綜采工作面注液態(tài)二氧化碳防自然發(fā)火技術(shù)與實(shí)踐

劉振偉，邢德棟，李 猛

（兗州煤業(yè)股份有限公司楊村煤礦，山東 濟(jì)寧272118）

1 工作面概述

楊村煤礦330 工作面為底分層限厚開采，為單斜構(gòu)造，地層走向NE～SW，傾向SE，總體趨勢(shì)西北部高、東南部低。煤層起伏變化不大，煤層傾角1～6°，平均4°。煤層結(jié)構(gòu)簡單，塊狀，少量粉末狀，以亮煤為主，夾少量暗煤，內(nèi)生裂隙發(fā)育。煤層普氏系數(shù)（f）一般在1.91 左右，為軟～中等硬度煤層。

330 工作面西北臨T301 工作面，東南臨301、303、305、307 工作面采空區(qū)，北臨礦井邊界保護(hù)煤柱（與楊莊煤礦），南臨331 工作面，該面內(nèi)老巷301運(yùn)順、303 運(yùn)順、303 軌順、305 運(yùn)順、305 運(yùn)順聯(lián)絡(luò)巷、-190 軌道巷與工作面立交，巷采運(yùn)煤巷、北總回風(fēng)巷與工作面平交。

礦井瓦斯等級(jí)為低瓦斯礦井，煤層屬Ⅱ類自燃煤層，最短自然發(fā)火期60 天，煤塵具有爆炸性，爆炸指數(shù)35.27%，地溫21°C。

2 隱患情況

330 工作面上巷沿空布置，且部分區(qū)段只采底分層，采空區(qū)內(nèi)遺煤較多，旋轉(zhuǎn)開采時(shí)工作面推進(jìn)速度慢，易向采空區(qū)漏風(fēng)，采空區(qū)內(nèi)的遺煤容易氧化蓄熱，一旦出現(xiàn)自然發(fā)火，治理難度大，同時(shí)停采回撤期間煤體長期暴露，也給工作面帶來安全隱患。

3 工程實(shí)例

根據(jù)工作面及其周邊巷道地質(zhì)情況，利用對(duì)330 工作面采空區(qū)灌注液態(tài)二氧化碳的措施，進(jìn)行防滅火控制。

3.1 灌注方案

1）利用軌順、運(yùn)順內(nèi)的排水管改造為CO2管路，用于壓注CO2，管口通過彎頭向上增加不小于300mm 的花管，花管上口封死，并固定牢固。

2）液態(tài)二氧化碳在地面進(jìn)行灌裝，然后用礦用平板車運(yùn)至330 軌順，將液態(tài)二氧化碳直接注入于采空區(qū)進(jìn)行防滅火，通過φ50 高壓膠管與預(yù)先敷設(shè)的φ108 鋼管連接進(jìn)行灌注。

3）利用兩輛平盤車各裝一個(gè)液態(tài)二氧化碳罐，在一輛向工作面灌注的同時(shí)，另一輛上井充裝，交替運(yùn)行。

3.2 操作程序

3.2.1 操作流程相關(guān)示意圖

見圖1、圖2 及表1。

3.2.2 儲(chǔ)罐充裝

1）儲(chǔ)罐的充裝由液態(tài)二氧化碳槽車司機(jī)操作。

2）確認(rèn)置換過的儲(chǔ)罐已達(dá)到所需純度標(biāo)準(zhǔn)后，連接充液軟管。

3）打開殘液閥（V2）和槽車排液閥約三分鐘，使輸液軟管冷卻并排除軟管內(nèi)空氣后，再關(guān)閉殘液閥（V2)。

圖1 液態(tài)二氧化碳防滅火系統(tǒng)工藝流程圖

圖2 液態(tài)二氧化碳罐體示意圖

表1 儲(chǔ)罐閥門狀態(tài)表

4）微開進(jìn)液閥（V1），氣體排放閥（V11），壓力表、液位計(jì)閥（V5）和液體充滿指示閥（V9），視情況（連接儲(chǔ)罐氣相口，使儲(chǔ)罐內(nèi)壓力大于1.0MPa.）記錄好初始?jí)毫χ礟 和液位計(jì)讀數(shù)L。

