二氧化碳防滅火技術在采空區(qū)發(fā)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(huán)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(chǎn)，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(qū)遺煤發(fā)火問題日益突出［4-6］。煤自燃最易發(fā)生于采空區(qū)，并且由于采空區(qū)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(qū)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(jīng)常調(diào)節(jié)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(qū)遺煤可以優(yōu)先吸附CO2，從而抑制煤的氧化，具有降低采空區(qū)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?。?6］利用同步熱分析法將液態(tài)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(tài)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(shù)值模擬的方法，分析不同CO2注入位置對采空區(qū)氧化帶寬度變化，結(jié)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(qū)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(qū)自燃三帶的影響上，主要是對采空區(qū)煤自燃的預防，對工作面CO超限后的現(xiàn)場治理及與其他防滅火措施的對比研究較少。針對采空區(qū)自然發(fā)火CO超限停產(chǎn)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(qū)壓注二氧化碳后氧氣分布規(guī)律，說明了CO2防滅火技術的作用效果，通過進行現(xiàn)場壓注，使采空區(qū)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(qū)二氧化碳防滅火技術優(yōu)勢，對采空區(qū)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(fā)火原因

1.1 工作面發(fā)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(qū)工作面采用“U”型通風，地質(zhì)構(gòu)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(fā)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(jiān)測到CO，最大濃度為18×10-6，采空區(qū)開始出現(xiàn)遺煤自燃跡象，遺煤已經(jīng)發(fā)生了初期氧化。此時，在初步確定了高溫區(qū)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(xù)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(qū)束管監(jiān)測系統(tǒng)氣樣色譜分析到C2H4氣體的存在，這說明采空區(qū)遺煤自然發(fā)火并未得到有效治理且已發(fā)展到十分嚴重的情況［20-22］。

1.2 發(fā)火原因分析

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

（2）推進速度慢。因該工作面受地質(zhì)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(fā)火期內(nèi)未將“自燃帶”遺煤甩進“窒息帶”，導致采空區(qū)遺煤氧化蓄熱時間長。

（3）采空區(qū)遺煤多。由于工作面屬7#、8#煤聯(lián)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(qū)留有大量煤炭，給煤炭自燃留下隱患。

（4）采空區(qū)漏風大。綜采放頂煤技術應用在該工作面上，加大了采空區(qū)的漏風范圍。加之采空區(qū)內(nèi)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(qū)內(nèi)的漏風路徑增加，增大了漏風量。

2 采空區(qū)壓注CO2數(shù)值模擬

針對采空區(qū)自然發(fā)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(qū)壓注CO2前后壓力場、氧氣與二氧化碳濃度場分布的數(shù)值模擬，判定壓注CO2后采空區(qū)內(nèi)煤自燃危險性，明確采空區(qū)注CO2防滅火作用效果。

2.1 采空區(qū)物理模型及參數(shù)設定

依照孔莊煤礦7465綜放面采空區(qū)的實際條件，建立了計算區(qū)域三維模型，并進行網(wǎng)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(shù)為21%、CO2體積分數(shù)為0.4%，注入CO2體積分數(shù)為99%。

模擬采用“k-εRNG”模型，由于采空區(qū)內(nèi)流體進行的是雷諾數(shù)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(jié)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(qū)中的擴散傳播規(guī)律。數(shù)值模擬主要控制方程［24］有：

（1）連續(xù)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(qū)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(jù)該關系對動量守恒方程進行簡化，經(jīng)常用到的幾種簡化模型有二項式模型和指數(shù)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(shù)；ax為多孔介質(zhì)的x方向粘性阻力系數(shù)；bx為x方向慣性阻力系數(shù)。

（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(shù)，W/（m·K）；ST為流體的內(nèi)熱源及由于粘性作用流體機械能轉(zhuǎn)換為熱能部分。

2.2 采空區(qū)注入CO2前后漏風情況分析

采空區(qū)內(nèi)注入CO2必然會引起采空區(qū)內(nèi)部流場的變化，直觀體現(xiàn)在內(nèi)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(qū)惰化程度的影響，通過模擬得出最優(yōu)的注CO2參數(shù)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(qū)要求，防滅火的效果最佳。通過對注入CO2前后采空區(qū)內(nèi)風壓進行模擬，以此來判斷采空區(qū)流場產(chǎn)生的變化，得到壓注前后采空區(qū)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(qū)內(nèi)壓力梯度沿著進風側(cè)向回風側(cè)逐漸變小，相應的漏風流向與壓力梯度方向一致。采空區(qū)壓力分布在進行CO2壓注后發(fā)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(xiàn)象，因此，向采空區(qū)注入的CO2可以直接降低工作面向采空區(qū)的漏風量。

2.3 壓注后采空區(qū)CO2分布模擬

采用壓注CO2措施后采空區(qū)內(nèi)CO2體積分數(shù)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(qū)垂直水平的升高，CO2體積分數(shù)逐步降低。采空區(qū)底板附近區(qū)域積聚了大量CO2，CO2體積分數(shù)高于10%的區(qū)域約占采空區(qū)總體積的48%～68%。CO2的注入相應地降低了氧氣的體積分數(shù)，降低了自燃危險性。根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》［25］規(guī)定：工作面上隅角CO2體積分數(shù)不能超過1.5%，進風流中CO2體積分數(shù)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(shù)未超過0.5%，回風流也未超過1%，滿足規(guī)定要求。

