大平煤矿3111回采面采空区注CO2抑制煤自燃应用研究

岳 鹏，韩晓莉

(1.山西大平煤业有限公司，山西 长治 046203；2.山西惠丰特种汽车有限公司，山西 长治 046203)

煤炭自燃是影响矿工生命安全和煤矿企业安全生产的重要威胁之一[1]。目前多采用注氮气、凝胶、黄泥浆等方法防治煤炭自燃。其中，注液态CO2的防治方法近年来受到较多关注。二氧化碳的比重比空气大，所以当CO2注入采空区后可快速沉积于底板，隔绝煤表面的氧气，阻止煤氧化自燃，针对采空区抑制遗煤氧化自燃效果相对更好。本文以大平矿3111采煤面采空区为例，介绍了液态CO2防灭火装置及其应用参数，测定了其防治煤自燃的效果，为其他采空区类似条件防灭火工作提供了参考。

1 3111采煤工作面概况

山西大平煤矿井田属于山西沁水煤田，煤矿可采储量为3 582万t。3111工作面煤层倾斜和走向长度分别为192 m和1 670 m，厚度为6.19 m，面积为320 640 m2，全煤，局部含1层0.1～0.2 m的夹矸。采用工作面运输巷进风、回风巷回风的上行U型通风方式。走向长壁综采一次采全高后退式回采，顶板全部冒落。煤种为贫煤，水分为0.72%，灰分为14.25%，挥发分为14.75%，硫分为0.31%，发热量为35.12 MJ/kg(不含顶、底矸和夹矸)。

2 二氧化碳防灭火技术

2.1 二氧化碳防灭火机理

二氧化碳在常温、常压下是无色略带酸味的窒息性气体，它在不同的压力、温度条件下有气、液、固三种形态，不燃烧，不助燃，当空气中二氧化碳的浓度超过29.2%时，就能使燃烧熄灭；熔点-56.6 ℃(526.9 kPa)，临界温度31.3 ℃，临界压力为7 376.5 kPa[2]。液态CO2防灭火技术就是借助液态CO2汽化后本身的气体压力输送至防灭火的区域，利用CO2的防灭火性能对火区进行降温和惰化[3]。液态CO2的性质见表1。

表1 液态CO2基本特征

2.2 灭火注二氧化碳流量

用于扑灭火区的CO2气量主要取决于发火区域的几何形状、空间大小、漏风量、火源范围和燃烧时间的长短等因素[4]。

1) 扑灭巷道火灾所需CO2气量主要按空间量及漏风量计算，试验表明，灭火用CO2量为空间体积的1.5倍。

2) 采空区根据氧气浓度计算扑灭采空区火灾所需CO2气量，按下式进行估算[4]：

式中：QCO2为注CO2量，m3；V0为火区体积，m3；C1为火区原始氧浓度，取12%；C2为注CO2区域达到的氧浓度，取5%.

2.3 注CO2防灭火装备

液态CO2汽化灌注装备由特制液体二氧化碳运输挂车、矿用空气加热式液态二氧化碳汽化器、矿用气电式液体加热式汽化器等设备组成[5]。液态CO2经空气加热式汽化器和气电式液体加热式汽化器两步气化后充分汽化成为气体，再经过变压、稳压过程使其成为可灌充的气态CO2，再经管道注入井下，实现灭火的目的。

图1 煤矿用液态CO2汽化灌注装备

工作原理是利用液体二氧化碳在减压提温的情况下，会由液态转化为气态。调压稳压装置则是把气体二氧化碳从高压力转换成较低压力，并稳定此压力以符合井下有关管道的压力要求(见表2)。

表2 注CO2装置技术特征

该装备可使液态二氧化碳从地面实施井下防灭火。由化工厂调来的液体二氧化碳，通过转贮、汽化、稳压过程，转换成适度压力的气态二氧化碳，然后依靠煤矿地面通入井下的有关管道注入井下火区或高温点，达到抑制瓦斯爆炸、防止火势蔓延扑灭火灾的目的。该装置产气量大，每小时可往井下灌注3 000 m3二氧化碳气体，操作简便、安全且原料成本低。

2.4 井下注二氧化碳设备及数量

1) 工作流程：利用上述液态二氧化碳运输装置将灌装液态二氧化碳运至井口，利用移动式防灭火装置运送至工作面运输巷，利用原注氮管路与CPW-2.0矿用移动式液态二氧化碳防灭火装置连接，每20 m设1个三通拨头，当三通拨头进入工作面采空区后，即开始灌注液态CO2。

2) 主要参数：液态CO2温度：-26～-30 ℃；液态二氧化碳灌注设备出口压力：0.8～2.0 MPa；流量：0.5～4.0 t/h；最大耐压：3 MPa；出口温度：-30～-20 ℃；输送距离：>2 km。二氧化碳灌注流量大，对采空区内部煤炭自燃隔绝氧气及降温效果明显。操作时直接向采空区内灌注液态二氧化碳，利用其汽化过程中的压力沿管路压入防灭火区域。压注量为1.0 t/h，至工作面回采结束共灌注146车，累计292 t，向采空区共灌注了186 880 m3气态CO2。

3 灭火效果分析

向3111工作面采空区灌注液态CO2后，用采空区铺设的束管监测系统测定了采空区在进风巷、回风巷一氧化碳和氧气的浓度。监测结果显示，采空区内部靠近进风巷的氧气浓度随束管深度的增加而减小，深度为30～66 m时O2浓度为18%～10%，属于氧化自燃带，超过66 m为窒息带；回风侧采空区氧化带范围为10～32 m，窒息带范围为32 m之后。未灌注液态CO2时，采空区进风侧59～105 m处为氧化带，深度超过105 m处为窒息带；采空区回风侧40～81 m为自燃带，81 m之后为窒息带。可以看出，灌注液态CO2以后，进风侧氧化带宽度减少了10 m，而回风侧则减少了19 m，显著缩小了自燃发火范围。

4 结 语

液态CO2方便运输，汽化后能够快速沉积，隔绝底板处煤与氧气，快速阻止煤炭自燃。本文研究了液态二氧化碳防灭火装备工况参数，并向采空区灌注液态CO2，实际测定其防灭火效果。测试结果表明，采空区进风侧氧化带宽度与未采取任何措施时相比减少了10 m，回风侧减少了19 m，氧化自燃发火范围显著降低。