采空區液態二氧化碳惰化降溫防滅火技術研究

宋宜猛

（國家安全生產監督管理總局信息研究院，北京市朝陽區，100029）

目前，二氧化碳特別是液態二氧化碳防滅火技術在煤礦火災防治中得到廣泛應用。液態二氧化碳防滅火技術除了具有安全性高、惰化率高、抑爆性能好、速度快、成本低等特點，還具有減少碳排放的重要環保意義。前人在采用二氧化碳防滅火方面開展了大量研究工作并取得了一定的成果，但總體而言，缺乏比較完整的對比研究和總結分析，特別是液態二氧化碳防滅火分類注入量鮮有涉及。本文在總結分析液態二氧化碳防滅火機理及對比氮氣防滅火技術基礎上，推導了液態二氧化碳注入量計算公式，研究確定了液態二氧化碳的注入工藝和注入位置等參數，結合在山西潞安集團溫莊煤業150201工作面采空區滅火的工程應用，總結了相關經驗，以使該技術在今后煤礦火區治理中更好地發揮作用。

1 液態二氧化碳防滅火機理

液態二氧化碳作為煤礦防滅火新材料，其滅火性能主要表現為降溫和惰化兩個方面。一方面，液態二氧化碳在膨脹氣化過程中需要吸收大量的氣化熱，液態二氧化碳氣化熱為578 kJ／kg（－78.5℃）。在相對封閉的空間內，所需的氣化熱從火區周圍環境中獲得，從而降低了火區的溫度，減緩了煤氧反應速度；另一方面，大量的液態二氧化碳氣化充盈進火區空間后，氧濃度被急劇稀釋的同時又增加了火區的氣體靜壓，從而降低了采空區的漏風量，致使供氧進一步減少，同時二氧化碳氣體進入火區后，與煤接觸產生吸附現象，煤是吸附劑，二氧化碳是吸附質，從而減少了煤對氧的吸附。據試驗表明，煤優先吸附二氧化碳氣體，使得煤被二氧化碳氣體所包裹，從而阻斷了煤氧復合理論所主張的自燃的前半個進程（煤氧結合過程），使得鏈式反應失去活性，反應得以終止，這便是二氧化碳氣體的惰化作用。

2 液態二氧化碳與液氮防滅火性能對比

雖然液態二氧化碳和液氮都可作為惰性氣體用于防治煤自燃，但液態二氧化碳比液氮更具有獨特的優勢。二者防滅火性能參數對比見表1。在純度方面，目前無論采用膜分離還是吸附分離技術制作氮氣，都不可能把氧氣全部分離出去（現有制氮機制作后的氮氣濃度約為97%左右，因氧氣的液化沸點為－182.96℃，氮氣的液化沸點為－196℃，因此在液化過程中部分氧氣被保留在了液氮中）。而化工廠制取液態二氧化碳時，因二氧化碳液化沸點為－56.6℃，較氧氣的液化沸點相差較大，因此在液化過程中不會被摻入氧氣成分，從而純度更高，接近100%；在吸附量方面，在相同溫度和壓力條件下，煤對二氧化碳氣體和氮氣的吸附能力分別48 L／kg和8 L／kg，即煤對二氧化碳的吸附能力是其吸附氮氣能力的6倍；在抑爆方面，氮氣對應失爆點的抑爆臨界氧濃度為11.5%，二氧化碳氣體對應失爆點的抑爆臨界氧濃度為14.6%，即在同等條件下，二氧化碳氣體可比氮氣抑爆范圍更寬、更早達到抑爆效果；采空區火源點多發于遺煤中，即一般位于采空區一側的中、下部。氮氣的密度小于空氣密度，二氧化碳氣體密度大于空氣密度，因此，采空區的火源點更容易被二氧化碳惰化帶覆蓋，且覆蓋率較廣。所以，液態二氧化碳的防滅火性能要優于液氮防滅火性能，并且更具有環保意義。

表1 二氧化碳和氮氣的防滅火性能參數對比

3 液態二氧化碳注入工藝、注入量計算及注入位置

液態二氧化碳防滅火關鍵技術主要包括注入工藝選取、注入位置選擇以及注入量的確定，因此有必要重點從這三個方面研究確定液態二氧化碳防滅火參數。

3.1 液態二氧化碳注入工藝

用于防滅火的液態二氧化碳一般來源于化工廠回收的副產品。在需要時，可通過特制的運送槽車將液態二氧化碳運至井口，再由煤礦根據礦井及火區條件，以適當的方式送到火區防滅火。其方式主要有以下幾種：

（1）鉆孔式：從地表直接向火區或火災隱患區打鉆孔，通過套管注入液態二氧化碳，這種方式適用于火區或火災隱患區接近地表的情況。

（2）埋管式：一般是利用礦車型槽車將液態二氧化碳運至井下火區附近，然后沿工作面的進風側采空區埋設一趟管路，隨著工作面推進，當出口達到一定深度后開始注液態二氧化碳，同時又埋入第二趟管路，如此交替進行。

（3）拖管式：同埋管式不同的是液態二氧化碳注入管隨著工作面的推進而移動，管路依靠液壓支架等做牽引使其埋入固定深度。

（4）旁路式：當工作面有雙進風巷時，可通過與工作面平行的巷道，在其內通過鉆孔將氮氣注入發火采空區。

3.2 氧化帶防滅火二氧化碳注入量計算

在開采易自燃煤層時，惰化采空區氧化帶防止自燃是日常工作之一。借鑒《煤礦用氮氣防滅火技術規范》（MT／T701－1997）中氮氣注入量的計算公式，可得出根據控制火區的氧濃度計算需要注入液態二氧化碳量的公式，即

