潞寧煤業22116工作面采空區防滅火技術研究與應用

李 波

（潞安化工集團潞寧煤業有限責任公司，山西 寧武036700）

1 工程概況

潞寧煤業公司22116綜采工作面位于井田二二區采區中下部，上部為二二采區22114采空區，下部為二二采區22118回采工作面，西南為2號煤層采區三條下山，東北部為我礦二二采區三條下山，工作面平均走向長度為1 877.233 m，傾向長178.6 m，開采2號煤層，煤層平均厚度3.5 m，平均傾角4.5°，局部含有不連續薄層炭質泥巖夾矸，煤層頂板巖層為泥巖和細粒砂巖、中粒砂巖，底板巖層為泥巖和細粒砂巖。

根據礦井地質資料可知，工作面回采期間瓦斯絕對涌出量為8.45 m3/min，相對涌出量為2.74 m3/t，煤塵具有爆炸性，煤層屬易自燃煤層，煤層自然發火期為87 d，現為防止工作面采空區出現煤層自燃現象，擬采用向采空區內注入液態CO2進行防滅火，現進行防滅火方案設計與研究。

2 液態CO2防滅火工藝

2.1 惰性氣體的防滅火原理

惰性氣體由于其自身的分子結構穩定，且在常溫常壓下基本不會與其他物質發生化學反應，當采用向采空區內注入惰性氣體進行防滅火時，隨著注入惰性氣體含量的增加，采空區內的氧氣含量會隨之降低，當采空區內氧氣濃度降低至5%～10%時，能夠有效的抑制采空區內遺煤的自燃，若進一步進行惰性氣體注入作業，在氧氣濃度低于3%時，此時能夠完全抑制采空區內遺煤和其他可燃物燃燒[1-2]。

根據惰性氣體的性質及煤的氧化機理可知，當向綜采工作面采空區內注入大量液態CO2時，注入的液態CO2會不斷的滲入到采空區的冒落帶、裂隙帶和浮煤帶，進而驅替部分煤體裂隙表面的O2，進一步與煤的微觀表面交換吸附，進而減少煤體表面氧氣吸附量，實現抑制浮煤自燃的目的[3]，具體CO2驅替O2原理如圖1所示。

圖1 CO2驅替O2原理示意圖

2.2 防滅火工藝

本次采空區注液態CO2采用井下移動式液態CO2滅火裝備系統，該系統主要由運輸礦車、泵壓裝置閥、儲液罐、安全裝置等組成，其中儲液罐主要用于存放液態CO2，礦車主要負責運輸，泵送增壓裝置主要用于對儲液罐進行增壓作業，閥門主要用于調節輸出壓力，安全閥用于對設備的運行狀態進行監測監控。

井下移動式液態CO2防滅火系統主要包括生產工藝系統和輔助系統，其中生產工藝系統由儲液罐和液相管路組成，輔助系統由空氣自熱式氣化器、增壓泵送系統和氣相管路組成[4-5]，具體井下液態CO2直注式防滅火系統工藝流程如圖2所示。

圖2 井下液態CO2直注式防滅火系統工藝流程圖

在進行液態CO2注入作業時，當液態CO2得到釋放時，會由于其自身的升溫氣化，而出現體積急劇膨脹的特性，當管路系統的阻力大時，容易出現堵塞現象，進而影響槽車的安全，另外在進行前測定管路系統的阻力釋放作業時，需保障釋放速度，確保在管路與槽車的連接處安裝逆止閥和泄壓安全裝置；另一方面，當向采空區內的火災區域注入CO2時，此時火區內部的有毒有害氣體可能會溢出，進而導致液態CO2也會大量涌出[6]，基于以上分析，設計在采用液態CO2直注式防滅火工藝時，具體安全釋放技術措施如下：

1）當向火區內注入液態CO2時，需首先用CO2沖刷整個管路，確保排氣中不含O2時，方可進行注入作業。

2）在進行火區排氣時，回風側的CO濃度會隨著瓦斯濃度的增大而不斷增加，此時需先將回風側的電器設備切斷，且應確保無人員通行。

3）在進行液態CO2注入作業時，應采用指標氣體監測的方式，對采空區的自燃情況進行監測分析，隨著掌握采空區自燃情況。

3 采空區防滅火方案及效果

3.1 防滅火方案

3.1.1 采空區氣體監測方案

在進行22116工作面采空區灌注液態CO2作業時，通過在采空區內預埋管路的方式，進行測溫和氣相測譜分析，以此監測氣體含量，采空區內氣體成分監測采用埋管真空泵抽氣法和埋設熱電阻測定法，將監測點布置在工作面兩回采順槽采空區內，每間隔50 m布置1個探頭，具體監測測點布置如圖3。

