深部矿井综放工作面压注二氧化碳防灭火应用研究

李 波,牛振磊,程根银

(1.上海大屯能源股份有限公司姚桥煤矿， 江苏 徐州 221600；2.华北科技学院，北京 东燕郊 101601)

深部矿井综放工作面压注二氧化碳防灭火应用研究

李 波1,牛振磊2,程根银2

(1.上海大屯能源股份有限公司姚桥煤矿， 江苏 徐州 221600；2.华北科技学院，北京 东燕郊 101601)

随着矿井开采深度逐渐增加，矿压和地温显著增高，为了防止深部矿井煤炭自然发火引发事故，根据姚桥煤矿7541综放工作面实际情况，提出了回采中压注CO2惰性气体防灭火措施。通过在7541综放工作面现场应用，防止了煤炭自然发火事故，保证了矿井的安全生产，为今后的防灭火工作提供了新的方法和经验。

深部矿井；自然发火；综合防灭火

0 引言

随着矿井开采深度的不断增加，复杂的地热及地质条件影响着深部矿井开采的防灭火工作，矿井深部防灭火成为矿井正常安全生产、企业发展的关键。综采放顶煤由于厚煤层一次性开采，采空区遗留浮煤多，巷道沿煤层底板掘进，顶煤较厚，自燃火灾尤其严重，矿井火灾已成为制约深部矿井综放无煤柱开采高产高效和安全生产的关键问题之一[1-5]。

姚桥煤矿在江苏省沛县和山东省微山县境内，位于大屯矿区东部。井田面积大，主采煤层为7#、8#煤层，煤层赋存稳定、厚度较大、倾角平缓，开采条件较好，采煤方法主要为综合机械化放顶煤开采。现生产水平为-400 m、-650 m，开拓水平为-850 m。论文研究的7541工作面是目前姚桥煤矿建矿以来防灭火难度最高、投入最多、耗时最长的一个采煤工作面。

1 7541综放工作面概况及发火隐患

1.1 7541工作面概况

7541综放面位于东七采区下部，走向长度763 m，倾向长度185.5 m；煤层倾角为2～14°，自然发火期为1～3个月，属中硬煤层。该工作面共发现断层14条，均为正断层，走向为北东向和北西向，落差大于2 m的断层有3条，对回采影响较大，即f605∠70°、H=7.0 m,f605-1∠55°、H=7.0 m,f606∠50°、 H=3.5 m;工作面整体形态为宽缓向斜构造，向西倾伏，北翼倾角为3～14°，南翼倾角为2～8°。工作面采用U形通风方式，计划配风量924 m3/min,巷道沿煤层底板布置，材料道为进风巷，溜子道为回风巷，工作面为下行风。

图1 7541综放面平面图

1.2 工作面发火隐患

(1) 7541工作面煤质容易发生自燃，在通风通畅的条件下破碎煤体内部温度十天内便会达到50摄氏度，如果条件具备自然发火期会缩短至15～20天。

(2) 受f605、f605-1、f606断层的影响，在掘进期间确定了断层与切眼之间7#、8#煤层联采，材料道联采长度约为200 m，溜子道联采长度约为380米。7#煤平均厚度为5.4 m，8#煤平均厚度4.6 m，7#、8#煤之间夹矸在1～2 m之间，当割煤高度为2.5 m 时，双煤层联合回采期间放煤高度达8 m，放煤时很容易将夹矸误认为7#煤顶板，致使采空区留有大量煤炭，给煤炭自然发火留下隐患。

(3) 7541工作面自回采开始到CO气体急剧升高，50天时间材料道推进76 m，溜子道推进65 m，平均每天进尺不足1.5 m；另外受机电设备影响，回采初期机电设备故障多，特别是后部溜子链轮和链条之间的配合不合适，经常发生跳链现象，并且后部溜子经常压死，因此过多采用低速运煤，推进速度慢也为煤炭自然增加了隐患。

2 7541工作面压注CO2现场应用

2.1 采空区压注CO2防灭火机理

采空区CO2防灭火主要利用了CO2淹没覆盖、堕化、降温、抑爆的特性。由于采空区火源点一般位于一侧的中、下部，在控制漏风的前提下，采空区压注高浓度的CO2气体后会对原有采空区内气体形成了挤出效应，CO2在自身重力作用下，对煤体形成淹没覆盖，阻隔了采空区气体中氧气、水蒸气等与煤体的持续性接触，并且少量被媒体吸附的O2随着煤体的氧化而耗尽，最终实现对煤体的堕化。液态CO2气化过程中会从周围介质吸收大量热量，降低周围介质的温度，减缓了煤的升温速度，促使煤的氧化反应由于聚热条件的破坏而延缓或终止[6]。

2.2 压注CO2惰性气体

采用在地面将液态CO2直接汽化成CO2气体的方法，经由预埋的注浆管路输送到采空区防灭火地点[7]，压注方式如图2。

图2 CO2压注方式图

考虑到风流由进风巷流入工作面，沿工作面进风隅角渗入采空区，自采空区沿回风隅角渗出采空区，且工作面为下行通风，为减少耗CO2气体量，快速灭火，使CO2气体在火区内用最短的路线到达火点[8]，冲淡火区O2含量，窒熄火源，将压注CO2气体释放口布置在作面进风隅角。在进风侧埋设了2趟管路，出口距工作面分别为50 m和80 m， 这样既能保证防灭火效果，又不会导致CO2气体外溢到工作面。在压注流量方面，根据埋管深度及以往压注经验，通过调整阀门，将压注流量定为1吨/小时。

