液態(tài)CO2防滅火技術(shù)在泰山隆安煤礦11303綜采工作面中的應(yīng)用

白艷飛

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)泰山隆安煤礦，山西 保德 036600）

1 工程概況

泰山隆安煤礦11303綜采工作面位于該礦南三采區(qū)，北部為集中回風(fēng)下山，南部為實(shí)體煤，東部為實(shí)體煤，西部為未開采區(qū)。工作面設(shè)計走向長為1 103 m，工作面長度237.8 m，開采煤層為11號煤層，平均煤層厚度2.2 m，煤層平均傾角2°～8°。煤層頂?shù)装迩闆r見表1。

表1 11303綜采工作面煤層頂?shù)装迩闆r表

根據(jù)工作面地質(zhì)資料分析，工作面絕對瓦斯涌出量3.28 m3/min，相對瓦斯涌出量0.62 m3/t，煤塵爆炸性指數(shù)為13.53 %，具有爆炸性，煤自燃傾向性等級屬于II類，為自燃煤層，最短自然發(fā)火期為80 d。工作面回采期間，采空區(qū)遺煤容易發(fā)生自燃，給工作面安全生產(chǎn)帶來較大威脅。為防止采空區(qū)遺煤自燃造成的災(zāi)害事故，結(jié)合工作面現(xiàn)場實(shí)際情況，研究提出向工作面采空區(qū)注入液態(tài)CO2方案，防止采空區(qū)遺煤自燃，為工作面安全高效生產(chǎn)提供保障。

2 液態(tài)CO2防滅火基本原理及施工工藝

2.1 液態(tài)CO2防滅火基本原理

由于惰性氣體分子結(jié)構(gòu)非常穩(wěn)定，在常溫常壓情況下一般不會與其接觸的物質(zhì)產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，當(dāng)向工作面采空區(qū)內(nèi)注入惰性氣體時，惰性氣體會將采空區(qū)內(nèi)的氧氣驅(qū)離從而使其濃度降低，當(dāng)氧氣濃度降低至5%以下時，采空區(qū)內(nèi)遺落的煤炭氧化速度將會因氧氣濃度不足而得到抑制和減緩[1-2]，隨著惰性氣體不斷注入，當(dāng)氧氣濃度降低到3 %以下時，采空區(qū)內(nèi)的遺煤氧化自燃現(xiàn)象將會得到完全抑制。

液態(tài)CO2防滅火作用機(jī)理與上述分析的惰性氣體基本相似，且液態(tài)CO2更易吸附在煤巖體表面，因此在不斷向工作面采空區(qū)內(nèi)輸入液態(tài)CO2時，液態(tài)CO2會逐漸向工作面采空區(qū)內(nèi)煤巖體裂隙內(nèi)滲入，進(jìn)而將煤體表面上的氧氣驅(qū)離并吸附在煤體表面，使煤體表面吸附的O2含量大幅度減少，從而達(dá)到減緩或抑制采空區(qū)內(nèi)遺煤自燃的效果[3-4]。液態(tài)CO2驅(qū)離替換煤體表面O2作用原理如圖1所示。

圖1 CO2驅(qū)離替換煤體表面O2作用原理示意圖

2.2 液態(tài)CO2防滅火施工工藝

該礦井綜采工作面采用移動式礦用液態(tài)二氧化碳防滅火裝備系統(tǒng)向工作面采空區(qū)內(nèi)注入液態(tài)CO2進(jìn)行采空區(qū)防滅火。組成該裝備系統(tǒng)主要裝置有液態(tài)CO2儲存罐、運(yùn)輸槽車、自動泵送增壓裝置、安全器件等，其中液態(tài)CO2儲存罐用于盛裝液態(tài)CO2，運(yùn)輸槽車主要擔(dān)負(fù)運(yùn)輸任務(wù)，自動泵送增壓裝置對儲存罐實(shí)施增壓，閥門主要用于對槽車內(nèi)CO2壓力進(jìn)行調(diào)節(jié)，安全閥監(jiān)控設(shè)備運(yùn)行的安全狀況。

移動式礦用液態(tài)二氧化碳防滅火系統(tǒng)施工工藝系統(tǒng)主要分為生產(chǎn)系統(tǒng)和輔助系統(tǒng)兩部分[5-6]，其中生產(chǎn)系統(tǒng)包括CO2儲液罐和防爆液相膠管，輔助系統(tǒng)主要包括自熱式氣化器、自動增壓裝置和防爆氣凝膠管。其具體操作工藝流程如圖2所示。

