综采工作面注液态二氧化碳防自然发火技术与实践

刘振伟，邢德栋，李 猛

（兖州煤业股份有限公司杨村煤矿，山东 济宁272118）

1 工作面概述

杨村煤矿330 工作面为底分层限厚开采，为单斜构造，地层走向NE～SW，倾向SE，总体趋势西北部高、东南部低。煤层起伏变化不大，煤层倾角1～6°，平均4°。煤层结构简单，块状，少量粉末状，以亮煤为主，夹少量暗煤，内生裂隙发育。煤层普氏系数（f）一般在1.91 左右，为软～中等硬度煤层。

330 工作面西北临T301 工作面，东南临301、303、305、307 工作面采空区，北临矿井边界保护煤柱（与杨庄煤矿），南临331 工作面，该面内老巷301运顺、303 运顺、303 轨顺、305 运顺、305 运顺联络巷、-190 轨道巷与工作面立交，巷采运煤巷、北总回风巷与工作面平交。

矿井瓦斯等级为低瓦斯矿井，煤层属Ⅱ类自燃煤层，最短自然发火期60 天，煤尘具有爆炸性，爆炸指数35.27%，地温21°C。

2 隐患情况

330 工作面上巷沿空布置，且部分区段只采底分层，采空区内遗煤较多，旋转开采时工作面推进速度慢，易向采空区漏风，采空区内的遗煤容易氧化蓄热，一旦出现自然发火，治理难度大，同时停采回撤期间煤体长期暴露，也给工作面带来安全隐患。

3 工程实例

根据工作面及其周边巷道地质情况，利用对330 工作面采空区灌注液态二氧化碳的措施，进行防灭火控制。

3.1 灌注方案

1）利用轨顺、运顺内的排水管改造为CO2管路，用于压注CO2，管口通过弯头向上增加不小于300mm 的花管，花管上口封死，并固定牢固。

2）液态二氧化碳在地面进行灌装，然后用矿用平板车运至330 轨顺，将液态二氧化碳直接注入于采空区进行防灭火，通过φ50 高压胶管与预先敷设的φ108 钢管连接进行灌注。

3）利用两辆平盘车各装一个液态二氧化碳罐，在一辆向工作面灌注的同时，另一辆上井充装，交替运行。

3.2 操作程序

3.2.1 操作流程相关示意图

见图1、图2 及表1。

3.2.2 储罐充装

1）储罐的充装由液态二氧化碳槽车司机操作。

2）确认置换过的储罐已达到所需纯度标准后，连接充液软管。

3）打开残液阀（V2）和槽车排液阀约三分钟，使输液软管冷却并排除软管内空气后，再关闭残液阀（V2)。

图1 液态二氧化碳防灭火系统工艺流程图

图2 液态二氧化碳罐体示意图

表1 储罐阀门状态表

4）微开进液阀（V1），气体排放阀（V11），压力表、液位计阀（V5）和液体充满指示阀（V9），视情况（连接储罐气相口，使储罐内压力大于1.0MPa.）记录好初始压力值P 和液位计读数L。

5）开始充罐时，气体放空阀（V11）和液体充满指示阀（V9）要控制的很小，待储罐预冷后，可逐渐加大（V1）、（V11）的开度，按一次充灌量2 吨来计算，记录好充罐时间和充罐速度。

6）当有液体从充满指示阀（V9）喷出时，表明储罐已装满，立即关闭储罐进液阀（V1）、槽车排液阀、气体放空阀（V11）、充满指示阀（V9）打开残液排放阀（V2)，泄掉输液管内压力和残留液体后，拆下输液软管和气相软路，充装结束。（通常压力为1.8MPa 左右）。

3.2.3 排液、增压

1）打开液位计、压力表阀（V5）使其投入使用。

2）分别将排液高压胶管和增压回气高压胶管，相应的把储罐和增压汽化器连接好，汽化器排液胶管连接牢固。

3）微开液体排液阀（V3）、增压阀（V6）、回气阀（V7）给增压汽化器一个预冷的时间和一定的压力，过一会后可逐渐开大排液阀（V3）、关闭（V6）、（V7）加快排液速度，当储罐内压力下降到1.0MPa 以下，不符合排液压力要求时，就需要给储罐增压，首先关闭（V7），缓慢打开增压阀（V6）让液体进入增压汽化器，随后打开增压回气阀（V4），给储罐增压。增压过程中要注意观察压力表、液位计、各阀门、接头等处有无跑、冒、漏现象，当增压达到1.8MPa 符合排液压力要求时，关闭增压回气阀（V4）、增压阀（V6）停止增压，打开（V7）继续排液。

