區(qū)域地表鉆孔灌注前CO 體積分?jǐn)?shù)變化曲線圖Fig.3 Change curve of CO concentration before surface drilling perfusion in goaf oxidation zone area of working face 010905

圖4 010905 工作面采空區(qū)氧化帶區(qū)域地表鉆孔灌注后CO 體積分?jǐn)?shù)變化曲線圖Fig.4 Change curve of CO concentration after surface drilling perfusion in goaf oxidation zone area of working face 010905

由圖3 和圖4 可知，注液態(tài)CO2后010905 工作面采空區(qū)氧化區(qū)域的CO 體積分?jǐn)?shù)由15×10-6左右立刻降低至0，而后逐漸升高穩(wěn)定至6×10-6，說明液態(tài)CO2大面積氣化并充填采空區(qū)后對(duì)氧化帶內(nèi)CO稀釋效果十分明顯。

010905 工作面采空區(qū)氧化帶區(qū)域地表鉆孔灌注前后O2體積分?jǐn)?shù)變化曲線圖如圖5、圖6。

圖5 010905 工作面采空區(qū)氧化帶區(qū)域地表鉆孔灌注前O2 體積分?jǐn)?shù)變化曲線圖Fig.5 Change curve of O2 concentration before surface drilling perfusion in goaf oxidation zone area of working face 010905

圖6 010905 工作面采空區(qū)氧化帶區(qū)域地表鉆孔灌注后O2 體積分?jǐn)?shù)變化曲線圖Fig.6 Change curve of O2 concentration after surface drilling perfusion in goaf oxidation zone area of working face 010905

由圖5 和圖6 可知，注液態(tài)CO2后010905 工作面采空區(qū)氧化區(qū)域內(nèi)O2體積分?jǐn)?shù)由19.7%左右呈現(xiàn)先直線下降后逐步上升穩(wěn)定至18.5%左右，說明液態(tài)CO2灌注采空區(qū)后擴(kuò)散速度快，逐漸置換采空區(qū)中的O2，使O2體積分?jǐn)?shù)出現(xiàn)明顯下降現(xiàn)象，后O2體積分?jǐn)?shù)有所恢復(fù)是由于采空區(qū)漏風(fēng)嚴(yán)重帶走部分氣化后的CO2所至。

010905 工作面采空區(qū)氧化帶區(qū)域地表鉆孔灌注前溫度變化曲線圖如圖7、圖8。

圖7 010905 工作面采空區(qū)氧化帶區(qū)域地表鉆孔灌注前溫度變化曲線圖Fig.7 Temperature change curve before surface drilling and grouting in oxidation zone area of working face 010905

圖8 010905 工作面采空區(qū)氧化帶區(qū)域地表鉆孔灌注后溫度變化曲線圖Fig.8 Temperature change curve after surface drilling and grouting in oxidation zone area of working face 010905

由圖7 和圖8 可知，注入液態(tài)CO2后010905 工作面采空區(qū)氧化區(qū)域的溫度呈現(xiàn)先明顯下降后逐漸上升至原有溫度的趨勢(shì)，說明液態(tài)CO2灌注采空區(qū)后快速氣化吸收大量熱量，使采空區(qū)溫度出現(xiàn)明顯下降現(xiàn)象，后有所回升是因?yàn)椴煽諈^(qū)為多孔介質(zhì)空間，加之本層采空區(qū)漏風(fēng)、層間采空區(qū)漏風(fēng)及地表漏風(fēng)使采空區(qū)不斷有新鮮風(fēng)流，采空區(qū)溫度有所回升。

4 應(yīng)用效果

1）010905 工作面采空區(qū)氧化帶區(qū)域經(jīng)理論計(jì)算所需液態(tài)CO2的惰化量對(duì)實(shí)際的防滅火效果較明顯，O2體積分?jǐn)?shù)、CO 體積分?jǐn)?shù)、溫度均呈現(xiàn)大幅下降趨勢(shì)。

2）由于010905 工作面上覆存在近距離煤層采空區(qū)，故地表灌注液態(tài)CO2后采空區(qū)氧化帶區(qū)域惰化時(shí)間、惰化效果不佳，但擴(kuò)散的CO2氣體在一定程度上抑制了上覆采空區(qū)浮煤的氧化自燃問題。

3）010905 工作面在實(shí)施灌注液態(tài)CO2后工作面上隅角并未出現(xiàn)CO2超限事故，因此當(dāng)采空區(qū)氧化帶區(qū)域出現(xiàn)自然發(fā)火跡象時(shí)通過直注液態(tài)CO2可確保工作面實(shí)現(xiàn)正常安全回采。

5 結(jié) 語

1）通過對(duì)010905 工作面采空區(qū)氧化帶區(qū)域進(jìn)行科學(xué)的理論計(jì)算，考慮采空區(qū)實(shí)際情況，合理地計(jì)算出理論計(jì)算惰化區(qū)域所需的實(shí)驗(yàn)液態(tài)CO2用量，為灌注CO2量提供精準(zhǔn)指導(dǎo)，使液態(tài)CO2直接灌注工作有了量方面的依據(jù)。

2）液態(tài)CO2對(duì)于有自然發(fā)火危險(xiǎn)區(qū)域的實(shí)際治理效果相比于傳統(tǒng)注N2滅火效果十分理想，其不僅能在短時(shí)間內(nèi)迅速氣化吸熱而帶走與其接觸的煤體表面熱量使煤體呈現(xiàn)低溫狀態(tài)，還能使其作用的氧化帶區(qū)域溫度在一段時(shí)間內(nèi)處于相對(duì)較低的水平。

3）地表單孔直注液態(tài)CO2的有效治理半徑不僅與氧化帶區(qū)域原有溫度相關(guān)，還和直注量、采空區(qū)壓實(shí)程度、上覆采空區(qū)距離、巖石性質(zhì)以及010905 工作面的通風(fēng)方式、漏風(fēng)量等參數(shù)有直接關(guān)系[11]。