5）開始充罐時(shí)，氣體放空閥（V11）和液體充滿指示閥（V9）要控制的很小，待儲(chǔ)罐預(yù)冷后，可逐漸加大（V1）、（V11）的開度，按一次充灌量2 噸來計(jì)算，記錄好充罐時(shí)間和充罐速度。

6）當(dāng)有液體從充滿指示閥（V9）噴出時(shí)，表明儲(chǔ)罐已裝滿，立即關(guān)閉儲(chǔ)罐進(jìn)液閥（V1）、槽車排液閥、氣體放空閥（V11）、充滿指示閥（V9）打開殘液排放閥（V2)，泄掉輸液管內(nèi)壓力和殘留液體后，拆下輸液軟管和氣相軟路，充裝結(jié)束。（通常壓力為1.8MPa 左右）。

3.2.3 排液、增壓

1）打開液位計(jì)、壓力表閥（V5）使其投入使用。

2）分別將排液高壓膠管和增壓回氣高壓膠管，相應(yīng)的把儲(chǔ)罐和增壓汽化器連接好，汽化器排液膠管連接牢固。

3）微開液體排液閥（V3）、增壓閥（V6）、回氣閥（V7）給增壓汽化器一個(gè)預(yù)冷的時(shí)間和一定的壓力，過一會(huì)后可逐漸開大排液閥（V3）、關(guān)閉（V6）、（V7）加快排液速度，當(dāng)儲(chǔ)罐內(nèi)壓力下降到1.0MPa 以下，不符合排液壓力要求時(shí)，就需要給儲(chǔ)罐增壓，首先關(guān)閉（V7），緩慢打開增壓閥（V6）讓液體進(jìn)入增壓汽化器，隨后打開增壓回氣閥（V4），給儲(chǔ)罐增壓。增壓過程中要注意觀察壓力表、液位計(jì)、各閥門、接頭等處有無跑、冒、漏現(xiàn)象，當(dāng)增壓達(dá)到1.8MPa 符合排液壓力要求時(shí)，關(guān)閉增壓回氣閥（V4）、增壓閥（V6）停止增壓，打開（V7）繼續(xù)排液。

4）在排液過程中，一定要隨時(shí)注意觀察液位計(jì)、壓力表、各閥門及管路，防止有突發(fā)情況發(fā)生。排液時(shí)不得把儲(chǔ)罐內(nèi)的低溫液體完全排放干凈,必須保留一定余量為下一次充裝做準(zhǔn)備，通常液位計(jì)示值大約在（1.0～1.5kPa）時(shí),關(guān)閉排液閥（V3），防止干冰或氣體進(jìn)入空氣。

5）管路連接時(shí)，在管路中間接三通，三通上口及靠近采空區(qū)一側(cè)均安裝截止閥。打開三通上口截止閥，關(guān)閉靠近采空區(qū)一側(cè)截止閥，泄掉排液高壓膠管和汽化器內(nèi)的壓力后，拆下排液高壓膠管，連接下一罐車或排液結(jié)束。

6）填寫好排液記錄，并妥善保存。

3.3 常見故障分析及處理

1）正常灌注時(shí)，管路內(nèi)會(huì)有“呲呲”聲，管路上會(huì)有白霜出現(xiàn)，若有管路結(jié)冰時(shí)，“呲呲”聲消失，大部分管路白霜會(huì)消融，只有結(jié)冰點(diǎn)白霜存在，通過此方法找到結(jié)冰點(diǎn)進(jìn)行處理。

2）灌注過程中出現(xiàn)管路結(jié)冰后，應(yīng)立即將排液閥（V3）關(guān)閉，找到結(jié)冰點(diǎn)后將管路卸開，使干冰自然消融，也可用澆水的方法快速使干冰融化。

3）當(dāng)發(fā)現(xiàn)儲(chǔ)罐各閥門及附件有微小泄漏時(shí)，應(yīng)及時(shí)檢修堵漏，有嚴(yán)重泄漏時(shí)，必須將儲(chǔ)罐升井后運(yùn)到人稀、空曠、安全處，逐漸排放并嚴(yán)格監(jiān)護(hù)，排放時(shí)人應(yīng)處于上風(fēng)口。

