二氧化碳防滅火技術在采空區發火治理中的應用研究

王國芝 姜 奎 王 怡 姚向東 吳奎斌

（1.山東科技大學安全與環境工程學院，山東 青島 266590；2.上海大屯能源股份有限公司江蘇分公司，江蘇 徐州 221600）

礦井火災不僅嚴重威脅煤礦的安全生產，還造成了大量煤炭資源的損失，是煤礦常見的自然災害之一［1-3］。在煤炭開采過程中，采空區遺煤發火問題日益突出［4-6］。煤自燃最易發生于采空區，并且由于采空區火源位置隱蔽不易確定，使防滅火措施無法有效開展，對煤礦安全有著非常不利的影響［7-9］。

目前采空區常用的防滅火技術主要有灌漿、阻化劑、均壓防治技術，注N2或CO2惰性氣體防治技術［10-11］。對于灌漿技術、阻化劑技術，存在覆蓋范圍有限、容易造成設備堵塞后損壞的缺陷，而對于均壓防治技術，由于需要經常調節風壓，控制難度大［12-14］。而惰氣防滅火技術特別是CO2防滅火因其窒息氧化作用、冷卻降溫作用、惰化抑爆作用，采空區遺煤可以優先吸附CO2，從而抑制煤的氧化，具有降低采空區氧含量、溫度和阻爆性能好等特點，越來越得到廣泛推廣與應用。

對于二氧化碳防滅火技術的研究，馬礪等［15］通過油浴程序升溫實驗，證明CO2對煤樣的氧化有抑制作用。楊琛［16］利用同步熱分析法將液態CO2處理過的煤樣與原樣的特征溫度進行對比分析，表明液態CO2能有效抑制煤樣復合氧化，并且能夠防止煤復燃。李宗翔等［17］利用數值模擬的方法，分析不同CO2注入位置對采空區氧化帶寬度變化，結果表明，在最佳位置與流量的條件下注CO2能有效縮短采空區氧化帶寬度。景巨棟［18］與陳根銀等［19］將二氧化碳防滅火技術分別應用于洋場灣煤礦與姚橋煤礦中，均取得了較好的防滅火效果。

目前對于二氧化碳防滅火技術的研究多集中在CO2對煤樣氧化抑制作用及注CO2對采空區自燃三帶的影響上，主要是對采空區煤自燃的預防，對工作面CO超限后的現場治理及與其他防滅火措施的對比研究較少。針對采空區自然發火CO超限停產后其他防滅火措施效果不理想的問題，利用Fluent軟件模擬了采空區壓注二氧化碳后氧氣分布規律，說明了CO2防滅火技術的作用效果，通過進行現場壓注，使采空區火情得到了有效及時的控制。最后，將3種防滅火技術治理效果進行對比，說明采空區二氧化碳防滅火技術優勢，對采空區防滅火方法的選擇及二氧化碳防滅火技術的應用有重要的指導作用。

1 工作面概況及發火原因

1.1 工作面發火概況

孔莊煤礦7465綜放工作面標高為-946～-836 m，設計走向長約1 400 m，設計工作面凈長134.25 m，工作面煤層厚度4.30～5.49 m，平均厚度4.60 m，工作面煤層平均傾角10°。采空區工作面采用“U”型通風，地質構造復雜，共揭露斷層17條。煤層自燃傾向等級為II類，易自燃，自然發火期為1～3個月。

當工作面推進至282 m時，開始在各支架測點監測到CO，最大濃度為18×10-6，采空區開始出現遺煤自燃跡象，遺煤已經發生了初期氧化。此時，在初步確定了高溫區域后，采用灌漿充填封堵的方案進行堵漏風以及滅火，但未取得明顯效果；后進一步采取了壓注氮氣的防滅火措施，但在停注后CO濃度持續升高，上隅角CO的濃度最高達840×10-6，回風流CO濃度最高達到470×10-6，工作面CO濃度達520×10-6，并且采空區束管監測系統氣樣色譜分析到C2H4氣體的存在，這說明采空區遺煤自然發火并未得到有效治理且已發展到十分嚴重的情況［20-22］。