圖3 采空區測點布置方式示意圖

監測氣體的預埋管路采用2英寸鋼管，在鋼管內部布置3根?6 mm的束管，每根束管監測1個測點的氣體；通過束管、測溫探頭和導線將其送入鉆孔，隨后送達采空區內，探頭尾部抬高0.5 m，測溫探頭埋入管中與束管進氣口平齊，具體埋管探頭布置方式如圖4所示；液壓之間的測點位于進風巷采空區靠近煤壁和回風巷采空區靠近煤壁的位置處，該測點等間距布置，間隔50 m；測點距離采空區底板的距離分別為5.0、5.2、5.4、5.8、5.0 m。

圖4 埋管觀測探頭布置示意圖

3.1.2 灌注液態CO2方案

在22117運輸順槽570m位置處，即運輸順槽滯后工作面開切眼30m的位置處向22116工作面采空區依次施工3個CO2灌注鉆孔，終孔位于煤層頂板上方5m、距高抽巷5m，具體鉆孔參數見表1。

表1 液態CO2灌注鉆孔布置參數表

液態CO2灌注鉆孔布置平面圖如圖5所示，液態CO2灌注時采用井下移動式液態CO2滅火裝備系統，設置防滅火液態CO2裝置的出口壓力為0.8～2.0 MPa，出口流量為0.5～4.0 t/h。

圖5 灌注液態CO2鉆孔布置平面圖

3.2 效果分析

在22116工作面灌注鉆孔施工完畢后，開始進行1、2號CPW-2.0型移動式液態CO2防滅火裝置進行充裝，充裝完畢后運送至22117工作面運輸順槽內，8月28日0:00-8.00通過?25 mm的高壓膠管與液態CO2防滅火系統進行連接，隨后開啟閥門進行灌注作業，在進行液態CO2灌注作業時，進行灌注各項參數的設計的監測記錄，采空區共計注入8.1T膨脹比為1∶640的液態CO2，液態CO2氣體含量為5 184 m3，具體各個鉆孔灌注情況見表2。

表2 灌注液態CO2情況統計表

在22116工作面采空區采用液態CO2灌注后，通過對采空區內氣體監測數據進行分析，能夠得出采空區進風側1、2、3號，采空區回風側4、5、6號的束管監測數據進行整理，具體結果如圖6所示。

圖6 O2和CO濃度曲線圖

分析圖6（a）可知，隨著采空區灌注液態CO2量的不斷增加，不同測點O2含量均呈現下降的趨勢，1號和4號測點位于采空區深部，與終孔位置距離較近，從圖中能夠看出在1：00以后，該測點區域O2濃度變開始下降，直至8:00時采空區內O2濃度已降低至1.7%和1.9%，2號測點位于采空區進風側散熱帶與窒息帶的交界處，其O2濃度最低降低至13.5%，3號和6號測點由于距離終孔位置較遠，該測點區域O2濃度下降較為緩慢，最終6號測點O2濃度由20.8%下降至18.5%，3號測點處O2濃度由22.8%下降至19.6%。

分析圖6（b）可知，隨著采空區液態CO2注入作業的持續進行并在采空區內不斷的擴散，有效實現了對采空區內CO濃度的降低，其中CO濃度降低最為明顯的區域為采空區中部和深部，另外在近工作面的位置處CO濃度同樣呈現為小幅度的下降；另外從CO濃度曲線圖中可看出，在6:00以后，采空區內CO濃度降幅顯著，最終CO濃度在120～275×10-6范圍內，采空區內CO含量在合理范圍內。

另外根據現場對上隅角和回風流中的溫度進行監測得出，采空區注入液態CO2后，回風流中的溫度由34℃降低至27℃，上隅角溫度由36℃降低至26.5°，綜合上述分析可知，22116工作面采空區注入液態CO2后有效的抑制了采空區遺煤的氧化升溫。

4 結論

根據22116工作面地質條件和2號煤層賦存特征，通過分析惰性氣體的防滅火原理和液態CO2防滅火工藝，結合采空區特征，具體進行采空區內指標氣體測點設計，并進行液態CO2灌注鉆孔布置及灌注參數設計，根據灌注后采空區內的O2和CO濃度曲線圖可知，液態CO2有效抑制了采空區遺煤的自燃，保障了采空區的安全。