大流量氣態(tài)CO2 防滅火技術(shù)在采空區(qū)自燃火災(zāi)治理中的應(yīng)用

趙美成

（國家能源集團神東煤炭集團，陜西 神木719315）

火災(zāi)防治技術(shù)及裝備的發(fā)展一直是國內(nèi)外煤礦安全領(lǐng)域長期探索的重要課題之一[1-2]。目前國內(nèi)外普遍采用注黃泥漿、注氮氣、注阻化劑、注凝膠等自燃防治技術(shù)，然而每項技術(shù)均有其適用條件和局限性。近年來，國內(nèi)有不少煤炭科研院所開始關(guān)注利用CO2進行煤礦井下自燃火災(zāi)防治的研究與探索工作。CO2密度比空氣重，約是空氣密度的1.5 倍，易溶于水，不能燃燒，也不支持燃燒；同時，煤炭對CO2具有良好的吸附性能。因此，相對于其他常規(guī)防滅火技術(shù)，CO2用于煤礦井下采空區(qū)防火、抑爆工作，具有不可比擬的優(yōu)勢[3-4]。為此對大流量氣態(tài)CO2防滅火系統(tǒng)裝備及工藝進行介紹，結(jié)合某礦150201 綜放工作面的自燃火災(zāi)的實際情況，對工作面風(fēng)量配備，及采空區(qū)注氣量、注氣強度、注氣方式及注氣壓力進行了詳細計算，并對火災(zāi)治理效果進行詳細考察分析。

1 大流量氣態(tài)CO2 防滅火裝備

1.1 系統(tǒng)組成

大流量氣態(tài)CO2防滅火裝備系統(tǒng)組成如圖1。大流量氣態(tài)CO2防滅火裝備主要由地面貯液單元、液氣轉(zhuǎn)換單元-自熱式、液氣轉(zhuǎn)換單元-強熱式、氣體壓力調(diào)控單元等組成，配用液位計、安全閥、溫度表、壓力表、控制閥、輸送管路等組成[5-7]。系統(tǒng)最大產(chǎn)氣量為3 000 Nm3/h，液態(tài)CO2最大消耗量為6 t/h。

圖1 大流量氣態(tài)CO2 防滅火裝備系統(tǒng)組成Fig.1 Composition of large flow gaseous CO2 fire fighting equipment system

1）自熱式液氣轉(zhuǎn)換單元。裝置由螺旋狀盤管式鋼管和在其外側(cè)設(shè)置的以優(yōu)質(zhì)鋁合金制成的導(dǎo)熱片組成。其作用原理是：通過導(dǎo)熱片吸收環(huán)境空氣中的熱量，并源源不斷的傳導(dǎo)給轉(zhuǎn)換單元，以支持液氣轉(zhuǎn)化的不斷進行。主要作用為將貯液單元內(nèi)釋放的液態(tài)CO2以自熱方式轉(zhuǎn)化成為氣體并輸送至下1 道工序，其主要能源來自于環(huán)境的溫度，即空氣自身所帶的熱能，并以熱傳導(dǎo)方式通過導(dǎo)熱片將熱量傳導(dǎo)給該轉(zhuǎn)換器。

2）強熱式液氣轉(zhuǎn)換單元。裝置主要由換熱管組件、殼體、電控加熱系統(tǒng)等組成，主要功能為：殼程內(nèi)的水或?qū)嵊屯ㄟ^內(nèi)置的電控加熱系統(tǒng)或蒸氣加熱系統(tǒng)加熱后，管程內(nèi)的液體與殼程內(nèi)的水或?qū)嵊瓦M行熱交換，從而達到液轉(zhuǎn)氣的效果。

3）氣體調(diào)壓穩(wěn)壓單元。裝置主要由過濾器、壓力表、安全閥、調(diào)壓閥、球閥、截止閥及相關(guān)管路組成，上述器件均為耐低溫耐高壓材質(zhì)。主要功能：將液氣轉(zhuǎn)換單元轉(zhuǎn)換出的高壓氣態(tài)CO2調(diào)節(jié)至井下常規(guī)輸送管路所能承受的壓力，并對氣態(tài)CO2進行穩(wěn)壓調(diào)節(jié)，然后進行釋放、輸出、輸送，從而用于礦井火災(zāi)防治工作。

