采空區(qū)液態(tài)CO2防滅火技術(shù)應(yīng)用

于艷飛，高建峰

（1.朔州市應(yīng)急指揮中心，山西 朔州 036000；2.朔州市應(yīng)急管理綜合行政執(zhí)法隊(duì)，山西 朔州 036000）

1 工程概況

隆安煤業(yè)11304綜采工作面位于礦井東翼的11采區(qū)下部，工作面北為11302采空區(qū)，南為11306未采區(qū)。工作面走向長(zhǎng)度786 m，傾向長(zhǎng)度126 m，主采11號(hào)煤層，煤層厚度3.6～4.5 m，均厚4.2 m。煤層直接頂為砂質(zhì)泥巖與泥巖互層，基本頂為中粒砂巖，底板為炭質(zhì)泥巖及石灰?guī)r。煤層瓦斯含量低，煤塵具有爆炸性，煤層自燃等級(jí)為II級(jí)。工作面回采期間，采用定期向采空區(qū)灑阻燃劑、灑水降溫等措施，但工作面及回風(fēng)流中仍能夠長(zhǎng)期檢測(cè)到CO存在，最高CO濃度檢測(cè)值為21×10-6ppm，平均濃度13×10-6ppm。為防止11304工作面因采空區(qū)自燃，發(fā)生CO濃度偏高影響安全生產(chǎn)事故，采用液態(tài)CO2防滅火技術(shù)進(jìn)行采空區(qū)防滅火。

2 液態(tài)二氧化碳防滅火技術(shù)

2.1 液態(tài)CO2防滅火技術(shù)原理

向回采工作面采空區(qū)內(nèi)注入液態(tài)二氧化碳能夠?qū)Σ煽諈^(qū)內(nèi)的遺留煤體自燃起到良好的抑制作用。其主要作用原理體現(xiàn)在三個(gè)方面，分別是二氧化碳的氣體惰化作用、氣體吸附阻化作用以及降溫冷卻作用[2-6]。

（1）惰化作用：二氧化碳不具可燃性，是一種惰性氣體。在采空區(qū)內(nèi)注入大量二氧化碳后，能夠?qū)Σ煽諈^(qū)內(nèi)的氧氣進(jìn)行有效稀釋，采空區(qū)內(nèi)遺留煤體接觸的氧氣量有效減少，遺煤被充斥在采空區(qū)內(nèi)的大量二氧化碳所覆蓋，從而有效抑制煤體氧化自燃。當(dāng)采空區(qū)內(nèi)氧氣濃度降低在10%以下后，可實(shí)現(xiàn)對(duì)采空區(qū)遺留煤體自燃的有效抑制，當(dāng)采空區(qū)內(nèi)氧氣濃度低于3%時(shí)，可實(shí)現(xiàn)采空區(qū)內(nèi)遺留煤體自燃的完全抑制。

（2）氣體吸附阻化作用：因煤體自身具有一定孔隙，故具備一定的吸附能力。不同氣體在煤體內(nèi)的吸附能力不同，根據(jù)相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究表明，煤體對(duì)不同氣體的吸附能力從高到低排列分別為：CO2＞CH4＞O2＞N2[3]，煤體對(duì)CO2的吸附作用大于惰性氣體N2，且大于O2。因煤體對(duì)CO2的吸附能力較強(qiáng)，故煤體周?chē)腃O2能夠更快地被吸附到煤體孔隙內(nèi)，CO2被吸附進(jìn)煤體孔隙之后，煤體被惰性氣體包裹，從而阻止氧氣的吸附，進(jìn)而抑制煤體的氧化自燃。

（3）降溫冷卻作用：液態(tài)二氧化碳通過(guò)管路注入到采空區(qū)并在采空區(qū)內(nèi)汽化期間，汽化過(guò)程將會(huì)大量吸收采空區(qū)內(nèi)的熱量，從而降低采空區(qū)內(nèi)溫度，實(shí)現(xiàn)有效降溫。據(jù)相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，在采空區(qū)內(nèi)注入一定量液態(tài)二氧化碳后，采空區(qū)內(nèi)溫度普遍降低2℃～4℃。

2.2 液態(tài)CO2防滅火工藝

（1）液態(tài)CO2輸送系統(tǒng)

如何將液態(tài)CO2安全、順利地輸送并注入采空區(qū)內(nèi)，是CO2防滅火工藝的關(guān)鍵技術(shù)，主要需構(gòu)建液態(tài)二氧化碳輸送系統(tǒng)。液態(tài)二氧化碳輸送系統(tǒng)主要包括三個(gè)部分，分別是地面供液裝置部分、輸送管路部分及井下控制部分，其系統(tǒng)布置如圖1所示，圖中P為壓力表、T為溫度計(jì)、Q為流量計(jì)。

