采空區(qū)自燃火災(zāi)演化及干冰相變惰化防控成套技術(shù)裝備

研發(fā)起止時間：2019.6~2021.4

完成單位：晉能控股煤業(yè)集團(tuán)有限公司、中國礦業(yè)大學(xué)（北京）、晉能控股山西科學(xué)技術(shù)研究院有限公司、大同煤炭職業(yè)技術(shù)學(xué)院

成果水平：國際先進(jìn)

1 項目背景

該項目于2021年4月通過了中國煤炭工業(yè)協(xié)會組織的科技成果鑒定，研究成果為國際先進(jìn)水平。

大同礦區(qū)發(fā)生過多次自然發(fā)火事故，發(fā)火地點多為綜采工作面和綜放工作面的采空區(qū)，而綜放工作面在停采搬家期間發(fā)火頻次尤為明顯，此前采用注水、限風(fēng)等防滅火技術(shù)，但是注水會造成工作面漫水、惡化工作環(huán)境，停止注水后溫度會迅速回升；采取限風(fēng)措施時，工作面風(fēng)量由于現(xiàn)場瓦斯?jié)舛鹊南拗埔膊荒艽蠓鹊亟档?。且由于采空區(qū)分布廣闊、自燃危險區(qū)域隱蔽性很強(qiáng)等原因，在實際應(yīng)用中防滅火措施存在一定的盲目性、片面性，取得的防控效果均不理想。因此，如何有效防治停采搬家期間的采空區(qū)自燃火災(zāi)，是大同礦區(qū)目前亟需解決的安全難題之一。為此，本項目探討了停采期間采空區(qū)自燃火災(zāi)影響因素，揭示多場耦合時空演化規(guī)律，停采面溫度觀測，定位高溫區(qū)域。研制干冰相變發(fā)生器，制定惰性氣體注入高溫區(qū)域技術(shù)方案，以發(fā)揮惰性氣體吸熱、隔氧、惰化等作用，達(dá)到有效預(yù)防工作面停采搬家期間采空區(qū)自燃火災(zāi)的目的。項目研究成果能有力保障工作面搬家安全，對于大同礦區(qū)各礦井安全生產(chǎn)具有重要意義。

2 研究內(nèi)容

（1）研究二氧化碳與氧氣在煤體中的競爭吸附機(jī)制，揭示二氧化碳抑制煤自燃的作用機(jī)理，建立煤溫、氧氣及二氧化碳?xì)怏w等耦合作用下的煤氧化速率模型，提出合理的二氧化碳惰化濃度指標(biāo)。

（2）基于采空區(qū)自然發(fā)火的多場耦合致因理論，開發(fā)三維仿真軟件，研究停采條件下采空區(qū)自然發(fā)火時空演化規(guī)律，預(yù)測并圈劃高溫危險區(qū)域。

（3）研究開發(fā)采空區(qū)溫度觀測及指標(biāo)氣體收集系統(tǒng)，適用于工作面停采搬家期間實時監(jiān)測采空區(qū)、頂煤的溫度及指標(biāo)氣體濃度變化情況，定位高溫點。

（4）以井下用水為供熱源，研制干冰相變發(fā)生器，實現(xiàn)干冰穩(wěn)定高效相變成二氧化碳?xì)怏w，達(dá)到現(xiàn)場惰化用氣需求量。

（5）合理設(shè)計惰氣注氣方案，研究注氣溫度、壓力、流量、持續(xù)時間等因素對高溫煤體惰化效應(yīng)的影響，評估現(xiàn)場實施效果，優(yōu)化注氣方式和工藝參數(shù)。

3 主要研究成果

（1）研究了四老溝礦煤樣自燃特性參數(shù)

通過測試分析得出四老溝礦煤樣的自燃等級為Ⅱ類；通過煤低溫氧化實驗得出，在溫度較低時，標(biāo)準(zhǔn)耗氧速率增長緩慢，130～150℃時，標(biāo)準(zhǔn)耗氧速率開始增高，150℃左右時，標(biāo)準(zhǔn)耗氧速率變化急速加快，增速明顯增加，開始呈指數(shù)型增長。

圖1 不同濃度CO2下煤樣標(biāo)準(zhǔn)耗氧速率變化圖

圖2 不同濃度CO2下煤樣CO生成速率變化圖

（2）研究了二氧化碳抑制煤自燃的作用機(jī)理

二氧化碳對煤自燃起抑制作用，而不同濃度二氧化碳對煤自燃所起的作用不同。吸附實驗表明，煤對二氧化碳的吸附能力遠(yuǎn)大于氮氣和氧氣；煤的低溫氧化實驗表明，二氧化碳可以有效惰化煤自燃火災(zāi)，在通風(fēng)允許的最大二氧化碳濃度范圍內(nèi)，二氧化碳濃度越高，惰化效果越明顯。

