潞寧煤業(yè)22116工作面采空區(qū)防滅火技術(shù)研究與應(yīng)用

李 波

（潞安化工集團(tuán)潞寧煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 寧武036700）

1 工程概況

潞寧煤業(yè)公司22116綜采工作面位于井田二二區(qū)采區(qū)中下部，上部為二二采區(qū)22114采空區(qū)，下部為二二采區(qū)22118回采工作面，西南為2號煤層采區(qū)三條下山，東北部為我礦二二采區(qū)三條下山，工作面平均走向長度為1 877.233 m，傾向長178.6 m，開采2號煤層，煤層平均厚度3.5 m，平均傾角4.5°，局部含有不連續(xù)薄層炭質(zhì)泥巖夾矸，煤層頂板巖層為泥巖和細(xì)粒砂巖、中粒砂巖，底板巖層為泥巖和細(xì)粒砂巖。

根據(jù)礦井地質(zhì)資料可知，工作面回采期間瓦斯絕對涌出量為8.45 m3/min，相對涌出量為2.74 m3/t，煤塵具有爆炸性，煤層屬易自燃煤層，煤層自然發(fā)火期為87 d，現(xiàn)為防止工作面采空區(qū)出現(xiàn)煤層自燃現(xiàn)象，擬采用向采空區(qū)內(nèi)注入液態(tài)CO2進(jìn)行防滅火，現(xiàn)進(jìn)行防滅火方案設(shè)計與研究。

2 液態(tài)CO2防滅火工藝

2.1 惰性氣體的防滅火原理

惰性氣體由于其自身的分子結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，且在常溫常壓下基本不會與其他物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，當(dāng)采用向采空區(qū)內(nèi)注入惰性氣體進(jìn)行防滅火時，隨著注入惰性氣體含量的增加，采空區(qū)內(nèi)的氧氣含量會隨之降低，當(dāng)采空區(qū)內(nèi)氧氣濃度降低至5%～10%時，能夠有效的抑制采空區(qū)內(nèi)遺煤的自燃，若進(jìn)一步進(jìn)行惰性氣體注入作業(yè)，在氧氣濃度低于3%時，此時能夠完全抑制采空區(qū)內(nèi)遺煤和其他可燃物燃燒[1-2]。

根據(jù)惰性氣體的性質(zhì)及煤的氧化機(jī)理可知，當(dāng)向綜采工作面采空區(qū)內(nèi)注入大量液態(tài)CO2時，注入的液態(tài)CO2會不斷的滲入到采空區(qū)的冒落帶、裂隙帶和浮煤帶，進(jìn)而驅(qū)替部分煤體裂隙表面的O2，進(jìn)一步與煤的微觀表面交換吸附，進(jìn)而減少煤體表面氧氣吸附量，實現(xiàn)抑制浮煤自燃的目的[3]，具體CO2驅(qū)替O2原理如圖1所示。

圖1 CO2驅(qū)替O2原理示意圖

2.2 防滅火工藝

本次采空區(qū)注液態(tài)CO2采用井下移動式液態(tài)CO2滅火裝備系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由運(yùn)輸?shù)V車、泵壓裝置閥、儲液罐、安全裝置等組成，其中儲液罐主要用于存放液態(tài)CO2，礦車主要負(fù)責(zé)運(yùn)輸，泵送增壓裝置主要用于對儲液罐進(jìn)行增壓作業(yè)，閥門主要用于調(diào)節(jié)輸出壓力，安全閥用于對設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測監(jiān)控。

井下移動式液態(tài)CO2防滅火系統(tǒng)主要包括生產(chǎn)工藝系統(tǒng)和輔助系統(tǒng)，其中生產(chǎn)工藝系統(tǒng)由儲液罐和液相管路組成，輔助系統(tǒng)由空氣自熱式氣化器、增壓泵送系統(tǒng)和氣相管路組成[4-5]，具體井下液態(tài)CO2直注式防滅火系統(tǒng)工藝流程如圖2所示。