此外，系統(tǒng)還配用了奧氏體金屬軟管，均為耐低溫耐高壓材質(zhì)，作為貯液單元、液氣轉(zhuǎn)換單元等相關(guān)器件的連接管路。

1.2 系統(tǒng)工藝

大流量氣態(tài)CO2防滅火工藝流程如圖2。將貯液單元、增壓泵、液氣轉(zhuǎn)換單元-自熱式、液氣轉(zhuǎn)換單元-強熱式、氣體壓力調(diào)控單元、輸送管路按圖2進行連接[8-10]。

圖2 大流量氣態(tài)CO2 防滅火系統(tǒng)工藝流程圖Fig. 2 Process flow of large flow gaseous CO2 fire prevention and extinguishing system

將貯液單元、自熱式液氣轉(zhuǎn)換單元、強熱式液氣轉(zhuǎn)換單元通過奧氏體金屬軟管1、金屬軟管2 進行連接，構(gòu)成裝置為液相系統(tǒng)；將增壓泵、貯液單元、強熱式液氣轉(zhuǎn)換單元通過奧氏體金屬軟管4、金屬軟管5、金屬軟管6 進行連接，構(gòu)成裝置增壓系統(tǒng)；將配電箱、強熱式液氣轉(zhuǎn)換單元通過電纜8 進行連接，構(gòu)成裝置加熱系統(tǒng)；將氣體調(diào)壓穩(wěn)壓單元與控制閥門進行連接，構(gòu)成裝置CO2氣體輸出系統(tǒng)。進而與井下防滅火管路連接，構(gòu)成CO2氣體輸送系統(tǒng)。

2 礦井概況及工作面火災(zāi)情況

2.1 礦井概況

西部某礦產(chǎn)量30 萬t/a，礦井主采15#煤層，現(xiàn)布置有1 個綜放工作面和2 個掘進工作面。礦井為高瓦斯礦井，絕對瓦斯涌出量為23.21 m3/min，相對瓦斯涌出量為34.54 m3/t，礦井總進風(fēng)量為5 650 m3/min。15#煤屬易自燃煤層，煤質(zhì)火焰長度為10 mm，煤塵具有爆炸危險性。礦井建有地面瓦斯抽放泵站，采取預(yù)抽和邊采邊抽等瓦斯綜合治理措施。

150201 工作面采用傾斜長壁綜合機械化放頂煤采煤方法，傾向長度140 m，走向長度380 m，煤層厚度4.6 m，煤層傾角18°，仰斜開采，割煤高度2.5 m，放頂高度2.1 m。工作面從2018 年1 月20 日開始回采，截止4 月18 日，累計安全回采87 d，累計推進80 m，平均推進速度不足1 m/d，未達到規(guī)定的防滅火最小推進速度2 m/d，為采空區(qū)遺煤氧化自熱積累了了良好的時間條件。

2.2 工作面火災(zāi)情況

4 月18 日01：30，150201 工作面配風(fēng)量為1 020 m3/min，回風(fēng)隅角CO 體積分數(shù)為2×10-6；07：23，回風(fēng)隅角CO 體積分數(shù)為11×10-6；07：33，回風(fēng)隅角CO 傳感器報警，報警體積分數(shù)為28.5×10-6，回風(fēng)巷CO 傳感器報警，報警體積分數(shù)為37.5×10-6；7：55，回風(fēng)巷口CO 傳感器報警，報警體積分數(shù)為73.75×10-6。采集地面1#和2#瓦斯抽放管路氣樣，分析發(fā)現(xiàn)井下1#泵站氣樣中CO 體積分數(shù)為13×10-6；19日00：50，地面1#瓦斯抽放管路內(nèi)CO 體積分數(shù)劇增至800×10-6，地面2#瓦斯抽放管路內(nèi)CO 體積分數(shù)劇增至1 200×10-6；19 日09：50，地面1#瓦斯抽放管路CO 體積分數(shù)增長至1 000 ×10-6，地面2#瓦斯抽放管路CO 體積分數(shù)增長至1 300 ×10-6。為防止采空區(qū)自燃災(zāi)害進一步擴大，導(dǎo)致瓦斯爆炸等次生災(zāi)害的發(fā)生，18 日05：00 礦方研究決定立即停止生產(chǎn)，隨后轉(zhuǎn)入火災(zāi)治理工作。

3 大流量氣態(tài)CO2 防滅火工藝

3.1 CO2 氣體輸送管路敷設(shè)

將大流量氣態(tài)CO2防滅火系統(tǒng)與井下壓風(fēng)管路連接，作為氣體CO2輸送管路，氣體CO2經(jīng)主干線管路從副立井下至井底，經(jīng)主運輸巷、1502 采區(qū)運輸巷進入支管路，經(jīng)支管路通過150201 運輸巷，最后到達預(yù)埋在150201 采空區(qū)內(nèi)的支管路末端，經(jīng)預(yù)埋在采空區(qū)的管路灌入采空區(qū)，管路約埋入采空區(qū)10 m。其中，主管路管徑為DN80，支管路管徑為DN50。

