采空区液态CO2防灭火技术应用

于艳飞，高建峰

（1.朔州市应急指挥中心，山西 朔州 036000；2.朔州市应急管理综合行政执法队，山西 朔州 036000）

1 工程概况

隆安煤业11304综采工作面位于矿井东翼的11采区下部，工作面北为11302采空区，南为11306未采区。工作面走向长度786 m，倾向长度126 m，主采11号煤层，煤层厚度3.6～4.5 m，均厚4.2 m。煤层直接顶为砂质泥岩与泥岩互层，基本顶为中粒砂岩，底板为炭质泥岩及石灰岩。煤层瓦斯含量低，煤尘具有爆炸性，煤层自燃等级为II级。工作面回采期间，采用定期向采空区洒阻燃剂、洒水降温等措施，但工作面及回风流中仍能够长期检测到CO存在，最高CO浓度检测值为21×10-6ppm，平均浓度13×10-6ppm。为防止11304工作面因采空区自燃，发生CO浓度偏高影响安全生产事故，采用液态CO2防灭火技术进行采空区防灭火。

2 液态二氧化碳防灭火技术

2.1 液态CO2防灭火技术原理

向回采工作面采空区内注入液态二氧化碳能够对采空区内的遗留煤体自燃起到良好的抑制作用。其主要作用原理体现在三个方面，分别是二氧化碳的气体惰化作用、气体吸附阻化作用以及降温冷却作用[2-6]。

（1）惰化作用：二氧化碳不具可燃性，是一种惰性气体。在采空区内注入大量二氧化碳后，能够对采空区内的氧气进行有效稀释，采空区内遗留煤体接触的氧气量有效减少，遗煤被充斥在采空区内的大量二氧化碳所覆盖，从而有效抑制煤体氧化自燃。当采空区内氧气浓度降低在10%以下后，可实现对采空区遗留煤体自燃的有效抑制，当采空区内氧气浓度低于3%时，可实现采空区内遗留煤体自燃的完全抑制。

（2）气体吸附阻化作用：因煤体自身具有一定孔隙，故具备一定的吸附能力。不同气体在煤体内的吸附能力不同，根据相关实验研究表明，煤体对不同气体的吸附能力从高到低排列分别为：CO2＞CH4＞O2＞N2[3]，煤体对CO2的吸附作用大于惰性气体N2，且大于O2。因煤体对CO2的吸附能力较强，故煤体周围的CO2能够更快地被吸附到煤体孔隙内，CO2被吸附进煤体孔隙之后，煤体被惰性气体包裹，从而阻止氧气的吸附，进而抑制煤体的氧化自燃。

（3）降温冷却作用：液态二氧化碳通过管路注入到采空区并在采空区内汽化期间，汽化过程将会大量吸收采空区内的热量，从而降低采空区内温度，实现有效降温。据相关实验数据表明，在采空区内注入一定量液态二氧化碳后，采空区内温度普遍降低2℃～4℃。

2.2 液态CO2防灭火工艺

（1）液态CO2输送系统

如何将液态CO2安全、顺利地输送并注入采空区内，是CO2防灭火工艺的关键技术，主要需构建液态二氧化碳输送系统。液态二氧化碳输送系统主要包括三个部分，分别是地面供液装置部分、输送管路部分及井下控制部分，其系统布置如图1所示，图中P为压力表、T为温度计、Q为流量计。

图1 液态二氧化碳输送系统布置

将地面槽车内的CO2气体通过流量控制阀进入增压装置，增压装置通过加压将气态的CO2液化为液态CO2，然后通过保压管路经巷道或地面钻孔输送到井下硐室内的控制装置，最后通过硐室内的控制装置将液态CO2输送到采空区，实现液态CO2从地面到采空区的输送。

（2）防灭火工艺

液态CO2防灭火主要工艺有系统准备、加压液化、保压输送、压注灭火、清扫管路等几个方面，具体工艺流程如图2所示。

图2 液态CO2防灭火工艺流程

①系统准备：首先需将压力表、温度计、流量计按要求安装至输送系统管路上，用于监测液态二氧化碳的流量、温度及压力，以保障液态二氧化碳的保压输送，其次是检查输送系统各部分的连接气密性，防止管路漏气卸压。

②加压液化：该工艺为地面增压装置通过加压将气态的CO2液化为液态CO2，并通过控压装置将输送压力控制在1.5～2 MPa之间进行保压输送。

③保压输送：基于气态CO2液化为液态CO2期间的安全及环境条件考虑，液化工作必须在地面进行，故需将液化后的液态CO2进行保压输送。在地面控压装置控制下，将液态CO2输送压力控制在1.5～2 MPa进行输送期间，井下硐室内的控制装置及注入采空区处的控制阀门均需根据控制处的管路压力表、温度计控制输送及注入流量，防止液态CO2提前失压气化，确保管路输送期间均为液态保压输送。

④压注灭火：在输送系统的保压输送下，将液态CO2输送至管路终端控制阀的采空区注入处，终端控制阀控制液态CO2压力在1.5～2 MPa之间注入采空区，在采空区内气化，实现压注灭火。