圖2 井下液態(tài)CO2直注式防滅火系統(tǒng)工藝流程圖

在進(jìn)行液態(tài)CO2注入作業(yè)時，當(dāng)液態(tài)CO2得到釋放時，會由于其自身的升溫氣化，而出現(xiàn)體積急劇膨脹的特性，當(dāng)管路系統(tǒng)的阻力大時，容易出現(xiàn)堵塞現(xiàn)象，進(jìn)而影響槽車的安全，另外在進(jìn)行前測定管路系統(tǒng)的阻力釋放作業(yè)時，需保障釋放速度，確保在管路與槽車的連接處安裝逆止閥和泄壓安全裝置；另一方面，當(dāng)向采空區(qū)內(nèi)的火災(zāi)區(qū)域注入CO2時，此時火區(qū)內(nèi)部的有毒有害氣體可能會溢出，進(jìn)而導(dǎo)致液態(tài)CO2也會大量涌出[6]，基于以上分析，設(shè)計在采用液態(tài)CO2直注式防滅火工藝時，具體安全釋放技術(shù)措施如下：

1）當(dāng)向火區(qū)內(nèi)注入液態(tài)CO2時，需首先用CO2沖刷整個管路，確保排氣中不含O2時，方可進(jìn)行注入作業(yè)。

2）在進(jìn)行火區(qū)排氣時，回風(fēng)側(cè)的CO濃度會隨著瓦斯?jié)舛鹊脑龃蠖粩嘣黾樱藭r需先將回風(fēng)側(cè)的電器設(shè)備切斷，且應(yīng)確保無人員通行。

3）在進(jìn)行液態(tài)CO2注入作業(yè)時，應(yīng)采用指標(biāo)氣體監(jiān)測的方式，對采空區(qū)的自燃情況進(jìn)行監(jiān)測分析，隨著掌握采空區(qū)自燃情況。

3 采空區(qū)防滅火方案及效果

3.1 防滅火方案

3.1.1 采空區(qū)氣體監(jiān)測方案

在進(jìn)行22116工作面采空區(qū)灌注液態(tài)CO2作業(yè)時，通過在采空區(qū)內(nèi)預(yù)埋管路的方式，進(jìn)行測溫和氣相測譜分析，以此監(jiān)測氣體含量，采空區(qū)內(nèi)氣體成分監(jiān)測采用埋管真空泵抽氣法和埋設(shè)熱電阻測定法，將監(jiān)測點布置在工作面兩回采順槽采空區(qū)內(nèi)，每間隔50 m布置1個探頭，具體監(jiān)測測點布置如圖3。

圖3 采空區(qū)測點布置方式示意圖

監(jiān)測氣體的預(yù)埋管路采用2英寸鋼管，在鋼管內(nèi)部布置3根?6 mm的束管，每根束管監(jiān)測1個測點的氣體；通過束管、測溫探頭和導(dǎo)線將其送入鉆孔，隨后送達(dá)采空區(qū)內(nèi)，探頭尾部抬高0.5 m，測溫探頭埋入管中與束管進(jìn)氣口平齊，具體埋管探頭布置方式如圖4所示；液壓之間的測點位于進(jìn)風(fēng)巷采空區(qū)靠近煤壁和回風(fēng)巷采空區(qū)靠近煤壁的位置處，該測點等間距布置，間隔50 m；測點距離采空區(qū)底板的距離分別為5.0、5.2、5.4、5.8、5.0 m。

圖4 埋管觀測探頭布置示意圖

3.1.2 灌注液態(tài)CO2方案

在22117運(yùn)輸順槽570m位置處，即運(yùn)輸順槽滯后工作面開切眼30m的位置處向22116工作面采空區(qū)依次施工3個CO2灌注鉆孔，終孔位于煤層頂板上方5m、距高抽巷5m，具體鉆孔參數(shù)見表1。

表1 液態(tài)CO2灌注鉆孔布置參數(shù)表

液態(tài)CO2灌注鉆孔布置平面圖如圖5所示，液態(tài)CO2灌注時采用井下移動式液態(tài)CO2滅火裝備系統(tǒng)，設(shè)置防滅火液態(tài)CO2裝置的出口壓力為0.8～2.0 MPa，出口流量為0.5～4.0 t/h。

