高河矿综放工作面CO2 防灭火技术应用

闫绍辉

（山西潞安集团高河能源有限公司，山西 长治 046000）

由于综放工作面开采速度较慢，采空区遗煤较多，一次冒顶空间较大，从而导致采空区漏风严重，使得采空区遗煤发生自燃的条件较为充足。一旦发生火灾，将对生产经济造成巨大损失，对现场工作人员人身安全造成巨大威胁。针对不同开采工艺，需要有与之相匹配的防灭火措施。目前井下的防灭火技术主要有阻化剂防灭火法、均匀防灭火法、火区封闭法、灌浆防灭火法以及惰性气体防灭火法，其中惰性气体防灭火法主要以CO2防灭火技术为主。综放工作面主要使用CO2灭火技术。该技术速度快，灭火能力强，灭火范围广，不会对环境造成污染，不会在高温蒸发后与煤产生易燃有毒气体。

本文以高河矿W1309 综放工作面为工程背景，对CO2防灭火技术的应用及效果进行研究。

1 工程概况

W1309 工作面所采为3#煤层，煤层埋深408.321～445.232 m，赋存于二叠系山西组地层中。煤厚为5.60～7.15 m，平均6.56 m，煤层厚度较为稳定。煤层倾角为1～7°，平均5°，距9#煤层平均距离为69.6 m。煤层着火点为305°，自然发火期为1～3 个月，其中最短发火期为21 d，煤层自燃等级为I 级。

原煤灰分（Ad）平均16.90%，以低中灰分煤为主；原煤挥发分（Vdaf）为15.85%，为低挥发分煤；煤类相应由瘦煤（SM）变质为贫瘦煤（PS）；原煤硫分（St,d）为0.24%，3#煤以有机硫为主。煤灰分分析：以酸性二氧化硅（SiO2）和三氧化二铝（Al2O3）为主，根据煤灰分计算，3#煤层酸碱比为0.19，结渣指数为0.06，结污指数为0.2。

2 采空区发火原因分析及检测

W1309 工作面煤层厚度平均为6.56 m，采煤机割煤3.2 m，剩余的3.36 m 为放煤开采。由于放煤工艺本身存在的缺陷，导致放煤层的煤掉落不彻底，因此会在采空区留有大量遗煤，为煤起火提供了必要条件。W1309 工作面与W1310 采空区相邻，巷道与W1310 采空区存在较多的岩体裂隙，导致采空区漏风。进风巷道与相邻工作面W1308 风巷也存在煤柱裂隙漏风。另外工作面巷道均采用锚网索强力支护，导致工作面后方岩层不易垮落，从而工作面漏风量也随之增大，而且结构空隙空间大，为采空区煤自燃且充分燃烧提供了更大的有利条件。

工作面及采空区煤自燃检测主要采用红外线测温、束管检测、人工检测的手段，其主要检测的自燃指标气体有CO、C2H2、C2H4、C2H6等可燃气体，检测地点为架后、架间及行人侧，具体如图1 所示。本文以CO 浓度为主要检测指标，现场生产中上隅角CO 的防火安全浓度为100 ppm，临界值指标为300 ppm，因此需要采取相关防灭火措施。

图1 可燃气体检测位置示意图

3 防灭火技术措施及效果

3.1 液态CO2 防灭火技术

W1309 综放工作面已建立黄泥灌浆防灭火系统，在采空区煤层已出现自燃的情况下，需要继续采取相关的防灭火措施。采用封闭式注入方式对W1309 工作面采空区进行液态CO2注入，通过地面钻孔与井下铺设的管道进行连接，将液态CO2从地面注入，途经井下硐室及W1309 进风巷的穿层钻孔向W1309 采空区注入液态CO2。如图2 为注入CO2示意图。

图2 注入CO2 示意图

3.1.1 注入液态CO2工艺

如图3 为采空区注入液态CO2系统流程图。系统主要由三部分组成：地面出流段、垂直保压段、水平保压段。具体路线为：地面液态CO2储蓄槽车—地面钻孔—井下液态CO2储蓄硐室—井下液态CO2不锈钢管路—液态CO2高压输入软管—W1309 风巷注入管路—W1309 采空区。

图3 注入CO2 系统流程图

在正式向采空区注入液态CO2前，为保证CO2始终处于液态，防止其转为固态以致于堵塞管路，先向管路中注入少量液态CO2，同时检查管路的完整性及流通情况，避免出现管路泄漏。在完成系列检查工作后，向管路注入液态CO2，将整个管路注入压力缓慢升至1.8 MPa 左右。整个注入期间，通过调节截止阀必须将管路压力动态维持在1.6～2.0 MPa 之间。在完成注入后，利用增压装置向管路中继续输入气态CO2，目的是将剩余在管路中的液态CO2全部排出到采空区中，防止管路中残余液态CO2。