4）在排液过程中，一定要随时注意观察液位计、压力表、各阀门及管路，防止有突发情况发生。排液时不得把储罐内的低温液体完全排放干净,必须保留一定余量为下一次充装做准备，通常液位计示值大约在（1.0～1.5kPa）时,关闭排液阀（V3），防止干冰或气体进入空气。

5）管路连接时，在管路中间接三通，三通上口及靠近采空区一侧均安装截止阀。打开三通上口截止阀，关闭靠近采空区一侧截止阀，泄掉排液高压胶管和汽化器内的压力后，拆下排液高压胶管，连接下一罐车或排液结束。

6）填写好排液记录，并妥善保存。

3.3 常见故障分析及处理

1）正常灌注时，管路内会有“呲呲”声，管路上会有白霜出现，若有管路结冰时，“呲呲”声消失，大部分管路白霜会消融，只有结冰点白霜存在，通过此方法找到结冰点进行处理。

2）灌注过程中出现管路结冰后，应立即将排液阀（V3）关闭，找到结冰点后将管路卸开，使干冰自然消融，也可用浇水的方法快速使干冰融化。

3）当发现储罐各阀门及附件有微小泄漏时，应及时检修堵漏，有严重泄漏时，必须将储罐升井后运到人稀、空旷、安全处，逐渐排放并严格监护，排放时人应处于上风口。

4 安全防护

1）操作人员在充装、排液和操作低温储罐时，应带上便于脱下的皮革或石棉胶皮手套；若有产生喷射或飞溅可能时，应带上护目镜或面罩；若有低温液体大量泄漏时，应穿上皮靴，裤腿要套在皮靴外面。

2）在通风不良、有发生窒息危险的场所处理低温液体时，操作人员必须戴上自吸式防护面具，必须有两人以上进行操作处理。

3）操作人员的皮肤因接触低温液体或气体而被冻伤时，应及时把受伤部位放在温水中浸泡和冲洗，切勿干加热，严重的冻伤要迅速到医院治疗。

4）若有操作人员及其他人员，因二氧化碳气体窒息而失去知觉时，应立刻将人移到有新鲜空气处，有呼吸困难时立刻输氧，如有呼吸和心跳停止时，立即进行人工呼吸，并及时送医院治疗。

5）矿用液态二氧化碳防灭火系统严禁超装，本系统充装系数为≤95%。

6）矿用液态二氧化碳防灭火系统，在地面充装液态二氧化碳后严禁长时间存放，以免设备超限后产生危险。

7）矿用液态二氧化碳防灭火系统的充装、卸液等操作人员应熟悉系统使用说明书、工艺流程、各种阀门、仪表的作用及操作程序，并应进行相关操作的业务知识培训，经培训合格后，方能上岗。

5 治理效果

1）利用KJ90X 安全监测系统，加强气体日常检查，331 工作面（原330 工作面）皮带输送机头CO持续60 天传感器监测数据均正常，见图3。

2）利用JSG- 7 型束管监测系统，定期观测沿空侧有害气体和温度变化。二氧化碳进入采空区域可以很好地降低该区域氧气浓度, 低温的惰性气体吸收热量降低周围煤体的温度,同时会有一定量的惰性气体渗入煤体裂隙表面,阻止氧气的进入,大大减小煤的吸氧量,从而降低氧化速度,阻止煤自燃发生。

图3 330 工作面回风巷一氧化碳监测

通过预防性注胶注浆、注二氧化碳等防灭火措施，通过人工取样，工作面回风隅角气体取样分析正 常，CO=0ppm，CO2=0.07% ，CH4=0.00% ，O2=20.21%，各项管控措施落实到位，隐患治理正常。

6 结 语

防治矿井煤炭自燃发火是井工煤矿生产面临的一大难题，通常煤矿井下防治自然发火的防灭火方法主要有注水、注浆、注凝胶、喷浆、堵漏、均压调风、封闭火区等。目前，我国煤矿井下自然发火常用的防灭火方法是采用注氮技术。但矿用氮气灭火设备价格高。

本次工程实际采用的灌注液态二氧化碳防灭火技术，现场防灭火预防效果好，操作简单，且价格低廉，适合有防灭火需求的各类矿井推广使用。