2.4 壓注CO2前后采空區(qū)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(qū)并擴散到整個空間，所以在采空區(qū)形成了易自燃的氧化帶區(qū)域，致使采空區(qū)遺煤發(fā)生氧化自燃，對井下安全生產(chǎn)造成威脅。而在壓注CO2后，模擬結(jié)果顯示，采空區(qū)的氧氣分布狀態(tài)發(fā)生了顯著變化?？梢钥闯鲅鯕夥植紖^(qū)域收縮變小，由縱向切面圖可以觀察到，氧氣出現(xiàn)向頂板聚集的現(xiàn)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(xiàn)象。密度較小的O2被擠壓驅(qū)趕到頂板冒落帶，從而減少了與遺煤的接觸，降低了自燃區(qū)面積。

3 現(xiàn)場治理

3.1 氣體監(jiān)測

為及時監(jiān)測孔莊煤礦7465綜放工作面采空區(qū)內(nèi)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(jiān)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(cè)設置3個采樣點，編號分別為1#、2#和3#，靠近回風側(cè)設置2個采樣點，編號為4#、5#。采空區(qū)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(qū)。

3.2 注漿、注氮效果分析

孔莊煤礦7465綜放工作面在最初監(jiān)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(chǎn)，關閉電源，將人員進行疏散，并先后對采空區(qū)進行灌漿、注氮氣的防滅火措施，采取注漿、注氮氣后各監(jiān)測點CO濃度變化如圖6、圖7所示（4#束管監(jiān)測點已經(jīng)損壞，無法采樣）。

由圖6可以發(fā)現(xiàn)，采空區(qū)進行灌漿后，采空區(qū)一氧化碳量雖然有所降低，但仍保持較高水平，采空區(qū)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(zhì)構(gòu)造情況，導致采空區(qū)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(qū)高位遺煤。由圖7可知，在進行注氮氣后，采空區(qū)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(qū)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(qū)，采空區(qū)的漏風又加劇了氮氣擴散，在停止壓注氣體后采空區(qū)遺煤復燃。

3.3 二氧化碳防滅火技術應用

通過上述數(shù)值模擬研究發(fā)現(xiàn)，采空區(qū)壓注CO2后不僅可以降低采空區(qū)漏風量，同時可減少氧氣與遺煤接觸，降低采空區(qū)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(qū)，注入后可快速降低采空區(qū)內(nèi)氧氣含量，使火區(qū)得不到足夠的氧供給而窒息熄滅。此外，采空區(qū)壓注CO2還可以減小采空區(qū)的漏風并降低火區(qū)溫度，不易受地形限制，具有其他防滅火措施不具備的優(yōu)勢。因此，當孔莊煤礦7465綜采面采空區(qū)發(fā)生遺煤自然發(fā)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(xiàn)有的二氧化碳惰性防滅火裝置（系統(tǒng)）壓注，該裝置主要由CO2轉(zhuǎn)換器、調(diào)壓裝置、CO2轉(zhuǎn)換器控制柜、緩沖罐、安全閥、監(jiān)測系統(tǒng)部分等組成。CO2轉(zhuǎn)換器、調(diào)壓裝置、CO2轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換器，經(jīng)過調(diào)壓裝置的壓力、溫度等控制，經(jīng)過緩沖罐，使液態(tài)二氧化碳轉(zhuǎn)化為氣態(tài)。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(qū)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(shù)據(jù)收集并進行整理，連續(xù)測定8 d。測定結(jié)果如圖9、圖10所示。

通過對束管監(jiān)測點的氣樣分析，可以看出，各測點測得采空區(qū)CO、O2體積分數(shù)在壓注CO2后均明顯下降，并逐步趨于穩(wěn)定。由圖9可知，在第2、3 d壓注后，采空區(qū)束管測得CO濃度急速下降；第4 d壓注結(jié)束以后CO濃度下降到100×10-6左右；壓注結(jié)束以后，采空區(qū)CO濃度已經(jīng)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(qū)O2體積分數(shù)緊跟著也顯著下降；在第3 d壓注結(jié)束以后，各束管監(jiān)測點測得O2體積分數(shù)均已小于窒息濃度10%；在壓注結(jié)束后，采空區(qū)O2體積分數(shù)略微有所上升，最終維持在6%左右。因4#束管監(jiān)測點已經(jīng)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(qū)發(fā)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(fā)現(xiàn)：各監(jiān)測點均未檢測到C2H4指標氣體，上隅角CO濃度穩(wěn)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(qū)發(fā)火狀況已經(jīng)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(qū)發(fā)火效果進行對比。首先，相對于注漿技術，注入CO2后，采空區(qū)CO體積分數(shù)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(qū)，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(qū)下方覆蓋遺煤，使遺煤隔氧，可迅速撲滅火災并惰化采空區(qū)；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(qū)內(nèi)部時間更長，有效避免遺煤復燃。

4 結(jié)論

（1）采空區(qū)壓注CO2防滅火技術具有滅火速度快、不易復燃、現(xiàn)場適用性強的優(yōu)勢。

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

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

（4）壓注作業(yè)結(jié)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(wěn)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(qū)發(fā)火情況得到了及時有效治理，確保了工作面的安全生產(chǎn)。