式中：QC——氧化帶惰化防火二氧化碳注入量，m3／h；

Q0——進入氧化帶的漏風量，m3／min；

K——二氧化碳防火用量的備用系數，取1.2～1.5；

K0——采空區漏風流經散熱帶的氧濃度遞減系數，取0.5～0.9，平均為0.7；

C0——工作面空氣氧濃度，取20%；

C2——氧化帶惰化防火臨界氧濃度，取10%。

3.3 火區滅火二氧化碳注入量計算

在治理封閉空間火區時，由于封閉的空間體積一般比較大，且氧含量高，所以滅火初始注入二氧化碳的量要相對較大。此時還要考慮被封閉的空間體積的大小，火區封閉的空間體積用式（2）計算：

式中：V——封閉火區的總體積，m3；

V1——工作面封閉體積，m3；

V2——巷道封閉體積，m3；

V3——采空區封閉空間體積，m3；

L1——采空區走向長度，m；

L2——采空區傾向長度，m；

h——煤層厚度，m；

λ——頂板巖石冒落碎脹系數，取1.1～1.3。

由封閉空間氧氣濃度關系可推導出治理封閉空間火區二氧化碳用量關系式：

式中：QC——火區滅火初始注入二氧化碳量，m3／h；

t——注入二氧化碳的時間，h；

K——二氧化碳注入量的備用系數，取1.2～1.5；

V——封閉火區空間總體積，m3；

C1——注二氧化碳前火區內平均氧濃度，取10%～18%，平均為14%；

C2——火區內滅火臨界氧濃度，取5%；

Q0——火區漏風量，m3／min；

C0——火區周邊巷道空氣中的氧濃度，取20%；

CC——注入二氧化碳的純度，%。若注入是液態二氧化碳，其中沒有氧氣成分，二氧化碳的純度CC≈100%，因此式（3）可簡記為：

3.4 火區滅火后防復燃日常二氧化碳注入量計算

通過對火區注入二氧化碳，以最快速度惰化火區，并將火區平均氧濃度降低到滅火臨界氧濃度5%，滅火工作即可獲得成功。在滅火后，為防止火區復燃，需要持續不斷的注入二氧化碳，以維持火區平均氧濃度在5%以下。此時，二氧化碳注入量無需按照滅火時的高強度注入量，改為日常注入量即可。

當火區內平均氧濃度降至5%后，式（4）中V（C1－C2）＝0，式（4）簡化為計算火區防復燃日常注二氧化碳量：

3.5 液態二氧化碳注入位置

在工作面回采期間，為防止采空區自然發火，需持續不斷地注入一定量的液態二氧化碳，液態二氧化碳的注入口（末端）一般布置在氧化帶內，并且盡量高位布置管路。注入口至工作面距離（埋入深度）可根據式（6）確定。

式中：Dmin——注入口距工作面的最小距離，m；

WCZ——采空區冷卻帶的寬度，m；

RC——液態二氧化碳擴散半徑，m；

Dmax——注入口距工作面的最大距離，m；

WCO——采空區冷卻帶和氧化帶寬度之和，m。

4 工程應用

山西潞安集團溫莊煤業150201工作面煤層為極易自燃煤層，自然發火期為40 d，采用傾斜長壁綜放采煤方法開采，煤層平均厚度為5 m，采高2.4 m，放頂高2.6 m，工作面長度為120 m，最大控頂距5 m，上、下巷道為梯形斷面，上寬2.2 m，下寬3.2 m，高2.2 m。2013年4月10日，該工作面自開切眼推進僅約100 m時，由于防火措施不當，上隅角出現CO，濃度達1.72%，并不斷上升，同時檢測出C2H4氣體，經判斷是回風側采空區外幫的遺煤發生自燃。在注水、注氮未能遏制CO的上升趨勢后，被迫封閉工作面，封閉位置位于上、下巷道距工作面外200 m處。封閉后，CO濃度很快達到41.8%。

經滅火指揮部初步判斷，火源點位于采空區內中下部位置，決定采用液態二氧化碳進行滅火。由式（2）計算得出封閉火區總空間約為54000 m3。由于封閉空間大，惰化滅火的臨界氧濃度較低（5%），因此滅火所需的二氧化碳體積也比較大，綜合考慮，二氧化碳初始注入強度以該礦最大供給能力2000 m3／h進行連續不斷注入封閉區域。經實測該礦火區漏風量為2 m3／h，注入的二氧化碳濃度接近100%，惰化滅火臨界氧濃度取5%，根據式（4）計算需要連續注入約85 h，取4 d時間。在現場操作時，將二氧化碳槽車運至井下后，通過上、下巷道密閉預留孔，雙管路連續向封閉空間注入液態二氧化碳，如圖1所示。4 d后，共注入液態二氧化碳約360 t，采樣分析發現，CO濃度從41.8%降至0.0009%，O2濃度從 19.8%降至到3.87%，二氧化碳濃度從7.56%上升到84.63%，經判斷，火區得到控制。

圖1 150201工作面封閉后注液態二氧化碳示意圖

5 結論

（1）液態二氧化碳防滅火性能比液氮效果要好，在今后的防滅火工作中可以推廣使用。

（2）通過對150201工作面的火區治理，驗證了二氧化碳注入量計算公式的正確性及二氧化碳實際滅火的效果。

（3）在實施液態二氧化碳滅火時還需注意滅火設備的操作規程、安全保障等問題，防止發生次生災害。

（4）在火區安全啟封后，視具體情況可考慮再注一定時間的二氧化碳以確保火區不復燃。

綜上，液態二氧化碳技術防滅火具有投資少、見效快等特點，是當前礦井防滅火的首選方案之一。

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