采空區自燃火災演化及干冰相變惰化防控成套技術裝備

研發起止時間：2019.6~2021.4

完成單位：晉能控股煤業集團有限公司、中國礦業大學（北京）、晉能控股山西科學技術研究院有限公司、大同煤炭職業技術學院

成果水平：國際先進

1 項目背景

該項目于2021年4月通過了中國煤炭工業協會組織的科技成果鑒定，研究成果為國際先進水平。

大同礦區發生過多次自然發火事故，發火地點多為綜采工作面和綜放工作面的采空區，而綜放工作面在停采搬家期間發火頻次尤為明顯，此前采用注水、限風等防滅火技術，但是注水會造成工作面漫水、惡化工作環境，停止注水后溫度會迅速回升；采取限風措施時，工作面風量由于現場瓦斯濃度的限制也不能大幅度地降低。且由于采空區分布廣闊、自燃危險區域隱蔽性很強等原因，在實際應用中防滅火措施存在一定的盲目性、片面性，取得的防控效果均不理想。因此，如何有效防治停采搬家期間的采空區自燃火災，是大同礦區目前亟需解決的安全難題之一。為此，本項目探討了停采期間采空區自燃火災影響因素，揭示多場耦合時空演化規律，停采面溫度觀測，定位高溫區域。研制干冰相變發生器，制定惰性氣體注入高溫區域技術方案，以發揮惰性氣體吸熱、隔氧、惰化等作用，達到有效預防工作面停采搬家期間采空區自燃火災的目的。項目研究成果能有力保障工作面搬家安全，對于大同礦區各礦井安全生產具有重要意義。

2 研究內容

（1）研究二氧化碳與氧氣在煤體中的競爭吸附機制，揭示二氧化碳抑制煤自燃的作用機理，建立煤溫、氧氣及二氧化碳氣體等耦合作用下的煤氧化速率模型，提出合理的二氧化碳惰化濃度指標。

（2）基于采空區自然發火的多場耦合致因理論，開發三維仿真軟件，研究停采條件下采空區自然發火時空演化規律，預測并圈劃高溫危險區域。

（3）研究開發采空區溫度觀測及指標氣體收集系統，適用于工作面停采搬家期間實時監測采空區、頂煤的溫度及指標氣體濃度變化情況，定位高溫點。

（4）以井下用水為供熱源，研制干冰相變發生器，實現干冰穩定高效相變成二氧化碳氣體，達到現場惰化用氣需求量。

（5）合理設計惰氣注氣方案，研究注氣溫度、壓力、流量、持續時間等因素對高溫煤體惰化效應的影響，評估現場實施效果，優化注氣方式和工藝參數。

3 主要研究成果

（1）研究了四老溝礦煤樣自燃特性參數

通過測試分析得出四老溝礦煤樣的自燃等級為Ⅱ類；通過煤低溫氧化實驗得出，在溫度較低時，標準耗氧速率增長緩慢，130～150℃時，標準耗氧速率開始增高，150℃左右時，標準耗氧速率變化急速加快，增速明顯增加，開始呈指數型增長。

圖1 不同濃度CO2下煤樣標準耗氧速率變化圖

圖2 不同濃度CO2下煤樣CO生成速率變化圖

（2）研究了二氧化碳抑制煤自燃的作用機理

二氧化碳對煤自燃起抑制作用，而不同濃度二氧化碳對煤自燃所起的作用不同。吸附實驗表明，煤對二氧化碳的吸附能力遠大于氮氣和氧氣；煤的低溫氧化實驗表明，二氧化碳可以有效惰化煤自燃火災，在通風允許的最大二氧化碳濃度范圍內，二氧化碳濃度越高，惰化效果越明顯。

（3）開發了停采條件下采空區自燃火災演化仿真軟件

提出了采空區氣體流場、氧濃度場、氣體溫度場和煤巖固體溫度場相耦合的自燃火災演化理論，建立了停采條件下采空區自然發火數學模型，開發了“停采狀態下采空區自然發火仿真系統”，可預測停采面采空區壓力場、氧濃度場和溫度場的分布規律，圈劃高溫危險區域，為制定停采面防滅火措施提供理論依據。

（4）研發了停采面采空區溫度觀測系統

自主研發了“煤礦停采面溫度觀測系統”，該系統由多功能釬桿、溫度探頭、保護線纜、數據采集表等組成，可實現現場溫度探測及氣體采樣功能。設計了綜放工作面搬家期間定位高溫區域方案，包括停采面采空區自然發火預測仿真系統和釬桿式溫度觀測及氣體收集系統。以數值仿真預測的高溫區為基礎，通過現場安裝溫度觀測系統，能觀測支架頂部及尾梁后部的煤體溫度變化，從而精準定位停采面高溫區。

（5）研制了停采面采空區干冰相變防滅火系統

研制了綜放工作面撤架期間使用的干冰相變防滅火系統，包括干冰相變發生器以及適用于具體情況的注氣管路布置工藝。利用模型實驗，研究了干冰相變發生器的各項性能指標、影響因素以及相變速率的控制方法；通過地面樣機測試，研究了發生器工作時相變氣體的壓力、產量及溫度等參數。結果表明，通過合理布置換熱管路、控制進回水溫差，所研制的干冰相變發生器，其單臺的二氧化碳出氣量達到0.5 m3/min，持續注氣時間超過8小時，出氣溫度維持在6～8℃，能滿足現場的用氣及降溫需求，且系統工作期間不使用電源。

（6）形成了綜放面搬家期間采空區防火技術裝備體系

根據數值模擬結果布置“煤礦停采工作面溫度觀測系統”，通過現場溫度觀測準確定位停采面高溫區，安裝干冰相變惰化防滅火系統，向高溫區煤體注入CO2氣體，并實時監測注氣區煤體溫度和指標氣體的變化，優化注入方式和參數。工業試驗結果表明，數值仿真結合現場溫度觀測的方區，通過干冰相變惰化裝備可有效降低采空區溫度，達到精準防控遺煤自燃火災的目的。

圖3 綜放面搬家期間采空區防火技術裝備

4 應用效果

項目采取了現場溫度觀測尋找高溫區域然后注低溫二氧化碳氣體防治煤自燃的方式，在四老溝礦3-5#煤層8101-1停采面的成功應用。大大抑制了停采面自然發火情況，為類似條件下礦井的安全高效撤架提供了技術支撐。項目成果經中國煤炭協會鑒定達到國際先進水平。研究成果對大同礦區類似條件下礦井自然發火防治具有較強的借鑒意義和參考價值，推廣應用前景廣闊。

（供稿：晉能控股山西科學技術研究院有限公司同大科技研究院 景珂寧）