1.2 發火原因分析

（1）煤質容易氧化。8#煤層自燃傾向性等級為II類，易自燃，煤質本身的自燃危險性較大。

（2）推進速度慢。因該工作面受地質斷層以及機電設備故障等因素的影響，導致工作面推進速度較慢，平均推進速度為1.8 m/d，小于極限推進速度。在自然發火期內未將“自燃帶”遺煤甩進“窒息帶”，導致采空區遺煤氧化蓄熱時間長。

（3）采空區遺煤多。由于工作面屬7#、8#煤聯合回采，放煤厚度最高達8 m，且有1 m夾矸，放煤時很容易將夾矸誤認為8#頂板，致使采空區留有大量煤炭，給煤炭自燃留下隱患。

（4）采空區漏風大。綜采放頂煤技術應用在該工作面上，加大了采空區的漏風范圍。加之采空區內存在多條斷層，其中有3條斷層的落差大于4 m，斷層的存在使得采空區內的漏風路徑增加，增大了漏風量。

2 采空區壓注CO2數值模擬

針對采空區自然發火嚴重，注漿、注氮等防滅火措施效果不理想的情況，對采空區壓注CO2前后壓力場、氧氣與二氧化碳濃度場分布的數值模擬，判定壓注CO2后采空區內煤自燃危險性，明確采空區注CO2防滅火作用效果。

2.1 采空區物理模型及參數設定

依照孔莊煤礦7465綜放面采空區的實際條件，建立了計算區域三維模型，并進行網格劃分，如圖1所示。

由于模擬的各種氣體密度不同，且為多組分氣體運輸，需要考慮重力的影響［23］。所以設置重力加速度g=-9.8 m/s2，壓力值默認為101 325 Pa，溫度值默認為288.16 K，進風巷的速度為2.4 m/s、O2體積分數為21%、CO2體積分數為0.4%，注入CO2體積分數為99%。

模擬采用“k-εRNG”模型，由于采空區內流體進行的是雷諾數較低的流動，因此選定“Differential Viscosity Model”。對注入氣體的運移采用組分輸運化學反應方式。梯度插值采用基于節點的格林—高斯格式（Green-Gauss node-based），壓力耦合采用“SIMPLE”算法，對控制方程中壓力的離散采用“PRESTO!”格式，其他的采用二階迎風格式，以達到收斂精度的提高。

本研究主要模擬CO2、O2在采空區中的擴散傳播規律。數值模擬主要控制方程［24］有：

（1）連續性方程。

由于 div(a)= ?ax/?x+ ?ay/?y+ ?az/?z，式（1）也可以寫作：

式中，ρ為流體的密度，kg/m3；t為時間，s；U為速度矢量；u、v、w為流速在x、y、z方向上的速度分量，m/s。

（2）動量守恒方程。也稱作Navier-Stokes方程，對于采空區滲流來說，其動量方程通常為首先通過進行試驗獲得壓力與速度的耦合關系，之后依據該關系對動量守恒方程進行簡化，經常用到的幾種簡化模型有二項式模型和指數模型。

式中，Jx為x方向的壓力梯度，kPa/m；Kx為x方向的滲透系數；ax為多孔介質的x方向粘性阻力系數；bx為x方向慣性阻力系數。

（3）能量守恒方程。

式中，cp為比熱容，J/（kg·K）；T為溫度，K；k為流體的傳熱系數，W/（m·K）；ST為流體的內熱源及由于粘性作用流體機械能轉換為熱能部分。

2.2 采空區注入CO2前后漏風情況分析

采空區內注入CO2必然會引起采空區內部流場的變化，直觀體現在內部風流流速和壓力變化上。通過模擬研究了不同條件下注CO2對采空區惰化程度的影響，通過模擬得出最優的注CO2參數為：注CO2管路距離底板0.5 m，當釋放口距離工作面為40～60 m，最佳壓注量為500 m3/h～700 m3/h左右能夠很好地滿足惰化采空區要求，防滅火的效果最佳。通過對注入CO2前后采空區內風壓進行模擬，以此來判斷采空區流場產生的變化，得到壓注前后采空區壓力分布，如圖2所示。

