淺談采空區滯留干冰防止遺煤自燃技術

一、采空區滯留干冰防止遺煤自燃機理

干冰是二氧化碳的固相狀態，不透明的塊狀結晶，呈雪白色，無光澤。在一個大氣壓下，干冰的溫度為-78.9℃；常溫下，干冰直接升華為二氧化碳氣體，而不會變為液體。干冰的密度約為1500～1700kg/m3，由不同的加工方式決定。

干冰降溫作為一種有效的降溫冷卻方法，能夠比其他方法更快的降低周圍溫度，效果明顯，可靠度高。干冰已被廣泛的用于食品冷藏、人工降雨、生物制藥、消防滅火等行業中。

由于干冰自身的物理化學性質，以及二氧化碳氣體對煤物理吸附氧過程的抑制作用，應用干冰進行遺煤自燃的防治，具有特殊的優勢。干冰防止遺煤自燃的機理主要體現在冷卻、覆蓋隔氧、吸附惰化三個方面。

1、干冰冷卻機理

干冰在常壓的溫度為-78.9℃，其汽化潛熱為573kJ/kg。干冰具有很大的吸熱能力，是一種優秀的冷卻劑。干冰的吸熱能力是水冰的2倍，且遠大于液氮的吸熱能力。干冰由-78.9℃升華為0℃的二氧化碳氣體時，其吸取的熱量為636KJ/kg；而液氮由-196℃升華為0℃的氮氣時，吸收的熱量僅為420KJ/kg，僅為干冰吸收熱量的三分之二。因此，同質量的干冰和液氮，干冰能夠吸收更多的熱量用于升華，而能更快的降低周圍環境的溫度。

利用干冰的冷卻作用，將其應用于采空區，防止遺煤自燃的發生。其主要作用機理為：

將干冰放入采空區后，干冰由于自身的升華作用，吸收大量的熱量，使周圍的空氣甚至遺煤的溫度迅速下降，在采空區中形成以放置干冰的為中心的低溫區。由于熱交換的作用，低溫區不斷的吸收周圍環境的熱量，使低溫的區域不斷擴大。

低溫的氣體在采空區中滲流擴散，低溫氣體會和發生氧化的煤產生熱交換，不斷的將煤氧化產生的熱量帶走。干冰的存在使采空區內的遺煤散失掉的熱量大于自身氧化生成的熱量，破壞了遺煤蓄熱升溫的條件，使遺煤的溫度不能因升高而出現高溫點，縮小了采空區氧化升溫帶的范圍，控制遺煤自然發火的發生。

2、干冰覆蓋隔氧機理

標準狀態下，二氧化碳氣體的密度為1.96g/l，氮氣的密度為1.25g/l，氧氣的密度為1.43g/l。二氧化碳氣體的密度約是相同條件下氮氣密度的1.5倍，也遠大于氧氣的密度。在密閉的空間，二氧化碳、氧氣、氮氣等混合氣體長期處于穩定狀態時，在自身重力的作用下，二氧化碳氣體會逐漸下沉降到該空間底部，混合氣體會出現一定的濃度分層。

采空區是一個特殊的空間，由于遺煤氧化升溫，使采空區劃分為自燃“三帶”，即散熱帶、氧化升溫帶和窒息帶。散熱帶漏風量大，漏風風速大于0.24m/min，煤氧化的產生的熱量被漏風帶走；而氧化升溫帶漏風量很小，漏風風速為0.1～0.24m/min，煤氧化產生的熱量大于散失的熱量；窒息帶的漏風量幾乎沒有，漏風風速小于0.1m/min，煤因缺氧而不能氧化升溫。

3、干冰吸附惰化機理

干冰升華后的二氧化碳釋氣體，在漏風流的帶動下，通過滲流擴散充滿采空區。由于煤對二氧化碳的吸附能力和速度都大大優于其它氣體，且吸附較穩定，隨著壓力升高，其選擇性吸附能力增加。因此，當存在一定濃度的二氧化碳時，二氧化碳會與氧氣爭奪活性點，勢必會影響煤氧吸附過程。

二氧化碳對煤氧吸附的影響主要體現在物理吸附階段，煤表面有殘余力場需要吸附氣體分子時，二氧化碳分子會擠占氧分子而優先吸附在煤表面，占據氧吸附的空位，由于二氧化碳吸附穩定，大量的二氧化碳分子被煤吸附，對煤體形成包裹，使氧吸附量減少，進而減少煤氧的化學吸附和化學反應，導致煤體因缺氧而停止氧化，抑制煤氧化自燃的發生。

二、該技術的應用

李陽煤礦生產能力為120萬t/a技改礦井，采用中央并列式通風方式，根據2013年礦井瓦斯等級鑒定，礦井絕對瓦斯涌出量為8.43m3/min，相對瓦斯涌出量為12.14m3/t。目前主采15號煤層，該煤層瓦斯含量較高，屬容易自燃煤層，有煤塵爆炸。150112工作面是一采區實施綜采放頂煤回采工藝的第一個工作面，工作面產度為144m，巷道長度為980m，平均厚度為5.68m，采高2.6m，

15112綜放工作面下隅角放置干冰，在漏風流的帶動下，通過滲流擴散充滿采空區。利用干冰的冷卻機理、覆蓋隔氧機理、及吸附惰化機理完成采空區的防滅火工作。作為注漿、注氮、噴灑阻化劑等綜合防滅火措施的輔助措施，在局部運用中，起到了顯著的效果。通過干冰儲存釋放裝置將干冰放置到采空區后，干冰升華成氣態二氧化碳，降低采空區溫度，同時二氧化碳抑制采空區浮煤氧化自燃，有效防止采空區遺煤自燃的發生。

三、采用干冰后措施后的效果分析

通過束管監測和人工取樣分析，工作面內的CO濃度從2013年11月3日開始呈現明顯下降趨勢，在上隅角、回風巷、尾巷，高抽巷進行監測，分別由原來平均的21ppm、20ppm、20ppm、15ppm。下降到平均10ppm、12ppm、10ppm、7ppm。持續時間穩定在干冰利用期間的一個星期內，CO下降率達到50%。

四、結語

⑴對于有自燃發火危險源的煤礦，必須高度重視防滅火工作的理論研究、現場有關危險源的臨界狀態量的研究、三帶的劃分、割煤的速度等有效的綜合防范措施，使礦井防滅火工作納入科學管理的范疇。

⑵分析監測數據知：150112工作面在滯留干冰期間CO%下降率達到50%。尤其在局部運用中，起到了綜合防滅火補充效果。

⑶研發出符合現場實際的采空區滯留干冰防止煤層自燃技術，其成果將會給同類條件下的煤礦安全生產提供有益的借鑒和可靠的技術保證，也會大大降低生產成本，具有推廣應用前景。

參考文獻

[1]俞啟香。礦井災害防治理論與技術。徐州：中國礦業大學出版社，2008.

[2]張國樞、駱大勇。采空區遺煤自燃發火影響因素分析。煤炭科技，2010，29（11）：83-84，90.

[3]孫久政。液態二氧化碳防滅火技術在東榮二礦應用，陜西煤炭，2006，（6）：52-53.

作者簡介：宋靈感（1986- ）男，助理工程師，山西神達煤業集團有限公司。endprint