圖1 液態(tài)二氧化碳輸送系統(tǒng)布置

將地面槽車(chē)內(nèi)的CO2氣體通過(guò)流量控制閥進(jìn)入增壓裝置，增壓裝置通過(guò)加壓將氣態(tài)的CO2液化為液態(tài)CO2，然后通過(guò)保壓管路經(jīng)巷道或地面鉆孔輸送到井下硐室內(nèi)的控制裝置，最后通過(guò)硐室內(nèi)的控制裝置將液態(tài)CO2輸送到采空區(qū)，實(shí)現(xiàn)液態(tài)CO2從地面到采空區(qū)的輸送。

（2）防滅火工藝

液態(tài)CO2防滅火主要工藝有系統(tǒng)準(zhǔn)備、加壓液化、保壓輸送、壓注滅火、清掃管路等幾個(gè)方面，具體工藝流程如圖2所示。

圖2 液態(tài)CO2防滅火工藝流程

①系統(tǒng)準(zhǔn)備：首先需將壓力表、溫度計(jì)、流量計(jì)按要求安裝至輸送系統(tǒng)管路上，用于監(jiān)測(cè)液態(tài)二氧化碳的流量、溫度及壓力，以保障液態(tài)二氧化碳的保壓輸送，其次是檢查輸送系統(tǒng)各部分的連接氣密性，防止管路漏氣卸壓。

②加壓液化：該工藝為地面增壓裝置通過(guò)加壓將氣態(tài)的CO2液化為液態(tài)CO2，并通過(guò)控壓裝置將輸送壓力控制在1.5～2 MPa之間進(jìn)行保壓輸送。

③保壓輸送：基于氣態(tài)CO2液化為液態(tài)CO2期間的安全及環(huán)境條件考慮，液化工作必須在地面進(jìn)行，故需將液化后的液態(tài)CO2進(jìn)行保壓輸送。在地面控壓裝置控制下，將液態(tài)CO2輸送壓力控制在1.5～2 MPa進(jìn)行輸送期間，井下硐室內(nèi)的控制裝置及注入采空區(qū)處的控制閥門(mén)均需根據(jù)控制處的管路壓力表、溫度計(jì)控制輸送及注入流量，防止液態(tài)CO2提前失壓氣化，確保管路輸送期間均為液態(tài)保壓輸送。

④壓注滅火：在輸送系統(tǒng)的保壓輸送下，將液態(tài)CO2輸送至管路終端控制閥的采空區(qū)注入處，終端控制閥控制液態(tài)CO2壓力在1.5～2 MPa之間注入采空區(qū)，在采空區(qū)內(nèi)氣化，實(shí)現(xiàn)壓注滅火。

⑤清掃管路：每次壓注滅火結(jié)束后，可通過(guò)井下硐室內(nèi)的控制裝置通過(guò)卸壓方式將液態(tài)CO2氣化后清掃管路內(nèi)殘留的液態(tài)CO2，確保停注后輸送管路的安全。

3 防滅火方案設(shè)計(jì)及效果分析

3.1 壓注滅火方案設(shè)計(jì)

11304工作面液態(tài)CO2壓注滅火期間，為保證壓注滅火效果，對(duì)壓注滅火相關(guān)參數(shù)設(shè)計(jì)如下：

（1）輸送管路鋪設(shè)：輸送管路沿11304進(jìn)風(fēng)順槽鋪設(shè)，為保證液態(tài)CO2的保壓輸送安全，從井下控制硐室至工作面控制閥門(mén)段輸送管路一律采用φ150 mm高壓無(wú)縫鋼管，從工作面控制閥門(mén)到采空區(qū)段采用φ100 mm高壓無(wú)縫鋼管。

（2）采空區(qū)預(yù)埋管路：采空區(qū)內(nèi)沿工作面傾斜方向預(yù)埋管路采用φ100 mm的剛性花管。根據(jù)采空區(qū)氣體流場(chǎng)分布規(guī)律，各類氣體濃度偏高位置均為采空區(qū)靠近回風(fēng)巷側(cè)，故預(yù)埋花管長(zhǎng)度為工作面傾斜長(zhǎng)度的一半即可?；ü苈窆荛g距及開(kāi)孔間距根據(jù)注液強(qiáng)度下的擴(kuò)散半徑確定，花管孔位開(kāi)在鋪地后的兩側(cè)（避免堵孔），開(kāi)孔孔徑24 mm。

（3）注液流量計(jì)算

氣態(tài)CO2注入流量根據(jù)工作面風(fēng)量、氧氣濃度進(jìn)行計(jì)算，其計(jì)算公式如下[5]：

式中：Qmax為允許注入的最大液態(tài)CO2流量，m3/min；Qf為工作面平均風(fēng)量，m3/min；C1為工作面氧氣初始濃度，C2為工作面最低要求氧氣濃度。

