液態CO2防滅火技術在泰山隆安煤礦11303綜采工作面中的應用

白艷飛

（晉能控股煤業集團泰山隆安煤礦，山西 保德 036600）

1 工程概況

泰山隆安煤礦11303綜采工作面位于該礦南三采區，北部為集中回風下山，南部為實體煤，東部為實體煤，西部為未開采區。工作面設計走向長為1 103 m，工作面長度237.8 m，開采煤層為11號煤層，平均煤層厚度2.2 m，煤層平均傾角2°～8°。煤層頂底板情況見表1。

表1 11303綜采工作面煤層頂底板情況表

根據工作面地質資料分析，工作面絕對瓦斯涌出量3.28 m3/min，相對瓦斯涌出量0.62 m3/t，煤塵爆炸性指數為13.53 %，具有爆炸性，煤自燃傾向性等級屬于II類，為自燃煤層，最短自然發火期為80 d。工作面回采期間，采空區遺煤容易發生自燃，給工作面安全生產帶來較大威脅。為防止采空區遺煤自燃造成的災害事故，結合工作面現場實際情況，研究提出向工作面采空區注入液態CO2方案，防止采空區遺煤自燃，為工作面安全高效生產提供保障。

2 液態CO2防滅火基本原理及施工工藝

2.1 液態CO2防滅火基本原理

由于惰性氣體分子結構非常穩定，在常溫常壓情況下一般不會與其接觸的物質產生化學反應，當向工作面采空區內注入惰性氣體時，惰性氣體會將采空區內的氧氣驅離從而使其濃度降低，當氧氣濃度降低至5%以下時，采空區內遺落的煤炭氧化速度將會因氧氣濃度不足而得到抑制和減緩[1-2]，隨著惰性氣體不斷注入，當氧氣濃度降低到3 %以下時，采空區內的遺煤氧化自燃現象將會得到完全抑制。

液態CO2防滅火作用機理與上述分析的惰性氣體基本相似，且液態CO2更易吸附在煤巖體表面，因此在不斷向工作面采空區內輸入液態CO2時，液態CO2會逐漸向工作面采空區內煤巖體裂隙內滲入，進而將煤體表面上的氧氣驅離并吸附在煤體表面，使煤體表面吸附的O2含量大幅度減少，從而達到減緩或抑制采空區內遺煤自燃的效果[3-4]。液態CO2驅離替換煤體表面O2作用原理如圖1所示。

圖1 CO2驅離替換煤體表面O2作用原理示意圖

2.2 液態CO2防滅火施工工藝

該礦井綜采工作面采用移動式礦用液態二氧化碳防滅火裝備系統向工作面采空區內注入液態CO2進行采空區防滅火。組成該裝備系統主要裝置有液態CO2儲存罐、運輸槽車、自動泵送增壓裝置、安全器件等，其中液態CO2儲存罐用于盛裝液態CO2，運輸槽車主要擔負運輸任務，自動泵送增壓裝置對儲存罐實施增壓，閥門主要用于對槽車內CO2壓力進行調節，安全閥監控設備運行的安全狀況。

移動式礦用液態二氧化碳防滅火系統施工工藝系統主要分為生產系統和輔助系統兩部分[5-6]，其中生產系統包括CO2儲液罐和防爆液相膠管，輔助系統主要包括自熱式氣化器、自動增壓裝置和防爆氣凝膠管。其具體操作工藝流程如圖2所示。

圖2 移動式礦用液態二氧化碳防滅火系統施工工藝流程圖

在向工作面采空區注入液態CO2時，當液態CO2被從儲液罐內輸出后，由于受到氣溫升溫變化影響出現氣化而造成其體積發生急劇膨脹，在管路中傳輸過程中容易堵塞管路從而對系統裝置造成安全隱患；同時在進行注液CO2作業時，要保證釋放速度均勻一致，需在槽車與輸送管路連接處安裝逆止閥和泄壓閥；另外，在向工作面采空區內進行液態CO2注入作業時，有可能出現火災區域內的有毒有害氣體從采空區溢出，從而造成液態CO2也隨之大量向外涌出問題。針對上述分析存在的問題，在采用液態CO2直注式防滅火工藝對工作面采空區進行防滅火作業時，應采取如下安全技術措施[7-9]：

1）在向采空區火災區域注液態CO2作業時，首先要使用CO2對整個輸送管路沖刷一遍，將管路內的O2全部排出后再進行CO2注入作業。

2）在對火災區域的氣體進行排放時，回風側瓦斯、CO濃度會不斷增大，因此在排放前必須先將工作面回風側的所有電器設備切斷電源，并且禁止人員進入回風側區域內。

3）在向工作面采空區進行注入作業期間，應采用指標氣體監測法對工作面采空區內遺煤自然發火情況進行動態監測，實時掌握采空區遺煤自燃情況。

3 工作面防滅火實施方案

3.1 工作面采空區灌注液態CO2防滅火實施方案

在11303工作面鄰近的11305運輸順槽向11303工作面采空區施工液態CO2灌注鉆孔，鉆孔施工位置相對滯后11303工作面切眼30 m，共計施工3個鉆孔，鉆孔間距5 m，鉆孔設計深度60 m，終孔位置在工作面煤層頂板上方5 m。鉆孔具體施工參數如表2所示，鉆孔平面布置圖如圖3所示。在采用移動式礦用液態二氧化碳防滅火裝備系統對工作面采空區灌注液態CO2時，裝備輸出口壓力值設置為1.0～2.0 MPa，出口輸出流量設置為0.8～4.0 t/h。