（3）開發(fā)了停采條件下采空區(qū)自燃火災(zāi)演化仿真軟件

提出了采空區(qū)氣體流場、氧濃度場、氣體溫度場和煤巖固體溫度場相耦合的自燃火災(zāi)演化理論，建立了停采條件下采空區(qū)自然發(fā)火數(shù)學(xué)模型，開發(fā)了“停采狀態(tài)下采空區(qū)自然發(fā)火仿真系統(tǒng)”，可預(yù)測停采面采空區(qū)壓力場、氧濃度場和溫度場的分布規(guī)律，圈劃高溫危險區(qū)域，為制定停采面防滅火措施提供理論依據(jù)。

（4）研發(fā)了停采面采空區(qū)溫度觀測系統(tǒng)

自主研發(fā)了“煤礦停采面溫度觀測系統(tǒng)”，該系統(tǒng)由多功能釬桿、溫度探頭、保護(hù)線纜、數(shù)據(jù)采集表等組成，可實現(xiàn)現(xiàn)場溫度探測及氣體采樣功能。設(shè)計了綜放工作面搬家期間定位高溫區(qū)域方案，包括停采面采空區(qū)自然發(fā)火預(yù)測仿真系統(tǒng)和釬桿式溫度觀測及氣體收集系統(tǒng)。以數(shù)值仿真預(yù)測的高溫區(qū)為基礎(chǔ)，通過現(xiàn)場安裝溫度觀測系統(tǒng)，能觀測支架頂部及尾梁后部的煤體溫度變化，從而精準(zhǔn)定位停采面高溫區(qū)。

（5）研制了停采面采空區(qū)干冰相變防滅火系統(tǒng)

研制了綜放工作面撤架期間使用的干冰相變防滅火系統(tǒng)，包括干冰相變發(fā)生器以及適用于具體情況的注氣管路布置工藝。利用模型實驗，研究了干冰相變發(fā)生器的各項性能指標(biāo)、影響因素以及相變速率的控制方法；通過地面樣機(jī)測試，研究了發(fā)生器工作時相變氣體的壓力、產(chǎn)量及溫度等參數(shù)。結(jié)果表明，通過合理布置換熱管路、控制進(jìn)回水溫差，所研制的干冰相變發(fā)生器，其單臺的二氧化碳出氣量達(dá)到0.5 m3/min，持續(xù)注氣時間超過8小時，出氣溫度維持在6～8℃，能滿足現(xiàn)場的用氣及降溫需求，且系統(tǒng)工作期間不使用電源。

（6）形成了綜放面搬家期間采空區(qū)防火技術(shù)裝備體系

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果布置“煤礦停采工作面溫度觀測系統(tǒng)”，通過現(xiàn)場溫度觀測準(zhǔn)確定位停采面高溫區(qū)，安裝干冰相變惰化防滅火系統(tǒng)，向高溫區(qū)煤體注入CO2氣體，并實時監(jiān)測注氣區(qū)煤體溫度和指標(biāo)氣體的變化，優(yōu)化注入方式和參數(shù)。工業(yè)試驗結(jié)果表明，數(shù)值仿真結(jié)合現(xiàn)場溫度觀測的方區(qū)，通過干冰相變惰化裝備可有效降低采空區(qū)溫度，達(dá)到精準(zhǔn)防控遺煤自燃火災(zāi)的目的。

圖3 綜放面搬家期間采空區(qū)防火技術(shù)裝備

4 應(yīng)用效果

項目采取了現(xiàn)場溫度觀測尋找高溫區(qū)域然后注低溫二氧化碳?xì)怏w防治煤自燃的方式，在四老溝礦3-5#煤層8101-1停采面的成功應(yīng)用。大大抑制了停采面自然發(fā)火情況，為類似條件下礦井的安全高效撤架提供了技術(shù)支撐。項目成果經(jīng)中國煤炭協(xié)會鑒定達(dá)到國際先進(jìn)水平。研究成果對大同礦區(qū)類似條件下礦井自然發(fā)火防治具有較強(qiáng)的借鑒意義和參考價值，推廣應(yīng)用前景廣闊。

（供稿：晉能控股山西科學(xué)技術(shù)研究院有限公司同大科技研究院 景珂寧）