4 安全防護(hù)

1）操作人員在充裝、排液和操作低溫儲(chǔ)罐時(shí)，應(yīng)帶上便于脫下的皮革或石棉膠皮手套；若有產(chǎn)生噴射或飛濺可能時(shí)，應(yīng)帶上護(hù)目鏡或面罩；若有低溫液體大量泄漏時(shí)，應(yīng)穿上皮靴，褲腿要套在皮靴外面。

2）在通風(fēng)不良、有發(fā)生窒息危險(xiǎn)的場(chǎng)所處理低溫液體時(shí)，操作人員必須戴上自吸式防護(hù)面具，必須有兩人以上進(jìn)行操作處理。

3）操作人員的皮膚因接觸低溫液體或氣體而被凍傷時(shí)，應(yīng)及時(shí)把受傷部位放在溫水中浸泡和沖洗，切勿干加熱，嚴(yán)重的凍傷要迅速到醫(yī)院治療。

4）若有操作人員及其他人員，因二氧化碳?xì)怏w窒息而失去知覺時(shí)，應(yīng)立刻將人移到有新鮮空氣處，有呼吸困難時(shí)立刻輸氧，如有呼吸和心跳停止時(shí)，立即進(jìn)行人工呼吸，并及時(shí)送醫(yī)院治療。

5）礦用液態(tài)二氧化碳防滅火系統(tǒng)嚴(yán)禁超裝，本系統(tǒng)充裝系數(shù)為≤95%。

6）礦用液態(tài)二氧化碳防滅火系統(tǒng)，在地面充裝液態(tài)二氧化碳后嚴(yán)禁長時(shí)間存放，以免設(shè)備超限后產(chǎn)生危險(xiǎn)。

7）礦用液態(tài)二氧化碳防滅火系統(tǒng)的充裝、卸液等操作人員應(yīng)熟悉系統(tǒng)使用說明書、工藝流程、各種閥門、儀表的作用及操作程序，并應(yīng)進(jìn)行相關(guān)操作的業(yè)務(wù)知識(shí)培訓(xùn)，經(jīng)培訓(xùn)合格后，方能上崗。

5 治理效果

1）利用KJ90X 安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，加強(qiáng)氣體日常檢查，331 工作面（原330 工作面）皮帶輸送機(jī)頭CO持續(xù)60 天傳感器監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)均正常，見圖3。

2）利用JSG- 7 型束管監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，定期觀測(cè)沿空側(cè)有害氣體和溫度變化。二氧化碳進(jìn)入采空區(qū)域可以很好地降低該區(qū)域氧氣濃度, 低溫的惰性氣體吸收熱量降低周圍煤體的溫度,同時(shí)會(huì)有一定量的惰性氣體滲入煤體裂隙表面,阻止氧氣的進(jìn)入,大大減小煤的吸氧量,從而降低氧化速度,阻止煤自燃發(fā)生。

圖3 330 工作面回風(fēng)巷一氧化碳監(jiān)測(cè)

通過預(yù)防性注膠注漿、注二氧化碳等防滅火措施，通過人工取樣，工作面回風(fēng)隅角氣體取樣分析正 常，CO=0ppm，CO2=0.07% ，CH4=0.00% ，O2=20.21%，各項(xiàng)管控措施落實(shí)到位，隱患治理正常。

6 結(jié) 語

防治礦井煤炭自燃發(fā)火是井工煤礦生產(chǎn)面臨的一大難題，通常煤礦井下防治自然發(fā)火的防滅火方法主要有注水、注漿、注凝膠、噴漿、堵漏、均壓調(diào)風(fēng)、封閉火區(qū)等。目前，我國煤礦井下自然發(fā)火常用的防滅火方法是采用注氮技術(shù)。但礦用氮?dú)鉁缁鹪O(shè)備價(jià)格高。

本次工程實(shí)際采用的灌注液態(tài)二氧化碳防滅火技術(shù)，現(xiàn)場(chǎng)防滅火預(yù)防效果好，操作簡單，且價(jià)格低廉，適合有防滅火需求的各類礦井推廣使用。