通過圖2能夠看出，當不進行CO2壓注時，采空區內壓力梯度沿著進風側向回風側逐漸變小，相應的漏風流向與壓力梯度方向一致。采空區壓力分布在進行CO2壓注后發生了明顯的變化，在壓注點附近壓力變化明顯，由于施工工藝中采用加工的花管壓注，管徑途中壓力都會受到影響，有增加的現象，因此，向采空區注入的CO2可以直接降低工作面向采空區的漏風量。

2.3 壓注后采空區CO2分布模擬

采用壓注CO2措施后采空區內CO2體積分數的分布如圖3所示。從圖3中可以看出，壓注CO2之后，隨著采空區垂直水平的升高，CO2體積分數逐步降低。采空區底板附近區域積聚了大量CO2，CO2體積分數高于10%的區域約占采空區總體積的48%～68%。CO2的注入相應地降低了氧氣的體積分數，降低了自燃危險性。根據《煤礦安全規程》［25］規定：工作面上隅角CO2體積分數不能超過1.5%，進風流中CO2體積分數不能超過0.5%，回風流不能超過1%。從圖3中可以看出，注入CO2后，進風流中的CO2體積分數未超過0.5%，回風流也未超過1%，滿足規定要求。

2.4 壓注CO2前后采空區O2分布模擬

如圖4（a）所示，在未壓注CO2時，部分進風流中的氧氣隨漏風沿工作面滲入采空區并擴散到整個空間，所以在采空區形成了易自燃的氧化帶區域，致使采空區遺煤發生氧化自燃，對井下安全生產造成威脅。而在壓注CO2后，模擬結果顯示，采空區的氧氣分布狀態發生了顯著變化。可以看出氧氣分布區域收縮變小，由縱向切面圖可以觀察到，氧氣出現向頂板聚集的現象，如圖4（b）所示，這是因為CO2的密度是空氣密度的1.5倍，CO2通常在底板積聚，同時CO2不易與空氣混合，所以形成了明顯的分層現象。密度較小的O2被擠壓驅趕到頂板冒落帶，從而減少了與遺煤的接觸，降低了自燃區面積。

3 現場治理

3.1 氣體監測

為及時監測孔莊煤礦7465綜放工作面采空區內氣體濃度，氣體采樣管路使用預先設置的“三帶”觀測束管進行氣體監測，在工作面進風巷和工作面回風巷共布置了5條管路，靠近進風側設置3個采樣點，編號分別為1#、2#和3#，靠近回風側設置2個采樣點，編號為4#、5#。采空區三帶觀測管路布置如圖5所示。觀測點隨著工作面的不斷推進埋入采空區。

3.2 注漿、注氮效果分析

孔莊煤礦7465綜放工作面在最初監測到CO氣體時，便立即排查原因。當CO濃度超限時，立即停止了工作面的生產，關閉電源，將人員進行疏散，并先后對采空區進行灌漿、注氮氣的防滅火措施，采取注漿、注氮氣后各監測點CO濃度變化如圖6、圖7所示（4#束管監測點已經損壞，無法采樣）。

由圖6可以發現，采空區進行灌漿后，采空區一氧化碳量雖然有所降低，但仍保持較高水平，采空區火災并未撲滅；原因是由于工作面為一定角度的俯采以及復雜的地質構造情況，導致采空區注漿受到流動性制約，灌注的部分漿液沿裂隙流向了工作面和其他較低位置，未能覆蓋采空區高位遺煤。由圖7可知，在進行注氮氣后，采空區CO濃度下降較快，但在注氮4次后停止注氮，一段時間后逐漸升高；原因是注入氮氣純度為96%，其中可能混有氧氣，導致采空區惰化效果差；其次，氮氣注入量不易控制，且在標準大氣壓下氮氣密度比空氣小，氮氣不容易留在火區，采空區的漏風又加劇了氮氣擴散，在停止壓注氣體后采空區遺煤復燃。

3.3 二氧化碳防滅火技術應用

通過上述數值模擬研究發現，采空區壓注CO2后不僅可以降低采空區漏風量，同時可減少氧氣與遺煤接觸，降低采空區煤自燃危險性。同時，CO2是一種窒息性氣體，能夠快速吸附于煤體、惰化火區，注入后可快速降低采空區內氧氣含量，使火區得不到足夠的氧供給而窒息熄滅。此外，采空區壓注CO2還可以減小采空區的漏風并降低火區溫度，不易受地形限制，具有其他防滅火措施不具備的優勢。因此，當孔莊煤礦7465綜采面采空區發生遺煤自然發火且注漿、注氮等措施效果不明顯的情況下，采用二氧化碳防滅火技術進行治理。