圖3 工作面采空區灌注CO2鉆孔施工平面布置圖

表2 11303工作面采空區灌注CO2鉆孔施工參數表

3.2 工作面采空區指標氣體監測方案

在11303工作面向采空區實施注入液態CO2作業進行防滅火時，為及時監測到采空區溫度和氣體濃度變化情況，在工作面回采過程中通過將鋼管和束管埋設在工作面上下順槽、隅角及液壓支架后方采空區內，通過束管采集采空區氣體進行氣體濃度監測和氣相測普分析，同時通過埋管真空泵和預埋熱電阻法抽采采空區氣體進行分析和測定氣體成分。在工作面進風順槽和回風順槽每間隔50 m設置1個測點，共計布置6個測點，每個測點處安裝1個監測探頭，測點布置情況如圖4所示。

圖4 工作面監測點布置方式示意圖

工作面埋設的管路為2寸鋼管，同時在鋼管內安裝3根φ6 mm的束管，每根束管負責1個測點位置處的氣體監測。通過2寸鋼管將束管、監測線和溫度測量探頭伸入到工作面采空區內，溫度測量探頭在插入管內后將其尾部向上抬起0.5 m，并保證與束管進氣口平齊，具體安裝布置如圖5所示。工作面支架后方測點布置在進風巷和回風巷采空區靠近煤壁位置，各測點間距50 m。

圖5 工作面監測探頭布置方式示意圖

4 應用效果分析

在11303工作面采空區內的3個灌注鉆孔完成施工后，采用JMR-1000型礦用井下移動式液態CO2防滅火裝備系統充裝完液態CO2后，將其運送到11305運輸巷灌注鉆孔位置，使用φ32 mm高壓膠管將鉆孔與滅火系統連接好后，開啟閥門進行灌注作業。9月25日0:00開始進行灌注作業，8:00灌注作業結束，通過對灌注作業的各項參數進行記錄，得到的具體參數如表3所示。通過統計，采空區灌注的液態CO2共計8.4 t，其膨脹比為1∶640，氣化后的CO2體積為5 376 m3。

表3 11303工作面采空區鉆孔灌注CO2作業參數情況

通過灌注鉆孔向11303工作面采空區注入液態CO2后,利用1-6號監測點對工作面采空區O2和CO濃度變化情況進行監測，將監測到的數據進行整理后，繪制如圖6所示的變化曲線。

根據圖6（a）分析可知，當向采空區內注入的液態CO2量逐漸增加時，各測點的O2濃度均呈現逐漸減小的趨勢，其中由于1號和4號測點均處于工作面采空區深部區域，距離灌注鉆孔終孔位置較近，在液態CO2注入1 h后，該2個測點處的O2濃度開始逐漸減小，在8 h后該2個測點區域的O2濃度分別降低至1.6 %和1.8 %；2號測點處于工作面進風側采空區內散熱帶和窒息帶交界區域，該測點區域范圍內的O2濃度8 h后降到最小值為13.8 %；由于3號和6號測點距離灌注鉆孔終孔位置距離較遠，該2處測點區域范圍內的O2濃度減小變化趨勢較為緩慢，在灌注液態CO28 h后，3號測點區域的O2濃度由灌注液態CO2前的23 %降低至20.2 %，6號測點區域范圍內的O2濃度由灌注液態CO2前的21.3%最終降低至19.5%。

圖6 工作面采空區灌注CO2后O2和CO濃度變化曲線圖

根據圖6（b）分析可知，當不斷向工作面采空區注入液態CO2時，隨著液態CO2氣化后在采空區內擴散范圍逐漸增大，各個測點采空區內的CO濃度均呈現明顯下降趨勢，其中在工作面采空區中部和深部區域范圍內CO濃度下降幅度最大，在灌注液態CO2時間8 h后，最終1-6號CO濃度下降至125～270×10-6，達到了合理的濃度控制范圍。

同時通過測溫探頭對工作面上隅角及回風流中空氣溫度進行監測發現，工作面采空區在灌注液態CO2后，工作面上隅角的溫度由灌注前的37℃下降至25.5℃，回風流中溫度由灌注前的35℃下降至26℃。綜上分析可知，11303工作面在采取采空區灌注液態CO2進行防滅火措施后，采空區遺煤氧化自燃升溫現象得到了有效抑制，采空區實現了安全高效開采。

5 結論

通過對液態CO2防滅火基本原理進行分析，并結合11303工作面煤層地質條件及采空區特征，制定了工作面采空區灌注液態CO2防滅火方案和采空區指標氣體監測方案。在11303工作面進行現場實施后，根據對采空區內O2和CO濃度變化情況及工作面上隅角和回風流中溫度變化進行監測結果分析表明，該方案能夠有效抑制工作面采空區遺煤氧化自燃，為工作面安全高效生產提供保障。