圖2 移動式礦用液態(tài)二氧化碳防滅火系統(tǒng)施工工藝流程圖

在向工作面采空區(qū)注入液態(tài)CO2時，當(dāng)液態(tài)CO2被從儲液罐內(nèi)輸出后，由于受到氣溫升溫變化影響出現(xiàn)氣化而造成其體積發(fā)生急劇膨脹，在管路中傳輸過程中容易堵塞管路從而對系統(tǒng)裝置造成安全隱患；同時在進(jìn)行注液CO2作業(yè)時，要保證釋放速度均勻一致，需在槽車與輸送管路連接處安裝逆止閥和泄壓閥；另外，在向工作面采空區(qū)內(nèi)進(jìn)行液態(tài)CO2注入作業(yè)時，有可能出現(xiàn)火災(zāi)區(qū)域內(nèi)的有毒有害氣體從采空區(qū)溢出，從而造成液態(tài)CO2也隨之大量向外涌出問題。針對上述分析存在的問題，在采用液態(tài)CO2直注式防滅火工藝對工作面采空區(qū)進(jìn)行防滅火作業(yè)時，應(yīng)采取如下安全技術(shù)措施[7-9]：

1）在向采空區(qū)火災(zāi)區(qū)域注液態(tài)CO2作業(yè)時，首先要使用CO2對整個輸送管路沖刷一遍，將管路內(nèi)的O2全部排出后再進(jìn)行CO2注入作業(yè)。

2）在對火災(zāi)區(qū)域的氣體進(jìn)行排放時，回風(fēng)側(cè)瓦斯、CO濃度會不斷增大，因此在排放前必須先將工作面回風(fēng)側(cè)的所有電器設(shè)備切斷電源，并且禁止人員進(jìn)入回風(fēng)側(cè)區(qū)域內(nèi)。

3）在向工作面采空區(qū)進(jìn)行注入作業(yè)期間，應(yīng)采用指標(biāo)氣體監(jiān)測法對工作面采空區(qū)內(nèi)遺煤自然發(fā)火情況進(jìn)行動態(tài)監(jiān)測，實(shí)時掌握采空區(qū)遺煤自燃情況。

3 工作面防滅火實(shí)施方案

3.1 工作面采空區(qū)灌注液態(tài)CO2防滅火實(shí)施方案

在11303工作面鄰近的11305運(yùn)輸順槽向11303工作面采空區(qū)施工液態(tài)CO2灌注鉆孔，鉆孔施工位置相對滯后11303工作面切眼30 m，共計施工3個鉆孔，鉆孔間距5 m，鉆孔設(shè)計深度60 m，終孔位置在工作面煤層頂板上方5 m。鉆孔具體施工參數(shù)如表2所示，鉆孔平面布置圖如圖3所示。在采用移動式礦用液態(tài)二氧化碳防滅火裝備系統(tǒng)對工作面采空區(qū)灌注液態(tài)CO2時，裝備輸出口壓力值設(shè)置為1.0～2.0 MPa，出口輸出流量設(shè)置為0.8～4.0 t/h。

圖3 工作面采空區(qū)灌注CO2鉆孔施工平面布置圖

表2 11303工作面采空區(qū)灌注CO2鉆孔施工參數(shù)表

3.2 工作面采空區(qū)指標(biāo)氣體監(jiān)測方案

在11303工作面向采空區(qū)實(shí)施注入液態(tài)CO2作業(yè)進(jìn)行防滅火時，為及時監(jiān)測到采空區(qū)溫度和氣體濃度變化情況，在工作面回采過程中通過將鋼管和束管埋設(shè)在工作面上下順槽、隅角及液壓支架后方采空區(qū)內(nèi)，通過束管采集采空區(qū)氣體進(jìn)行氣體濃度監(jiān)測和氣相測普分析，同時通過埋管真空泵和預(yù)埋熱電阻法抽采采空區(qū)氣體進(jìn)行分析和測定氣體成分。在工作面進(jìn)風(fēng)順槽和回風(fēng)順槽每間隔50 m設(shè)置1個測點(diǎn)，共計布置6個測點(diǎn)，每個測點(diǎn)處安裝1個監(jiān)測探頭，測點(diǎn)布置情況如圖4所示。

圖4 工作面監(jiān)測點(diǎn)布置方式示意圖

工作面埋設(shè)的管路為2寸鋼管，同時在鋼管內(nèi)安裝3根φ6 mm的束管，每根束管負(fù)責(zé)1個測點(diǎn)位置處的氣體監(jiān)測。通過2寸鋼管將束管、監(jiān)測線和溫度測量探頭伸入到工作面采空區(qū)內(nèi)，溫度測量探頭在插入管內(nèi)后將其尾部向上抬起0.5 m，并保證與束管進(jìn)氣口平齊，具體安裝布置如圖5所示。工作面支架后方測點(diǎn)布置在進(jìn)風(fēng)巷和回風(fēng)巷采空區(qū)靠近煤壁位置，各測點(diǎn)間距50 m。