3.1.2 液态CO2注入位置

在采空区有风流的情况下，为使液态CO2能够充分扩散至整个采空区，将液态CO2注入口布置在靠近进风巷一侧，并使其与工作面支架之间保持合理距离。其距离可由公式（1）确定。

式中：Dmin为注入孔距工作面支架最小距离，m；Wcz为采空区散热带宽度，m；Rc为液态CO2扩散半径，m；Dmax为注入孔距工作面支架最大距离，m；Wco为采空区散热带与氧化带宽度之和，m。

结合W1309 工作面实际情况可知，Wcz=15 m，Rc=15 m，Wco=130 m。代入公式计算可得Dmin=30 m，Dmax=115 m。通过现场具体情况及工程经验最终确定将液态CO2注入孔布置在W1309 进风巷一侧距工作面50 m 处。

3.1.3 液态CO2注入强度

一般通过回采工作面氧气浓度来计算液态CO2最大注入强度，如公式（2）所示。

式中：Q风为工作面风量，m3/h；C1为工作面初始氧气浓度，取21%；C2为工作面允许氧气浓度，18%。

W1309 工作面供风量51 000 m3/h，代入计算可得Qmax=8500 m3/h。考虑液态CO2密度为1.155 t/m3，实际膨胀系数为585，以及现场实际情况，最终设计工作面液态CO2的注入强度为14 m3/h。

3.2 措施效果

在对W1309 工作面采空区注入液态CO2后，为了研究液态CO2对工作面及采空区的作用效果，在工作面两侧及中间部位（架后）各布设检测点，研究CO及CO2浓度随时间的变化情况，如图4所示。

图4 工作面不同部位气体浓度变化情况

由图可以看出，在注入液态CO2初期，工作面不同位置处CO 浓度变化幅度很大，尤其在工作面中部区域，CO 浓度最大达到110 ppm，在工作面上侧CO 浓度最大达到53 ppm。由于注入液态CO2位置在工作面下侧进风巷，所以该部位CO 浓度整体较工作面其他处偏小，CO 最大浓度为36 ppm。随着CO2浓度的进一步增大，工作面各处的CO 浓度快速下降，紧接着随着时间的不断增长，CO2在采空区充分扩散，导致后期工作面各位置处的CO 浓度开始逐渐降低并趋于平稳。其中工作面中部区域CO 浓度趋于0，工作面上侧区域CO 浓度趋于10 ppm，工作面下侧CO 浓度趋于18 ppm。结合工作面CO2浓度变化情况，在前期注入液态CO2后，CO2浓度开始逐渐升高，随着时间的增长，CO2不断在采空区内扩散以及与煤体进行吸附，导致浓度开始降低。分析原因认为，CO2与煤体的吸附阻断了氧气与煤反应生成CO，所以CO 浓度降低，说明了液态CO2能够很好地抑制煤体自燃的条件，同时液态CO2能够降低周围空气温度，使煤体自燃发生的概率进一步减小。

为进一步分析采空区注入液态CO2的影响效果，在工作面进风巷与回风巷各布置一个测点，来检测CO、CO2、O2的含量变化情况，如图5 所示。

图5 工作面巷道气体浓度随时间变化情况

由图可以看出，在采空区注入CO2后，不同测点气体浓度的差异很大。在W1309 工作面回风巷内，当CO2浓度到达9%以上时，O2浓度降到3%以下，CO 浓度下降很快，最终浓度变为0，CO2起到的作用显著；在工作面进风巷，当CO2浓度达到12%以上时，随着时间的延长，浓度逐渐下降，同时O2浓度也逐渐降低，并最终维持在3%左右，CO 浓度也随之降低，并最终维持在25 ppm 左右。整体分析结果表明，液态CO2的注入能够很好地抑制遗煤的氧化，对采空区气体起到很好的惰化作用。

4 结论

（1）对液态CO2注入工艺进行了详细阐述，并确定整个注入过程中的注入压力需维持在1.6～2.0 MPa之间。

（2）通过理论计算及现场实际情况确定了液态CO2注入位置为W1309 进风巷一侧距工作面50 m 处，注入强度为14 m3/h。

（3）在采空区注入液态CO2后，通过对工作面不同位置、进风与回风巷不同测点处相关气体检测，得出CO2气体能够很好地抑制煤体的氧化，对采空区气体起到很好的惰化作用。