浅谈采空区滞留干冰防止遗煤自燃技术

一、采空区滞留干冰防止遗煤自燃机理

干冰是二氧化碳的固相状态，不透明的块状结晶，呈雪白色，无光泽。在一个大气压下，干冰的温度为-78.9℃；常温下，干冰直接升华为二氧化碳气体，而不会变为液体。干冰的密度约为1500～1700kg/m3，由不同的加工方式决定。

干冰降温作为一种有效的降温冷却方法，能够比其他方法更快的降低周围温度，效果明显，可靠度高。干冰已被广泛的用于食品冷藏、人工降雨、生物制药、消防灭火等行业中。

由于干冰自身的物理化学性质，以及二氧化碳气体对煤物理吸附氧过程的抑制作用，应用干冰进行遗煤自燃的防治，具有特殊的优势。干冰防止遗煤自燃的机理主要体现在冷却、覆盖隔氧、吸附惰化三个方面。

1、干冰冷却机理

干冰在常压的温度为-78.9℃，其汽化潛热为573kJ/kg。干冰具有很大的吸热能力，是一种优秀的冷却剂。干冰的吸热能力是水冰的2倍，且远大于液氮的吸热能力。干冰由-78.9℃升华为0℃的二氧化碳气体时，其吸取的热量为636KJ/kg；而液氮由-196℃升华为0℃的氮气时，吸收的热量仅为420KJ/kg，仅为干冰吸收热量的三分之二。因此，同质量的干冰和液氮，干冰能够吸收更多的热量用于升华，而能更快的降低周围环境的温度。

利用干冰的冷却作用，将其应用于采空区，防止遗煤自燃的发生。其主要作用机理为：

将干冰放入采空区后，干冰由于自身的升华作用，吸收大量的热量，使周围的空气甚至遗煤的温度迅速下降，在采空区中形成以放置干冰的为中心的低温区。由于热交换的作用，低温区不断的吸收周围环境的热量，使低温的区域不断扩大。

低温的气体在采空区中渗流扩散，低温气体会和发生氧化的煤产生热交换，不断的将煤氧化产生的热量带走。干冰的存在使采空区内的遗煤散失掉的热量大于自身氧化生成的热量，破坏了遗煤蓄热升温的条件，使遗煤的温度不能因升高而出现高温点，缩小了采空区氧化升温带的范围，控制遗煤自然发火的发生。

2、干冰覆盖隔氧机理

标准状态下，二氧化碳气体的密度为1.96g/l，氮气的密度为1.25g/l，氧气的密度为1.43g/l。二氧化碳气体的密度约是相同条件下氮气密度的1.5倍，也远大于氧气的密度。在密闭的空间，二氧化碳、氧气、氮气等混合气体长期处于稳定状态时，在自身重力的作用下，二氧化碳气体会逐渐下沉降到该空间底部，混合气体会出现一定的浓度分层。

采空区是一个特殊的空间，由于遗煤氧化升温，使采空区划分为自燃“三带”，即散热带、氧化升温带和窒息带。散热带漏风量大，漏风风速大于0.24m/min，煤氧化的产生的热量被漏风带走；而氧化升温带漏风量很小，漏风风速为0.1～0.24m/min，煤氧化产生的热量大于散失的热量；窒息带的漏风量几乎没有，漏风风速小于0.1m/min，煤因缺氧而不能氧化升温。

3、干冰吸附惰化机理

干冰升华后的二氧化碳释气体，在漏风流的带动下，通过渗流扩散充满采空区。由于煤对二氧化碳的吸附能力和速度都大大优于其它气体，且吸附较稳定，随着压力升高，其选择性吸附能力增加。因此，当存在一定浓度的二氧化碳时，二氧化碳会与氧气争夺活性点，势必会影响煤氧吸附过程。

二氧化碳对煤氧吸附的影响主要体现在物理吸附阶段，煤表面有残余力场需要吸附气体分子时，二氧化碳分子会挤占氧分子而优先吸附在煤表面，占据氧吸附的空位，由于二氧化碳吸附稳定，大量的二氧化碳分子被煤吸附，对煤体形成包裹，使氧吸附量减少，进而减少煤氧的化学吸附和化学反应，导致煤体因缺氧而停止氧化，抑制煤氧化自燃的发生。

二、该技术的应用

李阳煤矿生产能力为120万t/a技改矿井，采用中央并列式通风方式，根据2013年矿井瓦斯等级鉴定，矿井绝对瓦斯涌出量为8.43m3/min，相对瓦斯涌出量为12.14m3/t。目前主采15号煤层，该煤层瓦斯含量较高，属容易自燃煤层，有煤尘爆炸。150112工作面是一采区实施综采放顶煤回采工艺的第一个工作面，工作面产度为144m，巷道长度为980m，平均厚度为5.68m，采高2.6m，

15112综放工作面下隅角放置干冰，在漏风流的带动下，通过渗流扩散充满采空区。利用干冰的冷却机理、覆盖隔氧机理、及吸附惰化机理完成采空区的防灭火工作。作为注浆、注氮、喷洒阻化剂等综合防灭火措施的辅助措施，在局部运用中，起到了显著的效果。通过干冰储存释放装置将干冰放置到采空区后，干冰升华成气态二氧化碳，降低采空区温度，同时二氧化碳抑制采空区浮煤氧化自燃，有效防止采空区遗煤自燃的发生。

三、采用干冰后措施后的效果分析

通过束管监测和人工取样分析，工作面内的CO浓度从2013年11月3日开始呈现明显下降趋势，在上隅角、回风巷、尾巷，高抽巷进行监测，分别由原来平均的21ppm、20ppm、20ppm、15ppm。下降到平均10ppm、12ppm、10ppm、7ppm。持续时间稳定在干冰利用期间的一个星期内，CO下降率达到50%。

四、结语

⑴对于有自燃发火危险源的煤矿，必须高度重视防灭火工作的理论研究、现场有关危险源的临界状态量的研究、三带的划分、割煤的速度等有效的综合防范措施，使矿井防灭火工作纳入科学管理的范畴。

⑵分析监测数据知：150112工作面在滞留干冰期间CO%下降率达到50%。尤其在局部运用中，起到了综合防灭火补充效果。

⑶研发出符合现场实际的采空区滞留干冰防止煤层自燃技术，其成果将会给同类条件下的煤矿安全生产提供有益的借鉴和可靠的技术保证，也会大大降低生产成本，具有推广应用前景。

参考文献

[1]俞启香。矿井灾害防治理论与技术。徐州：中国矿业大学出版社，2008.

[2]张国枢、骆大勇。采空区遗煤自燃发火影响因素分析。煤炭科技，2010，29（11）：83-84，90.

[3]孙久政。液态二氧化碳防灭火技术在东荣二矿应用，陕西煤炭，2006，（6）：52-53.

作者简介：宋灵感（1986- ）男，助理工程师，山西神达煤业集团有限公司。endprint