液態(tài)二氧化碳滅火技術(shù)在同忻礦8101工作面中的應用

摘 要：監(jiān)測發(fā)現(xiàn)同忻礦8101工作面氣體濃度異常，在采取其他滅火技術(shù)治理采空區(qū)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(tài)二氧化碳滅火技術(shù)對本工作面進行二次處理，選擇用二氧化碳滅火系統(tǒng)，由先前的高位鉆孔送到工作面采空區(qū)，使封閉火區(qū)的氣體在很短的時間里下降到安全范圍。結(jié)果表明，二氧化碳滅火技術(shù)及其系統(tǒng)對礦井火災有滅火速度快，成本低，對設(shè)備無損害，恢復生產(chǎn)容易的優(yōu)點。

關(guān)鍵詞：液態(tài)CO2；防滅火系統(tǒng)；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(fā)火危險，由煤炭自燃而引起的火災占礦井火災總數(shù)的 90% 以上[1]，近年來，綜放頂煤開采技術(shù)的廣泛應用提高了煤礦生產(chǎn)率，但由于該技術(shù)大量冒落煤體，使采空區(qū)遺煤多、漏風嚴重，使得煤礦自燃發(fā)火頻繁發(fā)生，已成為制約礦井安全生產(chǎn)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(shù)，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(qū)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(chǎn)，帶來很大的經(jīng)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(fā)生了由于礦井煤炭自燃引發(fā)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(shè)計生產(chǎn)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(tǒng)，進、回風兩巷均沿煤層底板布置，內(nèi)錯尾巷沿煤層頂板布置，內(nèi)錯回風巷30 m。工作面配風量約 2500 m3/min，其中回風巷 1750m3/min，內(nèi)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(fā)火期為39d。

1.2 首采工作面發(fā)火情況

首采工作面試生產(chǎn)期間，工作面常規(guī)氣體檢測一直正常。11月5日，在檢測氣體時發(fā)現(xiàn)頂回風巷CO氣體異常，濃度達到0.0053%，并有淡淡藍煙出現(xiàn)，隨即11月6日采取向80#～100#支架范圍采空區(qū)內(nèi)灌注阻化劑4天，一直到11日連續(xù)向采空區(qū)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(fā)生明火的可能，一旦發(fā)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(qū)內(nèi)空氣環(huán)境趨于穩(wěn)定不變狀態(tài)：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(qū)的氣體和溫度，同忻礦采取了注液態(tài)二氧化碳的滅火技術(shù)。

2 二氧化碳防滅火技術(shù)

2.1 二氧化碳理化性質(zhì)

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(tài)（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(jīng)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?yōu)橐簯B(tài)，利用蒸發(fā)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(tài)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(jié)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(qū)以后，其窒息性可以降低火區(qū)環(huán)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(chǎn)物為CO和CO2，CO2出現(xiàn)在反應方程的右側(cè)，因此CO2濃度的增加一定程度上抑制CO等氧化產(chǎn)物的產(chǎn)生，同時抑制了化學反應的繼續(xù)進行，在宏觀上體現(xiàn)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(zhì)的有機巖體，是一種可以吸附無機物質(zhì)（如：CH4，CO2，N2）和有機物質(zhì)（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(zhì)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(tǒng)中噴放出來的液態(tài)二氧化碳，壓力驟然下降，液態(tài)迅速變成氣態(tài)的過程中，CO2的吸熱以對流為主，低溫CO2為了實現(xiàn)熱平衡，主動找尋高溫區(qū)，吸收火區(qū)的大量熱[6]，使火區(qū)溫度降低。

2.2.4 二氧化碳比空氣的密度大，當其從發(fā)生系統(tǒng)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(qū)內(nèi)擴散充滿其空間，分布于燃燒物的周圍，使火區(qū)內(nèi)氧氣濃度急速下降，可以起到快速滅火的效果。

2.3 液態(tài)二氧化碳防滅火系統(tǒng)

井下移動式液態(tài)CO2防滅火系統(tǒng)主要由地面液態(tài)CO2罐車、CPW-2.0井下移動式貯罐（圖2）、參數(shù)監(jiān)測儀表（流量、溫度）等構(gòu)成。其中地面液態(tài)二氧化碳罐車可儲運16～20噸液態(tài)CO2，井下移動式儲罐液態(tài)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(tài)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(tài)CO2由專門的運輸設(shè)備從化工廠運至礦井，在地面將液態(tài)CO2直接充入到移動式貯槽內(nèi)，將移動式貯罐運輸至井下使用液態(tài)CO2地點，通過管路直接注入高溫區(qū)域。

