液態二氧化碳滅火技術在同忻礦8101工作面中的應用

摘 要：監測發現同忻礦8101工作面氣體濃度異常，在采取其他滅火技術治理采空區后，氣體濃度和溫度達不到安全的范圍。通過分析高瓦斯工作面的特點，采用液態二氧化碳滅火技術對本工作面進行二次處理，選擇用二氧化碳滅火系統，由先前的高位鉆孔送到工作面采空區，使封閉火區的氣體在很短的時間里下降到安全范圍。結果表明，二氧化碳滅火技術及其系統對礦井火災有滅火速度快，成本低，對設備無損害，恢復生產容易的優點。

關鍵詞：液態CO2；防滅火系統；惰化；煤氧復合；降溫

引言

在我國國有重點煤礦中，有 56%以上的礦井都存在自燃發火危險，由煤炭自燃而引起的火災占礦井火災總數的 90% 以上[1]，近年來，綜放頂煤開采技術的廣泛應用提高了煤礦生產率，但由于該技術大量冒落煤體，使采空區遺煤多、漏風嚴重，使得煤礦自燃發火頻繁發生，已成為制約礦井安全生產的主要因素之一[2]，此外，我國的高瓦斯礦井普遍采用抽放瓦斯治理技術，使原來賦存有瓦斯的煤層及其孔隙中吸附空氣，同時抽放瓦斯增加了抽放區的漏風強度，使煤炭自燃成為高瓦斯礦井的又一個突出問題。對于高瓦斯礦井，煤層自燃不僅會影響生產，帶來很大的經濟損失，而且嚴重的會引起高瓦斯礦井的瓦斯爆炸，在最近15年時間里，就多次發生了由于礦井煤炭自燃引發瓦斯爆炸的重特大事故[3]。所以，快速高效的對高瓦斯礦井滅火就顯得尤為重要。

1 工作面情況

1.1 工作面情況

同忻煤礦是一座設計生產能力為1000萬噸/年的特大型高瓦斯礦井，采用斜井和立井混合開拓方式，主要開采煤層為3#-5#煤層，該平均厚度13.67m，采用綜采放頂煤法開采，工作面長度為199.5米，走向長度1684米，平均采高13.6米。工作面采用“U+L”型一進兩回的通風系統，進、回風兩巷均沿煤層底板布置，內錯尾巷沿煤層頂板布置，內錯回風巷30 m。工作面配風量約 2500 m3/min，其中回風巷 1750m3/min，內錯尾巷750m3/min。工作面絕對瓦斯涌出量15～25m3/min，煤層最短自然發火期為39d。

1.2 首采工作面發火情況

首采工作面試生產期間，工作面常規氣體檢測一直正常。11月5日，在檢測氣體時發現頂回風巷CO氣體異常，濃度達到0.0053%，并有淡淡藍煙出現，隨即11月6日采取向80#～100#支架范圍采空區內灌注阻化劑4天，一直到11日連續向采空區注入氮氣，到11月12日，工作面CO氣體濃度急劇增大，工作面尾部CO氣體濃度達到0.13%，同時有黃色濃煙從115#～118#架間涌出，一旦封閉不及時，不進行隔絕則有發生明火的可能，一旦發生明火，對于高瓦斯面的封閉難度將更大，有爆炸危險，故決定在2101巷、5101巷和頂回風巷分別施工三道板閉，封閉工作面，并用羅克休和粉煤灰等進行二次加固。在進回風順槽沿煤層底板分別施工措施巷，在措施巷中打高位鉆孔，采用灌漿、注膠體材料的滅火措施，在滅火后期封閉區內空氣環境趨于穩定不變狀態：氧氣的濃度在14%左右，一氧化碳的濃度在0.027%左右，溫度保持在35℃，為了盡快降低封閉區的氣體和溫度，同忻礦采取了注液態二氧化碳的滅火技術。

2 二氧化碳防滅火技術

2.1 二氧化碳理化性質

常溫常壓下，二氧化碳是無色略帶酸味的窒息性氣體，在不同的壓力、溫度條件下有三種形態（如圖1），均不燃燒，不助燃。當空氣中二氧化碳濃度超過3%時會引起呼吸困難頭痛，當二氧化碳濃度超過25%時會引起中樞神經紊亂及窒息死亡。二氧化碳具有升華特性，在一個大氣壓下，升華點-78.5℃；在低溫加壓下CO2氣體可變為液態，利用蒸發潛熱，可做成雪片狀固體，所以在消防上常把二氧化碳作為滅火劑。

