采空区注二氧化碳防治煤炭自燃应用研究

牛振磊,程根银,董 旗，周逸飞,唐晶晶

(1. 华北科技学院 安全工程学院, 北京 东燕郊 065201 2. 上海大屯能源股份有限公司姚桥煤矿，江苏 徐州 221600)

采空区注二氧化碳防治煤炭自燃应用研究

牛振磊1,程根银1,董 旗2，周逸飞1,唐晶晶1

(1. 华北科技学院 安全工程学院, 北京 东燕郊 065201 2. 上海大屯能源股份有限公司姚桥煤矿，江苏 徐州 221600)

为预防姚桥煤矿7271工作面遗煤自燃并为其它工作面防火工作提供参考，通过向采空区压注二氧化碳并利用束管监测系统进行气体浓度监测，得到压注后的采空区二氧化碳分布情况和自燃三带分布情况。整理并分析数据后得出：压注后的二氧化碳从注入口扩散蔓延至回风隅角附近，能有效覆盖采空区；压注后自燃三带中氧化带宽度为23 m。综合分析得出，对7271工作面采空区压注二氧化碳气体可以有效防治遗煤自燃。

采空区；二氧化碳；自燃三带

0 引言

对采空区遗煤自燃的防治一直是煤矿安全生产过程中的难题，当采空区有自燃征兆或发生火灾后，向火区压注惰性气体是比较常见的防灭火方法。由于二氧化碳对煤炭氧化自燃有较好的抑制和惰化作用，并且具有安全性高、惰化快、成本低等特点，近年来广泛应用于采空区遗煤自燃的治理[1,2]。

在注CO2防灭火方面，李士戎通过二氧化碳抑制煤炭氧化自燃性能的实验研究，为进一步揭示二氧化碳防灭火机理提供了相关的基础数据，并为二氧化碳防灭火技术的开发与应用提供了理论依据。王国旗、邓军、张辛亥等采用数值模拟的方法，研究了注常温CO2出口不同位置、不同流量时综放采空区自燃“三带”的分布规律。宋宜猛在采空区注N2量计算式的基础上推导了火区防火时注入低温CO2量的计算式，并类推了注入口位置等参数。

1 采空区注二氧化碳防灭火机理

采空区注二氧化碳防灭火技术的应用主要基于二氧化碳的惰化和降温两大特性。一方面，二氧化碳的相对分子质量高于空气分子，当大量二氧化碳注入到采空区后，在自重的作用下，二氧化碳对煤体形成覆盖，对采空区内氧气等气体形成挤出效应；并且大量注入的二氧化碳增加了采空区气体静压，从而降低了采空区的漏风量，使采空区氧气浓度有所下降，实现了对采空区煤体的惰化。另一方面，液态二氧化碳在气化过程中会从环境中吸收大量的热量，降低了采空区周围环境的温度，抑制了煤的氧化反应速度[3,4]。

2 二氧化碳现场压注工艺

2.1 二氧化碳压注方式

姚桥煤矿7271综采放顶煤工作面位于矿区西九采区，煤层自燃倾向等级为II类，煤层为自燃煤层，煤尘具有爆炸危险性。7271工作面走向长度358 m，倾向长度260 m，煤层倾角平均6°，煤层平均厚度为4.9 m，割煤高度为2.5 m。回采期间采区U型通风方式，材料道进风，溜子道回风，平均配风量约1293 m3/min。

在二氧化碳防灭火过程中，压注工艺主要分为井下移动式压注和地面液态压注[5,6]。7271工作面采空区防火过程利用地面压注方式将大量二氧化碳输送至采空区。通过将二氧化碳运输罐车连接EDM1000二氧化碳惰性防灭火装置(如图1)，利用注浆管路将液态二氧化碳气化后注入到采空区，从而抑制采空区煤炭自燃。二氧化碳压注管路采用钢管材质(管路尺寸为内径80 mm、外径89 mm)，采空区共铺设三趟措施管，其中运输顺槽铺设两趟，一趟沿材料道上帮到切眼里侧帮往下敷设100 m，出口距离切眼上口100 m，距离顶板3 m，距离底板0 m，距帮0.3 m；另一趟管路出口在切眼上口，距离顶板3 m，距离底板0 m，距帮0.5 m。回风顺槽铺设一趟管路，出口在切眼下口，距离顶板3 m，距离顶板0 m，距离帮0.5 m。实际压注过程中，二氧化碳注入流量控制在0.4～1.5 m3/h之间，根据管路口埋深及回风隅角二氧化碳溢出情况确定压注流量，当埋深50 m以上时流量为1.0 m3/小时，30～50 m流量为0.5～0.7 m3/小时，超过70 m流量为1.4 m3/小时左右。