3.2 CO2 防滅火注氣量及強度

以150201 采空區(qū)惰化帶寬度為注氣量計算依據(jù)，考慮采空區(qū)氣體置換和垮落充填情況，采空區(qū)注氣量參數(shù)見表1。

表1 采空區(qū)注氣量參數(shù)Table 1 Gas injection parameters in goaf

經(jīng)計算，初期設(shè)計注氣量為17 850 m3。

結(jié)合采空區(qū)自燃“三帶”分布區(qū)域，分析火源距離工作面約為50～80 m，考慮采空區(qū)瓦斯抽放及漏風(fēng)作用影響，采空區(qū)氧化自燃帶漏風(fēng)流流速按照0.15 m/min 取值，CO2氣體流經(jīng)火區(qū)的橫斷面積為60 m2，則CO2氣體有效注入量為9 m3/min，約為CO2注氣量為13 000 m3/d。液態(tài)CO2被汽化后常態(tài)氣體量按550 m3/t 估算，則所需液體CO2數(shù)量為24 t/d，即需要消耗液態(tài)CO2為24 t/d。

3.3 氣體CO2 灌注方式

鑒于150201 工作面生產(chǎn)需要，經(jīng)相關(guān)專家對采空區(qū)火情的綜合研判，150201 工作面無需進行封閉,采取開放式采空區(qū)大流量氣態(tài)CO2直注滅火方案。因此，為了有效提高滅火效果，在首次注入時加大注入強度，從而抑制火區(qū)蔓延，隨工作面推進，火區(qū)也將隨之甩入窒息帶，CO 體積分數(shù)也將隨之降低；進一步，根據(jù)CO 體積分數(shù)下降幅度來調(diào)節(jié)注入的CO2量，直至火區(qū)熄滅。采用間斷式的注氣方式，注氣間隔時間為1 d。

參照MT-T 701—1997 《煤礦用氮氣防滅火技術(shù)規(guī)范》相關(guān)要求，控制大流量氣態(tài)CO2防滅火裝備出氣體壓力在0.8～1.5 MPa，進而保證采空區(qū)預(yù)埋管路的出口壓力為0.2 MPa。

3.4 調(diào)整工作面風(fēng)量

按瓦斯涌出量計算，150201 工作面風(fēng)量為1 100 m3/min，為了有效較少采空區(qū)漏入的風(fēng)量，提高采空區(qū)惰化滅火效果，調(diào)整注氣期間工作面風(fēng)量，工作面安全風(fēng)量按CO2允許體積分數(shù)計算，其公式如下：

式中：Q0為根據(jù)CO2體積分數(shù)指標計算的最低安全通風(fēng)風(fēng)量，m3/min；C 為工作面回風(fēng)流中允許CO2體積分數(shù)指標，取1.5%；C2為CO2體積分數(shù)，取99%；CCO2為空氣中CO2含量，取0.03%。

根據(jù)以上條件，可以求得Q0=597 m3/min，取600 m3/min，即150201 工作面配風(fēng)量調(diào)整為600 m3/min。

3.5 火區(qū)治理效果

4 月20 日起進行開始實施注CO2氣體滅火工作，18：40 進行第1 次注氣，4 月21 日13：00 完成注氣，注入20 t 液態(tài)CO2；4 月22 日10：50 進行第2次注氣，注入22.5 t 液態(tài)CO2。根據(jù)采空區(qū)氣體變化情況分析，總計完成6 次CO2氣體灌注工作，單次灌注CO2量均控制在20 t 左右，共累計注入120 t，折合氣體量約為70 000 m3。

在第1 次完成注氣后，采空區(qū)CO 的體積分數(shù)并未下降，且出現(xiàn)繼續(xù)上升現(xiàn)象。4 月20 日18：40—23：00，地面1#管路CO 體積分數(shù)由660×10-6升至790×10-6，地面2#管路CO 體積分數(shù)由910×10-6升至1 300×10-6。分析認為是：由于CO2釋放口埋入采空區(qū)內(nèi)深度僅為10 m ，釋放出的CO2大部分經(jīng)工作面回風(fēng)巷流出；另一部分卻被煤吸附或井下積水溶解；只有很少一部分經(jīng)采空區(qū)漏風(fēng)流入火源位置，導(dǎo)致第1 次注入CO2后未立即起到應(yīng)有的作用。因此，CO 體積分數(shù)仍繼續(xù)上升，井下火區(qū)仍在發(fā)展、惡化。