井下移動式液態(tài)CO2防滅火系統(tǒng)可以避免因液態(tài)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(tài)二氧化碳專用礦車罐車采用從儲氣罐中經(jīng)管路直接輸送到火區(qū)，而不用汽化器汽化后再注入到火區(qū)的辦法，其優(yōu)點在于：這種方法使液態(tài)二氧化碳直接從-20℃的溫度注入火區(qū)內(nèi)，能增加汽化吸熱部分，降溫效果更好，冷卻火區(qū)的能力大，滅火效果好。

2.4 液態(tài)二氧化碳滅火技術(shù)的優(yōu)點

在惰氣防滅火中，液態(tài)二氧化碳滅火比氮氣的主要優(yōu)勢在于：液氮難于液化，其儲存、運輸、釋放設(shè)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(shù)產(chǎn)生氮氣的設(shè)備較大，關(guān)鍵部件壽命不長，設(shè)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(chǎn)中的重大災害之一。礦內(nèi)一旦發(fā)生火災或者爆炸，就只得全面封閉。特別是綜放面的發(fā)火，有時還來不及搶出昂貴的設(shè)備，只能將它長期封閉在火區(qū)內(nèi)，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(qū)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(tài)二氧化碳的防火效果，將液態(tài)二氧化碳貯槽直接運輸?shù)骄逻M行壓注。

3 現(xiàn)場應用

3.1 液態(tài)CO2注入點的選擇

向火區(qū)注二氧化碳時，為減少消耗二氧化碳量，快速滅火，要根據(jù)火區(qū)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(qū)內(nèi)用最短的路線到達火點，沖淡火區(qū)氧氣含量，窒熄火區(qū)。向采空區(qū)注二氧化碳防滅火的方法有：（1）打鉆注液態(tài)二氧化碳。在火區(qū)附近的巷道里打鉆孔，利用鉆孔向火區(qū)注入二氧化碳；還可在火區(qū)附近施工防滅火措施巷，在巷內(nèi)施工一段3～5m的小石門，在石門內(nèi)打鉆孔，通過鉆孔向火區(qū)注入二氧化碳；（2）埋管注液態(tài)二氧化碳。根據(jù)火源的位置，在工作面進風順槽或者在進風線路上埋設(shè)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(qū)火災時， 要注意封堵其可能的漏風點，要觀察采空區(qū)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(cè)，80#～90#支架后部區(qū)域范圍、頂回風巷末端及其與5101巷的連巷區(qū)域和工作面初切眼尾部區(qū)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(tài)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(tài)，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(qū)共注入液態(tài)二氧化碳72噸，三天后檢測到封閉區(qū)的氧氣已經(jīng)下降至5%以下，十天后CO的濃度已降至0.002%以下。檢測結(jié)果如表1。

4 結(jié)束語

由液態(tài)CO2防滅火技術(shù)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(wěn)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(yōu)于甲烷、一氧化碳、氮氣，起到吸附阻化煤氧作用，此外，液態(tài)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(qū)溫度。因此二氧化碳在防治煤層自燃火災中有其明顯的優(yōu)勢和特點。

液態(tài)二氧化碳滅火技術(shù)與灌漿滅火等方法相比，有其突出的性能優(yōu)點：具有快速滅火性，滅火成本低，對災區(qū)內(nèi)的設(shè)備無損害，工作面啟封快，恢復生產(chǎn)容易。液態(tài)CO2防滅火系統(tǒng)成功地解決了液態(tài)CO2輸運、釋放的問題。其優(yōu)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(yè)出版社，1998.

[2]呂文陵.高瓦斯易自燃煤層綜放開采自然發(fā)火防治技術(shù)研究[D].徐州：中國礦業(yè)大學，2011.

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

[4]康福鈞.CO2滅火技術(shù)在忻州窯礦8903下工作面中的成功應用.煤礦安全，2006，385（12），24-26.

[5]張慶玲，張群等.煤對多組分氣體吸附特性研究.天然氣工業(yè)， 2005，25（1）：57-59.

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