图1 EDM1000二氧化碳惰性防灭火装置

2.2 采空区注二氧化碳监测

目前对采空区气体成分及含量的监测主要是使用束管监测系统进行气样采集，利用气相色谱仪进行分析，该系统可以测量采空区注入二氧化碳后各测点处气体成分浓度的变化情况。将矿用束管一端与采样点连接，另一端与抽气泵连接，通过电机带动抽气泵将预设抽采点的气体抽出，抽出的气样使用矿用采样球胆收集。

2.3 采样点布置方式及监测方法

通过在姚桥矿7271工作面回风顺槽和进风顺槽预埋束管进行采空区气体监测。采空区内的束管采样点布置位置见图2，在切眼位置共布置2个采样点，其中，靠近材料道侧切眼内50 m处设置1个采样点，由3芯束管取样，编号为：1#；靠近溜子道侧位于切眼与溜子道交界处设置1个采样点，由3芯束管取样，编号为：2#。

除了在开切眼位置布置测点外，当开采到30 m处随着采煤工作面的推进，在工作面回风隅角位置及回风隅角靠近采空区内都设置了临时取样点，收集并记录回风隅角处的二氧化碳浓度变化。

二氧化碳压注点选择在材料道(进风)一侧切眼上口位置，当工作面推进到30 m的位置进行CO2压注。束管检测路线及装置铺设完成后，随着7271工作面回采进行，现场检测人员按时采用抽气泵对采空区测点进行气样采集，采集的气体注入球形气囊进行密封。每次采样之前，抽气泵的的抽气时间不小于10 min，采集完成后立即将气样送至地面矿方色谱分析仪处进行分析[7,8]。

3 压注效果分析

3.1 二氧化碳压注效果分析

9月30日当工作面推进至距开切眼30 m处，连续压注二氧化碳17吨，压注后对各采样点所测二氧化碳浓度数据收集并整理如下：

图2 测点位置示意图

图3 1#点CO2浓度变化

图4 2#点CO2浓度变化

图5 回风隅角CO2浓度变化

图6 回风隅角角管内CO2浓度变化

分析1#、2#、回风隅角及回风隅角管内测点CO2的变化情况，可以发现：

(1) 由于本次CO2释放口位置位于材料道切眼处，所以1#测点处的CO2浓度变化较为明显，从9月30日开始实施压注开始到10月3日期间，该测点的CO2浓度基本保持在1%以上。

(2) 根据2#点的CO2浓度变化规律发现，该测点的CO2浓度虽然随着工作面推进浓度有所变化，但都不超过0.3%。这是因为7271工作面从切眼处要经过一段俯采段，7271工作面溜子道俯采段约109 m，材料道俯采段约139 m，溜子道最大俯采角度13°，材料道最大俯采角度8°。俯采导致CO2注入后，不仅要向采空区靠近溜子道测蔓延，也容易向着工作面方向蔓延，并且CO2的相对分子质量要大于空气的相对分子量，使得这种蔓延趋势更加明显。7271工作面长度255 m，使该测点距离材料道侧的CO2释放口距离较远。综合以上因素，导致2#测点CO2浓度变化不明显。

(3) 工作面回风隅角处监测得到的CO2浓度范围主要在0.6%附近，只有在上部CO2释放口开始注入时，下隅角CO2浓度才有所上升，最高时达到1%，之后便有所下降，不影响采掘工作面人员安全生产。回风隅角管内测点即靠近工作面的采空区内部所测CO2浓度，随着CO2压注的进行从0.65%上升至1.71%，压注之后浓度逐渐下降，但浓度仍然保持在1%以上。回风隅角及回风隅角管内所测的CO2浓度变化说明位于材料道切眼口的CO2释放口压注CO2后，CO2气体经过整个采空区的蔓延，到达工作面采空区的边缘位置，并且随着工作面的推进CO2气体不断向前蔓延延伸。