2.3 压注效果

7541工作面从正式回采到材料道推进12.7 m时下隅角开始出现一氧化碳气体，浓度为10 ppm；当材料道推进46 m，溜子道推进32 m时下隅角一氧化碳气体浓度增加到30 ppm，开始采取常规注浆措施，因工作面一直处于俯采状态而无法达到预期目的；当材料道推进66 m，溜子道推进72 m时下隅角一氧化碳气体浓度达到400 ppm，转载机机尾处一氧化碳浓度更是高达1000 ppm，回风流一氧化碳浓度为45 ppm，随即利用东一风井向7541采空区压注二氧化碳惰性气体，经过连续3天的压注下隅角一氧化碳浓度降低到120 ppm，回风流一氧化碳浓度降到11 ppm，压注效果明显。

此外利用Fluent模拟软件分别模拟了压注CO2气体前后的采空区“三带”分布规律，如图3，图4。

图3 CO2压注前采空区三带分布

图4 CO2压注后采空区三带分布

对比分析可得：在未压注CO2气体的情况下，工作面风流最远可渗入采空区约180 m处。采空区内的氧化带宽度约为30 m，冷却带的范围较大。压注CO2气体后，采空区内的氧气体积分数分布发生明显的变化，氧化带、冷却带的范围被大幅压缩，约为采空区内90 m处，窒息带的范围有明显的扩大。说明采空区压注CO2惰性气体可以明显降低采空区氧气含量，抑制采空区遗煤氧化，保证工作面安全生产[9]。

3 结论

(1) 通过对7541工作面采空区的治理，验证了深部矿井压注CO2防灭火的可行性，压注CO2惰性气体能够有效地降低采空区高温点或火区氧气含量及一氧化碳含量，是一种快速有效的深部矿井综放工作面防灭火技术。

(2) 压注CO2防灭火要合理选择释放口和压注流量。进风侧一般设置两路，出口距工作面分别为50～60 m和80～90 m为宜，如果无法保证管口到工作面距离时就要埋设3趟管路，每趟管路间隔30～40 m陆续拆开，并增加三通阀门，铺设管路至少要增加1～2组三通阀门，来满足压注的灵活性。根据埋管的深度来控制流量，当埋管深度超过100 m时每小时压注1.2～1.4吨，70 m～100 m时应控制在1吨/小时。

[1] 宋宜猛.采空区液态二氧化碳惰化降温防灭火技术研究[J].中国煤炭,2014(04):106-109.

[2] 芮君.矿井易自燃煤层综合防灭火措施的应用[J].科技风,2013(08):95-96.

[3] 李加彬.深部高温超长综放工作面防灭火分析与探讨[J].山东煤炭科技,2010(03):170-172.

[4] 曹凯.综放采空区遗煤自然发火规律及高效防治技术[D].中国矿业大学,2013.

[5] 余陶,卢平,姚尚文,等.易自燃大采高工作面采空区注二氧化碳自燃区域分布规律研究[J].安全与环境学报,2016(01):29-32.

[6] 刘赛,刘福义,王刚,等.矿井采空区CO_2防灭火技术发展展望[J].煤炭技术,2014(06):7-9.

[7] 韩刚,刘生玉.液态二氧化碳灭火技术在实践中的应用[J].煤炭技术,2009(04):107-109.

[8] 齐更亮,路拴成.浅谈液态二氧化碳在防治采空区煤炭自燃中的应用[J].煤矿现代化,2009(06):42-43.

[9] 王国旗,邓军,张辛亥,等.综放采空区二氧化碳防灭火参数确定[J].辽宁工程技术大学学报(自然科学版),2009(02):169-172.

Application and research on CO2pressure injection to prevent fire in fully mechanized caving face in deep mine

LI Bo1,NIU Zhen-lei2,CHENG Gen-yin2

(1.YaoqiaoCoalMine,ShanghaiDatunenergyCo.,Ltd.,Xuzhou,221600,China;2.NorthChinaInstituteofScienceandTechnology,Yanjiao,101601,China)

With the gradual growth of mining depth and the significant increase of mine pressure and temperature,in order to prevent accidents in deep mine coal caused by spontaneous combustion,according to the actual condition of 7541 fully mechanized top coal caving face of Yaoqiao Coal Mine,CO2pressure injection is proposed before mining to prevent fire.Its field application in 7541 mining face prevented accidents of coal spontaneous combustion,ensuring the work safety of coal mine,and providing new methods and experience for the fire prevention in the future.

deep mine; spontaneous combustion; compound fire prevention

2016-08-26

国家自然科学基金联合基金项目资助(U1361130)

李波(1975-)，男，内蒙古赤峰人，大学毕业，上海大屯能源股份有限公司姚桥煤矿高级工程师，研究方向：煤矿开采、一通三防。E-mail：lbdm_001@163.com

TD752

A

1672-7169(2016)05-0019-04