采空区自燃火灾演化及干冰相变惰化防控成套技术装备

研发起止时间：2019.6~2021.4

完成单位：晋能控股煤业集团有限公司、中国矿业大学（北京）、晋能控股山西科学技术研究院有限公司、大同煤炭职业技术学院

成果水平：国际先进

1 项目背景

该项目于2021年4月通过了中国煤炭工业协会组织的科技成果鉴定，研究成果为国际先进水平。

大同矿区发生过多次自然发火事故，发火地点多为综采工作面和综放工作面的采空区，而综放工作面在停采搬家期间发火频次尤为明显，此前采用注水、限风等防灭火技术，但是注水会造成工作面漫水、恶化工作环境，停止注水后温度会迅速回升；采取限风措施时，工作面风量由于现场瓦斯浓度的限制也不能大幅度地降低。且由于采空区分布广阔、自燃危险区域隐蔽性很强等原因，在实际应用中防灭火措施存在一定的盲目性、片面性，取得的防控效果均不理想。因此，如何有效防治停采搬家期间的采空区自燃火灾，是大同矿区目前亟需解决的安全难题之一。为此，本项目探讨了停采期间采空区自燃火灾影响因素，揭示多场耦合时空演化规律，停采面温度观测，定位高温区域。研制干冰相变发生器，制定惰性气体注入高温区域技术方案，以发挥惰性气体吸热、隔氧、惰化等作用，达到有效预防工作面停采搬家期间采空区自燃火灾的目的。项目研究成果能有力保障工作面搬家安全，对于大同矿区各矿井安全生产具有重要意义。

2 研究内容

（1）研究二氧化碳与氧气在煤体中的竞争吸附机制，揭示二氧化碳抑制煤自燃的作用机理，建立煤温、氧气及二氧化碳气体等耦合作用下的煤氧化速率模型，提出合理的二氧化碳惰化浓度指标。

（2）基于采空区自然发火的多场耦合致因理论，开发三维仿真软件，研究停采条件下采空区自然发火时空演化规律，预测并圈划高温危险区域。

（3）研究开发采空区温度观测及指标气体收集系统，适用于工作面停采搬家期间实时监测采空区、顶煤的温度及指标气体浓度变化情况，定位高温点。

（4）以井下用水为供热源，研制干冰相变发生器，实现干冰稳定高效相变成二氧化碳气体，达到现场惰化用气需求量。

（5）合理设计惰气注气方案，研究注气温度、压力、流量、持续时间等因素对高温煤体惰化效应的影响，评估现场实施效果，优化注气方式和工艺参数。

3 主要研究成果

（1）研究了四老沟矿煤样自燃特性参数

通过测试分析得出四老沟矿煤样的自燃等级为Ⅱ类；通过煤低温氧化实验得出，在温度较低时，标准耗氧速率增长缓慢，130～150℃时，标准耗氧速率开始增高，150℃左右时，标准耗氧速率变化急速加快，增速明显增加，开始呈指数型增长。

图1 不同浓度CO2下煤样标准耗氧速率变化图

图2 不同浓度CO2下煤样CO生成速率变化图

（2）研究了二氧化碳抑制煤自燃的作用机理

二氧化碳对煤自燃起抑制作用，而不同浓度二氧化碳对煤自燃所起的作用不同。吸附实验表明，煤对二氧化碳的吸附能力远大于氮气和氧气；煤的低温氧化实验表明，二氧化碳可以有效惰化煤自燃火灾，在通风允许的最大二氧化碳浓度范围内，二氧化碳浓度越高，惰化效果越明显。

（3）开发了停采条件下采空区自燃火灾演化仿真软件

提出了采空区气体流场、氧浓度场、气体温度场和煤岩固体温度场相耦合的自燃火灾演化理论，建立了停采条件下采空区自然发火数学模型，开发了“停采状态下采空区自然发火仿真系统”，可预测停采面采空区压力场、氧浓度场和温度场的分布规律，圈划高温危险区域，为制定停采面防灭火措施提供理论依据。

（4）研发了停采面采空区温度观测系统

自主研发了“煤矿停采面温度观测系统”，该系统由多功能钎杆、温度探头、保护线缆、数据采集表等组成，可实现现场温度探测及气体采样功能。设计了综放工作面搬家期间定位高温区域方案，包括停采面采空区自然发火预测仿真系统和钎杆式温度观测及气体收集系统。以数值仿真预测的高温区为基础，通过现场安装温度观测系统，能观测支架顶部及尾梁后部的煤体温度变化，从而精准定位停采面高温区。

（5）研制了停采面采空区干冰相变防灭火系统

研制了综放工作面撤架期间使用的干冰相变防灭火系统，包括干冰相变发生器以及适用于具体情况的注气管路布置工艺。利用模型实验，研究了干冰相变发生器的各项性能指标、影响因素以及相变速率的控制方法；通过地面样机测试，研究了发生器工作时相变气体的压力、产量及温度等参数。结果表明，通过合理布置换热管路、控制进回水温差，所研制的干冰相变发生器，其单台的二氧化碳出气量达到0.5 m3/min，持续注气时间超过8小时，出气温度维持在6～8℃，能满足现场的用气及降温需求，且系统工作期间不使用电源。

（6）形成了综放面搬家期间采空区防火技术装备体系

根据数值模拟结果布置“煤矿停采工作面温度观测系统”，通过现场温度观测准确定位停采面高温区，安装干冰相变惰化防灭火系统，向高温区煤体注入CO2气体，并实时监测注气区煤体温度和指标气体的变化，优化注入方式和参数。工业试验结果表明，数值仿真结合现场温度观测的方区，通过干冰相变惰化装备可有效降低采空区温度，达到精准防控遗煤自燃火灾的目的。

图3 综放面搬家期间采空区防火技术装备

4 应用效果

项目采取了现场温度观测寻找高温区域然后注低温二氧化碳气体防治煤自燃的方式，在四老沟矿3-5#煤层8101-1停采面的成功应用。大大抑制了停采面自然发火情况，为类似条件下矿井的安全高效撤架提供了技术支撑。项目成果经中国煤炭协会鉴定达到国际先进水平。研究成果对大同矿区类似条件下矿井自然发火防治具有较强的借鉴意义和参考价值，推广应用前景广阔。

（供稿：晋能控股山西科学技术研究院有限公司同大科技研究院 景珂宁）