在標準狀況下，二氧化碳氣體相對于空氣的比重為1.529，密度為1.976 kg/m3，液態二氧化碳的密度隨溫度的變化而變化較大，-20℃時其密度是1.01kg/L。在溫度15℃、1個大氣壓下1.56L液體二氧化碳可氣化成1m3氣體，體積膨脹約640倍。

2.2 二氧化碳的滅火原理和特點

在總結實際煤礦自燃火災防治過程中，二氧化碳對于煤炭自燃過程的抑制原理和特點主要有：

2.2.1 惰化抑制作用。當二氧化碳充注到火區以后，其窒息性可以降低火區環境中氧濃度，從而減弱煤氧復合過程的強度，使得煤氧復合作用被惰化，同時由反應方程式：a、C+O2=CO（不充分氧化）；b、C+O2=CO2（充分氧化）可知，碳氧化反應的主要產物為CO和CO2，CO2出現在反應方程的右側，因此CO2濃度的增加一定程度上抑制CO等氧化產物的產生，同時抑制了化學反應的繼續進行，在宏觀上體現為對煤炭氧化自燃的抑制。當CO2濃度達到22%以上[4]，對爆炸性氣體有很強的抑制作用，在處理高瓦斯礦火災有高效性。

2.2.2 吸附阻化作用。煤是一種多孔、含有多種無機礦物質的有機巖體，是一種可以吸附無機物質（如：CH4，CO2，N2）和有機物質（如：甲醇，苯）的天然吸附劑。煤對以下氣體的吸附能力及速率由快到慢為CO2>CH4>CO>N2[5]。在井下多種氣體同時存在的條件下，CO2可以更好地吸附于煤炭，對煤體形成包裹，進而減少氧氣與煤的復合作用，抑制煤自燃。

2.2.3 降溫作用。同等質量的二氧化碳和氮氣遇熱升高相同的溫度時，二氧化碳的吸熱量多。此外，從儲存系統中噴放出來的液態二氧化碳，壓力驟然下降，液態迅速變成氣態的過程中，CO2的吸熱以對流為主，低溫CO2為了實現熱平衡，主動找尋高溫區，吸收火區的大量熱[6]，使火區溫度降低。

2.2.4 二氧化碳比空氣的密度大，當其從發生系統中噴放并氣化后，在熄滅底部火災時，可快速沉入底部而擠出氧氣，并在火區內擴散充滿其空間，分布于燃燒物的周圍，使火區內氧氣濃度急速下降，可以起到快速滅火的效果。

2.3 液態二氧化碳防滅火系統

井下移動式液態CO2防滅火系統主要由地面液態CO2罐車、CPW-2.0井下移動式貯罐（圖2）、參數監測儀表（流量、溫度）等構成。其中地面液態二氧化碳罐車可儲運16～20噸液態CO2，井下移動式儲罐液態CO2防滅火裝置（井下移動式儲罐）有效容積為2m3，最大可存放2噸液態CO2，CPW-2.0井下移動式貯罐出口壓力為0.8～2.0Mpa，出口流量0.5～4t/h。液態CO2由專門的運輸設備從化工廠運至礦井，在地面將液態CO2直接充入到移動式貯槽內，將移動式貯罐運輸至井下使用液態CO2地點，通過管路直接注入高溫區域。

井下移動式液態CO2防滅火系統可以避免因液態二氧化碳直接釋放而造成低溫和體積急劇膨脹的不安全因素，液態二氧化碳專用礦車罐車采用從儲氣罐中經管路直接輸送到火區，而不用汽化器汽化后再注入到火區的辦法，其優點在于：這種方法使液態二氧化碳直接從-20℃的溫度注入火區內，能增加汽化吸熱部分，降溫效果更好，冷卻火區的能力大，滅火效果好。

2.4 液態二氧化碳滅火技術的優點

在惰氣防滅火中，液態二氧化碳滅火比氮氣的主要優勢在于：液氮難于液化，其儲存、運輸、釋放設備要求嚴格，并受其來源的限制，所以應用局限性較大。膜分離、變壓吸附等技術產生氮氣的設備較大，關鍵部件壽命不長，設備利用率低，氮氣的綜合成本高。