(4) 压注CO2期间，7271工作面回风顺槽、回风隅角的氧气浓度仍然保持在20%左右，与新鲜风量中的氧气浓度一致，即压注CO2并未影响采掘工作面的安全生产。

3.2 压注后自燃三带分布范围

采空区束管监测点的氧气浓度随着采样点进入采空区距离的增大而逐渐下降，由于压注CO2导致采空区内压增大且漏风减小，当采样点进入采空区36 m左右范围氧气浓度就降到18%以下。随着采样点埋深越来越大，采空区内压增大，采空区压实程度增大且漏风减少，氧气浓度快速下降，当采样点距离工作面50 m左右，氧气浓度下降到9.05%，根据所测采样点氧气浓度变化可以拟合得到测点氧浓度随工作面推进的变化情况。

图7 测点氧气浓度随工作面距离变化拟合图

依据采空区自燃“三带”划分标准[9]，可知：工作面至采空区34 m为散热带；采空区后方34～57 m范围为氧化升温带；采空区距工作面大于57 m的范围为窒息带。根据已有数据，未进行注惰气时自燃三带中氧化带范围为45～88 m，相比之下，注二氧化碳后氧化带宽度减小了20 m。

表1 工作面压注CO2采空区自燃“三带”分布

4 结论

(1) 对7271工作面压注二氧化碳后，二氧化碳浓度在1#测点和回风隅角处附近变化明显，说明二氧化碳从释放口扩散蔓延至整个采空区，可以有效覆盖采空区遗煤。

(2) 注二氧化碳前氧化带范围为45～88 m，注气之后氧化带范围缩小至34～57 m，对比发现注二氧化碳后氧化带宽度减小了20 m，缩短了遗煤从氧化带进入窒息带的距离及时间，有利于抑制煤炭自燃，说明向采空区压注二氧化对预防遗煤自燃是有效的。

(3) 采空区注入二氧化碳后，会改变采空区原有流场分布，减少采空区深部漏风、降低氧气浓度；压注二氧化碳流量的变化必然影响采空区三带分布。随着压注流量增大，采空区自燃带会逐渐向工作面方向移动、且宽度逐渐减小，所有可以适当增大二氧化碳压注流量来提高防治遗煤自燃的效果。

[1] 刘赛,刘福义,王刚,等. 矿井采空区CO2防灭火技术发展展望[J]. 煤炭技术,2014,33(06):7-9.

[2] 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.

[3] 李波,牛振磊,程根银. 深部矿井综放工作面压注二氧化碳防灭火应用研究[J]. 华北科技学院学报,2016,13(05):19-22.

[4] 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,2014,40(04):106-109.

[6] 张超. 高瓦斯易自燃煤层采空区CO2防灭火技术研究[D]. 太原理工大学,2015.

[7] 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,2016,16(01):29-32.

[8] 曹磊. 大倾角煤层二氧化碳防灭火采空区流场分布规律模拟研究[D].四川师范大学,2015.

[9] 谢军,薛生. 综放采空区空间自燃三带划分指标及方法研究[J]. 煤炭科学技术,2011,39(01):65-68.

Applicationofcarbondioxideinjectioningoaftopreventspontaneouscombustionofcoal

NIU Zhen-lei1, CHENG Gen-yin1, DONG Qi2,ZHOU Yi-fei1, TANG Jing-jing1

(1.SchoolofSafetyEngineering,NorthChinaInstituteofScienceandTechnology,Yanjiao, 065201,China,2.YaoqiaoCoalMine,ShanghaiDatunEnergyCo.,Ltd.,Xuzhou,221600,China)

In order to prevent spontaneous combustion of residual coal in No.7271 working face of Yaoqiao Coal Mine and to provide reference for fire prevention work of other working face, through injecting carbon dioxide into the goaf and monitoring the gas concentration with the beam tube monitoring system, the distribution of carbon dioxide in the goaf and the distribution of the three zones of spontaneous combustion are obtained after the injection. After finishing and analyzing the data, it is concluded that the pressure injected carbon dioxide spreads from the injection port to the corner of the return air and can effectively cover the mined out area; after the injection, the width of the oxidation zone in the three spontaneous combustion zone is 23m. Comprehensive analysis shows that injecting carbon dioxide gas into goaf of No.7271 working face can effectively prevent spontaneous combustion of residual coal.

goaf; carbon dioxide; spontaneous combustion three zones

2017-08-17

中央高校基本科研业务费资助(3142017039)

牛振磊(1991-)，男，山西忻州人，华北科技学院在读硕士研究生。E-mail：446125529@qq.com

TD712

A

1672-7169(2017)05-0012-05

10.7666/d.d223650.