根據(jù)11304工作面日常風(fēng)量及氧氣監(jiān)測(cè)結(jié)果可知：11304工作面平均風(fēng)量為2 317 m3/min，工作面進(jìn)風(fēng)側(cè)氧氣濃度為20%，采空區(qū)注入液態(tài)CO2后，工作面及其回風(fēng)流中氧氣濃度會(huì)相應(yīng)降低，為安全起見(jiàn)，最低氧氣濃度取值18%，則計(jì)算可得CO2最大注入流量為257.5 m3/min，液態(tài)CO2成為氣態(tài)CO2的膨脹系數(shù)為585，則液態(tài)CO2的注液流量為0.44 m3/min。

（4）埋管及花管開(kāi)孔間距計(jì)算

為確保擴(kuò)散均勻，埋管及花管開(kāi)孔間距均不得大于液態(tài)CO2擴(kuò)散半徑的1倍，在注液流量為0.44 m3/min情況下，φ100 mm的預(yù)埋花管內(nèi)壓強(qiáng)經(jīng)計(jì)算為1.25 MPa，則擴(kuò)散半徑可按下列公式：

式中：R為擴(kuò)散半徑，m；P為花管內(nèi)壓強(qiáng)，1.25 MPa；S1花管面積，0.002 5 m2；D為花管開(kāi)孔直徑，0.024 m；μ為采空區(qū)氣體傳導(dǎo)阻力系數(shù)，根據(jù)相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為0.075；f為液態(tài)CO2膨脹系數(shù)，為585；

將各項(xiàng)參數(shù)代入公式（2）得出擴(kuò)散半徑等于5.7 m，則埋管間距及花管開(kāi)孔間距均不得大于11.4 m，方案確定為10 m。

3.2 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用與效果分析

通過(guò)在11304進(jìn)風(fēng)順槽按設(shè)計(jì)方案鋪設(shè)液態(tài)CO2輸送管路，并在回采期間每隔10 m預(yù)埋注液花管，每次預(yù)埋注液花管后開(kāi)啟上一根預(yù)埋花管，由此循環(huán)向采空區(qū)壓注液態(tài)CO2。同時(shí)在工作面回風(fēng)隅角處布置CO、CO2、O2濃度傳感器進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，以驗(yàn)證防滅火效果，對(duì)前期試驗(yàn)（最大壓注流量0.44 m3/min）監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)繪制變化曲線如圖3所示。

圖3 采空區(qū)液態(tài)CO2壓注下回風(fēng)流氣體變化曲線

據(jù)圖3所示結(jié)果分析可知，在11304工作面采空區(qū)內(nèi)壓注液態(tài)CO2后，前期可見(jiàn)CO及CO2濃度均呈上升狀態(tài)，氧氣濃度呈下降趨勢(shì)，根據(jù)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)可知，CO濃度最高值為20×10-6ppm，CO2濃度最高值為6%，O2濃度最低值為5.8%。隨著液態(tài)CO2的不斷壓注，CO濃度開(kāi)始逐步降低，最終低至3×10-6ppm以下，在CO濃度開(kāi)始降低期間，壓注的液態(tài)CO2流量也隨之降低，O2濃度逐步上升至恢復(fù)正常。該變化趨勢(shì)綜合分析為：前期由于液態(tài)CO2大量注入采空區(qū)，將采空區(qū)內(nèi)CO大量排出，故回風(fēng)隅角CO2及CO濃度呈上升趨勢(shì)；隨著液態(tài)CO2持續(xù)注入，采空區(qū)內(nèi)遺留煤體自燃情況受到抑制，采空區(qū)內(nèi)CO濃度逐步降低，該變化趨勢(shì)充分證明，向采空區(qū)內(nèi)壓注液態(tài)CO2能有效抑制采空區(qū)內(nèi)遺留煤體的氧化自燃。

根據(jù)前期試驗(yàn)情況可知，液態(tài)CO2按最大壓注流量0.44 m3/min壓注下，雖能快速抑制采空區(qū)內(nèi)煤體氧化自燃情況，快速降低CO濃度，但會(huì)造成CO、CO2的大量排出，不利于安全生產(chǎn)。為保證不影響安全生產(chǎn)，在壓注液態(tài)CO2期間，應(yīng)根據(jù)CO濃度的變化情況隨時(shí)調(diào)整液態(tài)CO2的壓注流量，在充分抑制采空區(qū)遺留煤體氧化自燃情況下保證工作面安全生產(chǎn)。

4 結(jié)論

1）對(duì)11304工作面采空區(qū)液態(tài)CO2防滅火方案進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用及效果分析可知，液態(tài)CO2壓注下回風(fēng)流CO濃度由13×10-6ppm降低至3×10-6ppm以下，有效抑制采空區(qū)遺留煤體氧化自燃。

2）針對(duì)液態(tài)CO2壓注期間可能出現(xiàn)的CO及CO2超限情況，提出根據(jù)CO濃度 變化情況調(diào)整液態(tài)CO2的壓注流量控制方案，以保證工作面正常生產(chǎn)。