礦井火災與伴隨火災所引起的瓦斯爆炸是煤礦生產中的重大災害之一。礦內一旦發生火災或者爆炸，就只得全面封閉。特別是綜放面的發火，有時還來不及搶出昂貴的設備，只能將它長期封閉在火區內，造成嚴重的損失。為了預防火災，防止瓦斯爆炸，各礦采取了種種措施，然而由于某些措施的局限性，不能完全制止煤炭自燃。向火區注入惰氣二氧化碳，可以防止煤的自燃，降低燃燒強度，消除爆炸危險，還可防止密閉漏風。為了提高液態二氧化碳的防火效果，將液態二氧化碳貯槽直接運輸到井下進行壓注。

3 現場應用

3.1 液態CO2注入點的選擇

向火區注二氧化碳時，為減少消耗二氧化碳量，快速滅火，要根據火區的條件、火源的位置，選擇最佳二氧化碳釋放口位置，選擇原則是使二氧化碳在火區內用最短的路線到達火點，沖淡火區氧氣含量，窒熄火區。向采空區注二氧化碳防滅火的方法有：（1）打鉆注液態二氧化碳。在火區附近的巷道里打鉆孔，利用鉆孔向火區注入二氧化碳；還可在火區附近施工防滅火措施巷，在巷內施工一段3～5m的小石門，在石門內打鉆孔，通過鉆孔向火區注入二氧化碳；（2）埋管注液態二氧化碳。根據火源的位置，在工作面進風順槽或者在進風線路上埋設注二氧化碳管路，二氧化碳氣釋放口可布置在工作面下隅角，或切眼的兩端。

壓注二氧化碳處理采空區火災時， 要注意封堵其可能的漏風點，要觀察采空區二氧化碳的流向，巷道中的風流要能夠沖淡溢出二氧化碳的濃度。

3.2 應用效果

為了使封閉的8101工作面氣體、溫度盡快降低，由先前在措施巷向頂回風巷上風側，80#～90#支架后部區域范圍、頂回風巷末端及其與5101巷的連巷區域和工作面初切眼尾部區域施工好的鉆孔（如圖3），鉆孔用一次性成孔快速滅火鉆具施工（其中鉆桿本身就是套管），然后注入液態CO2并且觀察氣體變化。

8101工作面封閉后，2101巷、5101巷及頂回風巷的三個密閉基本處于均壓狀態，密閉的出風壓差均小于2～6mmH2O，所以把井下移動式貯罐置于措施巷向鉆孔壓入CO2，暫時不注CO2的鉆孔要即使封閉，隨時觀察風流中的CO2濃度，保證人員安全。向封閉區共注入液態二氧化碳72噸，三天后檢測到封閉區的氧氣已經下降至5%以下，十天后CO的濃度已降至0.002%以下。檢測結果如表1。

4 結束語

由液態CO2防滅火技術在同忻礦的成功應用可以得出：

二氧化碳作為一種惰性氣體，其穩定性高，可以從降低氧氣濃度、抑制碳與氧氣的正反應兩方面來惰化煤氧復合作用；同時在同等條件下，其對煤的吸附能力優于甲烷、一氧化碳、氮氣，起到吸附阻化煤氧作用，此外，液態二氧化碳的氣化升溫也可帶走一部分熱量，可以更快速的降低火區溫度。因此二氧化碳在防治煤層自燃火災中有其明顯的優勢和特點。

液態二氧化碳滅火技術與灌漿滅火等方法相比，有其突出的性能優點：具有快速滅火性，滅火成本低，對災區內的設備無損害，工作面啟封快，恢復生產容易。液態CO2防滅火系統成功地解決了液態CO2輸運、釋放的問題。其優越性具有較強的推廣和應用價值。

參考文獻

[1]李學誠.中國煤礦安全大全 [M].北京：煤炭工業出版社，1998.

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[3]鮑永生.高瓦斯易燃厚煤層采空區自燃滅火與啟封技術[J].煤炭科學技術，2013，41（1）：70-73.

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[6]趙忠，王海東，劉永軍.CO2滅火技術在天祝煤礦的成功實踐.煤礦安全，36（5）：15-17.