⑤清扫管路：每次压注灭火结束后，可通过井下硐室内的控制装置通过卸压方式将液态CO2气化后清扫管路内残留的液态CO2，确保停注后输送管路的安全。

3 防灭火方案设计及效果分析

3.1 压注灭火方案设计

11304工作面液态CO2压注灭火期间，为保证压注灭火效果，对压注灭火相关参数设计如下：

（1）输送管路铺设：输送管路沿11304进风顺槽铺设，为保证液态CO2的保压输送安全，从井下控制硐室至工作面控制阀门段输送管路一律采用φ150 mm高压无缝钢管，从工作面控制阀门到采空区段采用φ100 mm高压无缝钢管。

（2）采空区预埋管路：采空区内沿工作面倾斜方向预埋管路采用φ100 mm的刚性花管。根据采空区气体流场分布规律，各类气体浓度偏高位置均为采空区靠近回风巷侧，故预埋花管长度为工作面倾斜长度的一半即可。花管埋管间距及开孔间距根据注液强度下的扩散半径确定，花管孔位开在铺地后的两侧（避免堵孔），开孔孔径24 mm。

（3）注液流量计算

气态CO2注入流量根据工作面风量、氧气浓度进行计算，其计算公式如下[5]：

式中：Qmax为允许注入的最大液态CO2流量，m3/min；Qf为工作面平均风量，m3/min；C1为工作面氧气初始浓度，C2为工作面最低要求氧气浓度。

根据11304工作面日常风量及氧气监测结果可知：11304工作面平均风量为2 317 m3/min，工作面进风侧氧气浓度为20%，采空区注入液态CO2后，工作面及其回风流中氧气浓度会相应降低，为安全起见，最低氧气浓度取值18%，则计算可得CO2最大注入流量为257.5 m3/min，液态CO2成为气态CO2的膨胀系数为585，则液态CO2的注液流量为0.44 m3/min。

（4）埋管及花管开孔间距计算

为确保扩散均匀，埋管及花管开孔间距均不得大于液态CO2扩散半径的1倍，在注液流量为0.44 m3/min情况下，φ100 mm的预埋花管内压强经计算为1.25 MPa，则扩散半径可按下列公式：

式中：R为扩散半径，m；P为花管内压强，1.25 MPa；S1花管面积，0.002 5 m2；D为花管开孔直径，0.024 m；μ为采空区气体传导阻力系数，根据相关实验数据为0.075；f为液态CO2膨胀系数，为585；

将各项参数代入公式（2）得出扩散半径等于5.7 m，则埋管间距及花管开孔间距均不得大于11.4 m，方案确定为10 m。

3.2 现场应用与效果分析

通过在11304进风顺槽按设计方案铺设液态CO2输送管路，并在回采期间每隔10 m预埋注液花管，每次预埋注液花管后开启上一根预埋花管，由此循环向采空区压注液态CO2。同时在工作面回风隅角处布置CO、CO2、O2浓度传感器进行实时监测，以验证防灭火效果，对前期试验（最大压注流量0.44 m3/min）监测数据绘制变化曲线如图3所示。

图3 采空区液态CO2压注下回风流气体变化曲线

据图3所示结果分析可知，在11304工作面采空区内压注液态CO2后，前期可见CO及CO2浓度均呈上升状态，氧气浓度呈下降趋势，根据监控数据可知，CO浓度最高值为20×10-6ppm，CO2浓度最高值为6%，O2浓度最低值为5.8%。随着液态CO2的不断压注，CO浓度开始逐步降低，最终低至3×10-6ppm以下，在CO浓度开始降低期间，压注的液态CO2流量也随之降低，O2浓度逐步上升至恢复正常。该变化趋势综合分析为：前期由于液态CO2大量注入采空区，将采空区内CO大量排出，故回风隅角CO2及CO浓度呈上升趋势；随着液态CO2持续注入，采空区内遗留煤体自燃情况受到抑制，采空区内CO浓度逐步降低，该变化趋势充分证明，向采空区内压注液态CO2能有效抑制采空区内遗留煤体的氧化自燃。

根据前期试验情况可知，液态CO2按最大压注流量0.44 m3/min压注下，虽能快速抑制采空区内煤体氧化自燃情况，快速降低CO浓度，但会造成CO、CO2的大量排出，不利于安全生产。为保证不影响安全生产，在压注液态CO2期间，应根据CO浓度的变化情况随时调整液态CO2的压注流量，在充分抑制采空区遗留煤体氧化自燃情况下保证工作面安全生产。

4 结论

1）对11304工作面采空区液态CO2防灭火方案进行了设计，并通过现场应用及效果分析可知，液态CO2压注下回风流CO浓度由13×10-6ppm降低至3×10-6ppm以下，有效抑制采空区遗留煤体氧化自燃。

2）针对液态CO2压注期间可能出现的CO及CO2超限情况，提出根据CO浓度 变化情况调整液态CO2的压注流量控制方案，以保证工作面正常生产。