矿井液态CO2防灭火技术的应用

2021-06-15张杰

煤 2021年6期

张杰

(晋能控股煤业集团口泉煤业有限公司，山西大同 037000)

矿井火灾作为煤矿五大自然灾害之一，长期影响着我国煤矿的安全开采。据统计，在我国受到煤层自燃威胁的矿井大约占70%.煤层自燃会产生高温、明火，与井下煤尘、瓦斯发生作用会引起爆炸，而且煤层自燃过程中将释放大量的CO等有毒有害气体，直接威胁到矿井人员的生命安全[1-2]。目前针对矿井火灾预防及灭火技术主要有：注浆、注氮、注凝胶等常规性措施。在实施过程中发现，采空区注浆，由于受到地质条件影响，浆体流动性受到制约，不能很好地覆盖采空区；采空区注入氮气后，由于围岩存在裂隙、漏风，导致其在采空区滞留时间短，不能达到明显的效果；注凝胶或其他材料成本高，工艺复杂，影响生产。近年来兴起的采空区注入液态CO2对于矿井防灭火效果显著[3-4]。因此本文结合大同某矿井生产实际情况，对CO2防灭火效果进行分析，以期为其他矿井防灭火提供参考。

1 工程概况

山西大同某矿主采8号和12号煤层，其中12号煤层距地表29～360 m，距8号煤层平均为48 m，煤层厚度2.5～12 m，平均6.8 m。8615工作面开采12号煤层，煤厚3.2～7.2 m，平均5.8 m，煤层硬度为3，煤层倾角1～2°，平均1.5°，属稳定煤层。工作面采用放顶煤开采工艺，采高3 m，放煤2.8 m，采放比为1∶0.93。煤层结构简单。老顶为中细砂岩，厚度14.75～31.25 m，平均24.9 m，；直接顶为粉细砂岩，平均5.34 m；直接底为粉细砂岩，厚度2.6～5.46 m，平均3.85 m。12号煤层为自然发火的煤层，自燃倾向性等级为Ⅰ级，煤尘具有爆炸危险性。

当8615工作面回采224 m时，工作人员在回风巷中检测CO浓度为85.2×10-6，通过持续的监测及色谱分析，回风巷中CO、C2H4和C2H6呈持续上升趋势，通过对8615采空区取样监测，采空区CO浓度高达854×10-6，最终确定为采空区煤层自燃，工作面停产封闭，进行灭火作业。

2 煤层自燃原因分析

1) 煤层自燃倾向性。12号煤为Ⅰ类易自燃发火煤层，最短发火期45 d，8615工作面涌水量较大，采空区遗煤受到矿井水浸泡吸氧量增加，导致煤层自燃概率增加。

2) 采空区残留煤体。12号煤采用放顶煤回采工艺，导致大量遗煤进入采空区，为采空区煤层自燃提供了先决条件。

3) 采空区漏风。工作面采空区顶板管理采用自然垮落法，工作面煤层较厚，部分区域在煤层开采后垮落带直通地表，为煤层自燃提供了供氧通道。随着漏风量的增加，煤层自燃发生概率大大增加。

3 CO2防灭火技术

3.1 液态CO2防灭火的机理

为了准确、快速地治理8615工作面采空区着火，经过对各种防灭火措施进行分析，决定采用采空区注液态CO2的防灭火措施。

液态CO2防灭火的作用机理：①降氧、惰化，将大量液压CO2注入采空区后，由于其密度比空气大，可以快速沉入底板表面，挤出多余氧气，从而降低采空区氧气含量，造成采空区火源缺氧窒息；再者进入采空区的CO2可以抑制CO等氧化产物的产生，惰化整个采空区，抑制煤氧复合反应达到灭火效果。②降温，注入采空区的CO2快速气化，体积迅速膨胀，吸附采空区大量热量，起到降温作用最终达到灭火效果。

3.2 液态CO2治理方案

通过地面钻孔与井下铺设的管道进行连接，将液态CO2从地面注入，流程如图1所示。

图1 液态CO2注入流程

在地面提前对液态CO2进行灌装，然后由专用液态CO2槽车运输到指定位置，通过地面增压装置经地面钻孔注入井下存储硐室，利用高压管注入采空区。

3.3 液态CO2注入位置

为了使液态CO2充分扩散至整个采空区，将注入口布置在工作面进风巷一侧，与支架保持合理的距离[5]。具体计算公式如下：

Dmin=WCZ+RC

Dmax=WCO-RC

式中：Dmax，Dmin为CO2注入口距离支架最大和最小距离，m；WCZ为采空区散热带宽度，m；RC为CO2扩散半径，m；WCO为采空区散热带和氧化带宽度之和，m。

根据8615工作面实际情况，WCZ=18.2 m，RC=14.5 m，WCO=128 m带入公式得到，Dmax=113.5 m，Dmin=32.7 m。可见CO2注入口布置在距离工作面支架32.7～113.5 m的区域比较合适。结合现场实际和经验决定注入口布置在距离工作面支架50 m位置处。

3.4 液态CO2注入量

根据工作面氧气浓度对CO2注入量进行计算，具体计算公式如下：

式中：Qf为工作面风量，m3/h;C1为工作面初始氧气浓度，取20.8%；C2为工作面允许氧气浓度，取18%.

8615工作面风量为67 560 m3/h，因此CO2注入最大量为9 094 m3/h，因为液态CO2的膨胀系数为592，因此最终确定CO2注入量15.4 m3/h。

4 工程应用效果分析

为了验证液态CO2灭火效果，特利用采空区埋设的束管对8615工作面采空区CO浓度进行了监测、分析，注液态CO2前后采空区CO浓度变化如图2所示。由图2可知，采空区注入CO2后CO浓度明显降低，注入前CO浓度最大为854×10-6，注入后CO浓度平均为5.8×10-6，降幅为99%。注入后CO浓度从821×10-6迅速降低到了0，之后逐渐升高，最终稳定到了7×10-6左右，充分说明注入液态CO2后，CO2迅速气化，释放到了整个采空区，对CO起到了快速稀释作用，而且CO浓度出现了大幅度下降并趋于稳定，充分说明说明采空区煤层自燃已经熄灭并得到了有效控制。