圖5 灌注液態(tài)CO2鉆孔布置平面圖

3.2 效果分析

在22116工作面灌注鉆孔施工完畢后，開始進(jìn)行1、2號CPW-2.0型移動式液態(tài)CO2防滅火裝置進(jìn)行充裝，充裝完畢后運(yùn)送至22117工作面運(yùn)輸順槽內(nèi)，8月28日0:00-8.00通過?25 mm的高壓膠管與液態(tài)CO2防滅火系統(tǒng)進(jìn)行連接，隨后開啟閥門進(jìn)行灌注作業(yè)，在進(jìn)行液態(tài)CO2灌注作業(yè)時，進(jìn)行灌注各項參數(shù)的設(shè)計的監(jiān)測記錄，采空區(qū)共計注入8.1T膨脹比為1∶640的液態(tài)CO2，液態(tài)CO2氣體含量為5 184 m3，具體各個鉆孔灌注情況見表2。

表2 灌注液態(tài)CO2情況統(tǒng)計表

在22116工作面采空區(qū)采用液態(tài)CO2灌注后，通過對采空區(qū)內(nèi)氣體監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，能夠得出采空區(qū)進(jìn)風(fēng)側(cè)1、2、3號，采空區(qū)回風(fēng)側(cè)4、5、6號的束管監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，具體結(jié)果如圖6所示。

圖6 O2和CO濃度曲線圖

分析圖6（a）可知，隨著采空區(qū)灌注液態(tài)CO2量的不斷增加，不同測點O2含量均呈現(xiàn)下降的趨勢，1號和4號測點位于采空區(qū)深部，與終孔位置距離較近，從圖中能夠看出在1：00以后，該測點區(qū)域O2濃度變開始下降，直至8:00時采空區(qū)內(nèi)O2濃度已降低至1.7%和1.9%，2號測點位于采空區(qū)進(jìn)風(fēng)側(cè)散熱帶與窒息帶的交界處，其O2濃度最低降低至13.5%，3號和6號測點由于距離終孔位置較遠(yuǎn)，該測點區(qū)域O2濃度下降較為緩慢，最終6號測點O2濃度由20.8%下降至18.5%，3號測點處O2濃度由22.8%下降至19.6%。

分析圖6（b）可知，隨著采空區(qū)液態(tài)CO2注入作業(yè)的持續(xù)進(jìn)行并在采空區(qū)內(nèi)不斷的擴(kuò)散，有效實現(xiàn)了對采空區(qū)內(nèi)CO濃度的降低，其中CO濃度降低最為明顯的區(qū)域為采空區(qū)中部和深部，另外在近工作面的位置處CO濃度同樣呈現(xiàn)為小幅度的下降；另外從CO濃度曲線圖中可看出，在6:00以后，采空區(qū)內(nèi)CO濃度降幅顯著，最終CO濃度在120～275×10-6范圍內(nèi)，采空區(qū)內(nèi)CO含量在合理范圍內(nèi)。

另外根據(jù)現(xiàn)場對上隅角和回風(fēng)流中的溫度進(jìn)行監(jiān)測得出，采空區(qū)注入液態(tài)CO2后，回風(fēng)流中的溫度由34℃降低至27℃，上隅角溫度由36℃降低至26.5°，綜合上述分析可知，22116工作面采空區(qū)注入液態(tài)CO2后有效的抑制了采空區(qū)遺煤的氧化升溫。

4 結(jié)論

根據(jù)22116工作面地質(zhì)條件和2號煤層賦存特征，通過分析惰性氣體的防滅火原理和液態(tài)CO2防滅火工藝，結(jié)合采空區(qū)特征，具體進(jìn)行采空區(qū)內(nèi)指標(biāo)氣體測點設(shè)計，并進(jìn)行液態(tài)CO2灌注鉆孔布置及灌注參數(shù)設(shè)計，根據(jù)灌注后采空區(qū)內(nèi)的O2和CO濃度曲線圖可知，液態(tài)CO2有效抑制了采空區(qū)遺煤的自燃，保障了采空區(qū)的安全。