圖5 工作面監(jiān)測探頭布置方式示意圖

4 應(yīng)用效果分析

在11303工作面采空區(qū)內(nèi)的3個灌注鉆孔完成施工后，采用JMR-1000型礦用井下移動式液態(tài)CO2防滅火裝備系統(tǒng)充裝完液態(tài)CO2后，將其運(yùn)送到11305運(yùn)輸巷灌注鉆孔位置，使用φ32 mm高壓膠管將鉆孔與滅火系統(tǒng)連接好后，開啟閥門進(jìn)行灌注作業(yè)。9月25日0:00開始進(jìn)行灌注作業(yè)，8:00灌注作業(yè)結(jié)束，通過對灌注作業(yè)的各項參數(shù)進(jìn)行記錄，得到的具體參數(shù)如表3所示。通過統(tǒng)計，采空區(qū)灌注的液態(tài)CO2共計8.4 t，其膨脹比為1∶640，氣化后的CO2體積為5 376 m3。

表3 11303工作面采空區(qū)鉆孔灌注CO2作業(yè)參數(shù)情況

通過灌注鉆孔向11303工作面采空區(qū)注入液態(tài)CO2后,利用1-6號監(jiān)測點(diǎn)對工作面采空區(qū)O2和CO濃度變化情況進(jìn)行監(jiān)測，將監(jiān)測到的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理后，繪制如圖6所示的變化曲線。

根據(jù)圖6（a）分析可知，當(dāng)向采空區(qū)內(nèi)注入的液態(tài)CO2量逐漸增加時，各測點(diǎn)的O2濃度均呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢，其中由于1號和4號測點(diǎn)均處于工作面采空區(qū)深部區(qū)域，距離灌注鉆孔終孔位置較近，在液態(tài)CO2注入1 h后，該2個測點(diǎn)處的O2濃度開始逐漸減小，在8 h后該2個測點(diǎn)區(qū)域的O2濃度分別降低至1.6 %和1.8 %；2號測點(diǎn)處于工作面進(jìn)風(fēng)側(cè)采空區(qū)內(nèi)散熱帶和窒息帶交界區(qū)域，該測點(diǎn)區(qū)域范圍內(nèi)的O2濃度8 h后降到最小值為13.8 %；由于3號和6號測點(diǎn)距離灌注鉆孔終孔位置距離較遠(yuǎn)，該2處測點(diǎn)區(qū)域范圍內(nèi)的O2濃度減小變化趨勢較為緩慢，在灌注液態(tài)CO28 h后，3號測點(diǎn)區(qū)域的O2濃度由灌注液態(tài)CO2前的23 %降低至20.2 %，6號測點(diǎn)區(qū)域范圍內(nèi)的O2濃度由灌注液態(tài)CO2前的21.3%最終降低至19.5%。

圖6 工作面采空區(qū)灌注CO2后O2和CO濃度變化曲線圖

根據(jù)圖6（b）分析可知，當(dāng)不斷向工作面采空區(qū)注入液態(tài)CO2時，隨著液態(tài)CO2氣化后在采空區(qū)內(nèi)擴(kuò)散范圍逐漸增大，各個測點(diǎn)采空區(qū)內(nèi)的CO濃度均呈現(xiàn)明顯下降趨勢，其中在工作面采空區(qū)中部和深部區(qū)域范圍內(nèi)CO濃度下降幅度最大，在灌注液態(tài)CO2時間8 h后，最終1-6號CO濃度下降至125～270×10-6，達(dá)到了合理的濃度控制范圍。

同時通過測溫探頭對工作面上隅角及回風(fēng)流中空氣溫度進(jìn)行監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，工作面采空區(qū)在灌注液態(tài)CO2后，工作面上隅角的溫度由灌注前的37℃下降至25.5℃，回風(fēng)流中溫度由灌注前的35℃下降至26℃。綜上分析可知，11303工作面在采取采空區(qū)灌注液態(tài)CO2進(jìn)行防滅火措施后，采空區(qū)遺煤氧化自燃升溫現(xiàn)象得到了有效抑制，采空區(qū)實(shí)現(xiàn)了安全高效開采。

5 結(jié)論

通過對液態(tài)CO2防滅火基本原理進(jìn)行分析，并結(jié)合11303工作面煤層地質(zhì)條件及采空區(qū)特征，制定了工作面采空區(qū)灌注液態(tài)CO2防滅火方案和采空區(qū)指標(biāo)氣體監(jiān)測方案。在11303工作面進(jìn)行現(xiàn)場實(shí)施后，根據(jù)對采空區(qū)內(nèi)O2和CO濃度變化情況及工作面上隅角和回風(fēng)流中溫度變化進(jìn)行監(jiān)測結(jié)果分析表明，該方案能夠有效抑制工作面采空區(qū)遺煤氧化自燃，為工作面安全高效生產(chǎn)提供保障。