3.3.1 壓注工藝

地面壓注采用該礦現有的二氧化碳惰性防滅火裝置（系統）壓注，該裝置主要由CO2轉換器、調壓裝置、CO2轉換器控制柜、緩沖罐、安全閥、監測系統部分等組成。CO2轉換器、調壓裝置、CO2轉換器控制柜裝配在一起。從運送二氧化碳槽車上壓出的液體進入CO2轉換器，經過調壓裝置的壓力、溫度等控制，經過緩沖罐，使液態二氧化碳轉化為氣態。壓注工藝流程如圖8所示。

3.3.2 效果分析

開始壓注CO2后檢測到回風流和上隅角中的CO濃度下降，但仍然偏高。隨后通過預先埋設的注漿管每天對采空區灌注CO2，共計灌注150 t左右CO2。壓注后每天對各采樣點所測氣體濃度數據收集并進行整理，連續測定8 d。測定結果如圖9、圖10所示。

通過對束管監測點的氣樣分析，可以看出，各測點測得采空區CO、O2體積分數在壓注CO2后均明顯下降，并逐步趨于穩定。由圖9可知，在第2、3 d壓注后，采空區束管測得CO濃度急速下降；第4 d壓注結束以后CO濃度下降到100×10-6左右；壓注結束以后，采空區CO濃度已經降到了50×10-6以下，最終維持在（40～50）×10-6之間。從圖10能夠看到，在壓注CO2之后，采空區O2體積分數緊跟著也顯著下降；在第3 d壓注結束以后，各束管監測點測得O2體積分數均已小于窒息濃度10%；在壓注結束后，采空區O2體積分數略微有所上升，最終維持在6%左右。因4#束管監測點已經損壞，無法采集氣樣。

利用二氧化碳防滅火技術對孔莊煤礦7465綜放工作面采空區發火進行治理后，對各束管、上隅角、回風巷中的氣體進行收集分析后發現：各監測點均未檢測到C2H4指標氣體，上隅角CO濃度穩定在20×10-6左右，回風流中CO濃度也降至10×10-6以下，表明采空區發火狀況已經得到控制，取得了良好的防滅火效果。

將二氧化碳防滅火技術與注漿、注氮技術在治理采空區發火效果進行對比。首先，相對于注漿技術，注入CO2后，采空區CO體積分數下降更快且能達到較低水平，這是由于CO2可迅速惰化采空區，滅火速度快、效果好，同時不受采面地形條件限制，適用性強。相對于注氮技術，注入CO2后，CO下降速度快，停注后也無上升趨勢，這是由于注入CO2純度更高，且二氧化碳相對空氣密度較大，注入后會沉淀在采空區下方覆蓋遺煤，使遺煤隔氧，可迅速撲滅火災并惰化采空區；此外，由于煤吸附二氧化碳能力高于氮氣，且二氧化碳溶于水，故二氧化碳停留在采空區內部時間更長，有效避免遺煤復燃。

4 結論

（1）采空區壓注CO2防滅火技術具有滅火速度快、不易復燃、現場適用性強的優勢。

（2）采空區壓注CO2在一定程度上可以減小采空區漏風量，壓注二氧化碳可以顯著稀釋氧氣體積分數、惰化采空區。在采空區垂直方向上，采空區底板附近的氧氣被二氧化碳驅替到了采空區上部，減小了氧氣與遺煤的接觸，降低了自燃區面積。

（3）采空區壓注CO2之后，通過束管測得采空區O2體積分數由最高16.76%降至6%左右，采空區CO濃度由最高920×10-6降至50×10-6左右。

（4）壓注作業結束后，工作面、上隅角及工作面回風流中已檢測不到C2H4氣體，上隅角CO濃度穩定在20×10-6左右，工作面回風流中CO濃度降至10×10-6以下，采空區發火情況得到了及時有效治理，確保了工作面的安全生產。