隨時間推遲，地面1#瓦斯抽放管路中CO 體積分數(shù)在延遲超過20 h 后逐漸下降，并于4 月22 日01：00 由790×10-6急劇下降至225×10-6，絕對降幅量565×10-6；而地面2#瓦斯抽放管路CO 體積分數(shù)亦延遲26 h 后開始逐漸下降，于4 月22 日08：00由910×10-6急劇下降至110×10-6，絕對降幅量800×10-6，治理效果開始顯現(xiàn)。

第1 次注氣時間為4 月20 日18：50，第2 次注氣時間為4 月22 日10：50，2 次注入量都是20 t 左右。第1 次灌注CO 體積分數(shù)變化趨勢如圖3（4 月20日18:30-4 月22 日20:00），第2 次灌注CO 體積分數(shù)變化趨勢如圖4（4 月22 日21:00-4 月23 日13:00）。

圖3 第1 次灌注CO 體積分數(shù)變化趨勢Fig. 3 Change trend of CO concentration in the first perfusion

從圖3 和圖4 可以看出，CO 體積分數(shù)曲線變化規(guī)律為駝峰狀，出現(xiàn)了CO 體積分數(shù)的反彈現(xiàn)象，2次注入后CO 反彈幅度分別是400×10-6和250×10-6，其絕對增幅下降了150×10-6。其后又同樣注入4 次，每次注入后都會出現(xiàn)CO 體積分數(shù)短暫反彈現(xiàn)象，但是隨著注入次數(shù)的增加反彈幅度逐次下降，第6次注入后，其反彈量近于0，如此循環(huán)往復(fù)，直至反彈量達到0 為止，實現(xiàn)最終滅火。分析CO 體積分數(shù)出現(xiàn)反彈的原因為：在停止注入CO2后，在瓦斯抽放影響下，位于火源周圍的CO2氣體向四周擴散，使得火源處CO2體積分數(shù)持續(xù)下降，O2隨即置換倒吸回該區(qū)域，高溫煤體恢復(fù)供氧條件，隨后引起CO 體積分數(shù)反彈現(xiàn)象。

圖4 第2 次灌注CO 體積分數(shù)變化趨勢Fig. 4 Change trend of CO concentration in the second perfusion

在第1 次完成注氣后，采空區(qū)治理效果有明顯顯現(xiàn)后，檢測顯示工作面及其回風(fēng)隅角和回風(fēng)流中CO 體積分數(shù)均小于24 ×10-6，CH4體積分數(shù)僅為0.3%，CO2最高體積分數(shù)為0.03%，O2體積分數(shù)為20%，已具備恢復(fù)生產(chǎn)的條件，在完成第2 次CO2氣體灌注工作后，從4 月21 日15：30 起工作面恢復(fù)生產(chǎn)，接續(xù)注氣工作繼續(xù)實施。根據(jù)調(diào)度室檢測報表顯示，注入CO2氣體以來，150201 工作面及其回風(fēng)流中的CO 已絕跡，CO2最高體積分數(shù)為0.03% ，CH4體積分數(shù)為0.3%，溫度正常，無C2H4、C2H2，各項指標均已達到了《煤礦安全規(guī)程》第248 條關(guān)于火區(qū)熄滅的標準。此外，地面1#、2#瓦斯抽放管路和井下瓦斯鉆場鉆孔內(nèi)CO 體積分數(shù)已趨近于0；從以上數(shù)據(jù)分析，實施CO2氣體灌注工作已取得成功。150201工作面從4 月18 日05:00 停產(chǎn)至4 月21 日15：00回復(fù)生產(chǎn)，間隔僅82 h。

4 結(jié) 語

大流量氣態(tài)CO2防滅火系統(tǒng)產(chǎn)氣量大，可以持續(xù)提供3 000 Nm3/h 的CO2氣體，純度為99.9%，完全可以滿足煤礦井下采空區(qū)防滅火工作要求；CO2氣體灌注工藝參數(shù)與N2灌注工藝參數(shù)相似，在CO2管路釋放口設(shè)在采空區(qū)的氧化帶內(nèi)的前提下，不會出現(xiàn)CO2氣體從工作面涌出現(xiàn)象；液態(tài)CO2是化工廠的副產(chǎn)品，售價約為500 元/t，其使用成本較低，氣體的直接成本在1 元/m3以下，滅火投入少，有利于在煤礦井下防火工作中推廣應(yīng)用。