辛置矿2-208 工作面采空区防灭火技术研究与应用

张 强

（霍州煤电集团辛置煤矿，山西 霍州 031412）

1 工程概况

山西焦煤霍州煤电集团辛置煤矿2-208 综采工作面位于310 水平二采区，工作面位于310 水平二采区轨道巷左侧，北面紧邻二采区轨道巷、皮带巷，南面距离二采区右翼皮带巷110 m，西面距离二采区回风巷25 m，东面距离2-202 工作面采空区最小间距为63 m，工作面主采2 号煤层，2 号煤层位于二叠系下统山西组，煤层稳定可采，结构复杂，含2 层夹矸，其中第2 层夹矸层位较稳定，厚度稍大，为低硫肥煤，煤层厚度为3.8~4.3 m，平均厚度为4.1 m，平均倾角为4°，工作面倾斜长度和走向长度分别为579.5 m 和175 m，煤层顶板岩层为泥岩、砂泥岩和K8 中细砂岩，底板岩层为泥岩和中砂岩。

根据矿井地质资料可知，2 号煤层瓦斯相对涌出量为0.28 m3/t，绝对涌出量为0.73 m3/min，为低瓦斯煤层，煤尘具有爆炸性，2 号煤层自燃等级为Ⅰ级，现为防止2-208 工作面采空区出现自燃现象，拟采用液态二氧化碳防灭火技术进行采空区防灭火。

2 液态CO2 防灭火工艺

2.1 防灭火原理

采空区内注入CO2能够有效抑制采空区内的遗煤自燃现象，其中CO2对采空区内的气体抑制机理主要有惰化作用、气体吸附阻化作用和冷却降温作用，具体CO2这3 项作用原理如下：

1）惰化作用：CO2气体是一种惰性气体，将CO2注入采空区内后，能够有效的稀释采空区内氧气的浓度，且CO2的注入区域会形成一个惰性区域，采空区内的遗煤在CO2的惰性作用下会被覆盖，实现将氧气与遗煤之间被CO2分隔开，当采空区内的氧气含量降低至5%~10%时，此时即可实现抑制采空区内遗煤自燃现象的出现，当采空区内氧气含量低于3%时，此时采空区内的遗煤完全被抑制。

2）吸附阻化作用：煤体是一种孔隙性的介质，其具有一定的吸附能力，且煤体对不同气体的吸附能力不同，根据相关研究表明[1-2]，对气体吸附能力由高至低排列，分别为 CO2＞ CH4＞ CO ＞ N2；据此可知，煤对于CO2的吸附能力较高，在同等条件下，CO2能够被更快的吸附到煤中，煤体吸入CO2后，可实现对煤体的包裹，进而抑制采空区遗煤的氧化自燃。

3）冷却降温作用：液态的CO2通过管路注入到采空区内后，在周围环境压力的作用下，随着压力的升高和周围温度的升高，液态的CO2其会被瞬间气化，液态CO2气化的过程会吸收大量遗煤散发出的热量，达到对采空区有效降温的目的，基于相关实验数据可知，当外界气体压力为16°时，此时注入采空区内CO2，在注入时间4 h 后，采空区内部的温度会普遍降低2℃~3℃。

2.2 防灭火工艺

液态CO2防灭火工艺主要是将大流量的CO2注入到防灭火的区域，降低采空区内的氧气浓度、阻化煤体自燃、降低采空区内遗煤温度，以此有效抑制采空区内遗煤的自燃现象，实现采空区的防灭火。液态CO2的输送系统主要包括3 部分，分别为地面出流段、垂直保压段、水平保压段，防灭火系统布置如图1所示，图中P 为压力表、T 为温度计、Q 为流量计。

在进行液态CO2压注时，液态CO2从地面出流段释放由地面钻孔，然后通过地面钻孔在进入到井下硐室，最后通过井下硐室达到防灭火区域，

图1 液态CO2 输送系统示意图

图2 液态CO2 施工工艺流程图

在进行液态CO2防灭火工艺施工时，主要的工艺流程为安装及准备工作、气密性检测、升压及保压、液态CO2压注、吹扫管路，具体施工工艺流程见图2。

1）安装及准备工作：将压力表、温度计、流量计按要求放置于输送管路上，用于在液态CO2施工时监测其流量、压力和温度，该阶段同时检查各个管路的连接安装状态，确保管路之间均连通。

2）气密性检测：通过向管路内注入少量的液氮，并随时监测沿途的管路，当发现存在着氮气泄露现象时，此时应停止压注，采用有效措施进行密封。

3）升压与保压：在气密性检测完成后，将井下钻孔阀门更改至开启状态，并通过注入气体CO2对管路内的气体进行驱替，在驱替完成后，随着可采用增压装置对整套输送管路进行液态CO2的压注作业，通过增压装置当液态CO2的压力达到1.6~2.0 MPa 时，即可停止增压作业[3-4]。

4）液态CO2压注：当升压与保压作用完成后，对输送管路内的环境进行检查，确保输送管路内能够达到输送液态CO2的条件，随后打开储液罐的流量控制阀，随着压注液态CO2作业的进行、压注流量的增大会使得输送管路内的压力会逐渐增大，当压力达到一定数值后，缓慢调节钻孔前阀门进行调整，确保液态CO2压注的压力稳定在1.6~2.0 MPa 之间，以此持续进行持续稳压注入。

5）吹扫管路：当压注液态CO2达到设定流量时，此时即可关闭流量控制阀，停止注入作业，采用增压装置向管路内压注气态CO2实现将残余液态CO2气体驱逐出压注管路的目的，以确保输送管路的安全。

3 防灭火方案及效果

3.1 防灭火方案

2-208 工作面采用液态CO2防灭火工艺时，输送系统中主要包括地面出流段、垂直和水平保压段，本次液态CO2的防灭火工艺采用高压钢管，液态CO2防灭火方案中的各项参数设计如下：

1）注入位置：现为保障液态CO2注入后能够有效的扩散到工作面整个采空区内，现设置将液态CO2放置在工作面进风巷一侧，现为使得注入位置距离工作面支架的距离较为合理，通过下式进行计算确定：

式中：Dmax为注入口距离工作面的最小距离；Dmin为注入口距离工作面的最小距离；Wco为采空区散热带与氧化带宽度之和；Rc为液态CO2的扩散半径；根据2-208 工作面的地质条件，现取Wco=130 m、Wcz=15 m、Rc=15 m，基于上述数据能够计算得出Dmax=115 m，Dmin=30 m，现考虑类似工程实践液态CO2的扩散半径，最终确定注入口布置在进风巷一侧距离工作面50 m 的位置处。

2）注入强度：液态CO2的最大注入强度确定时是依据回采工作面的氧气浓度计算确定[5-6]，具体其计算公式如下：

式中：Qmax为注入液态 CO2的最大强度；Qf为工作面风量；C1为工作面的初始氧气浓度；C2为允许的氧气浓度。根据工作面通风情况，取Qf=850m3/h；C1=20%；C2=18%，计算得出Qmax= 8 500 m3/h，现考虑到液态CO2的密度为1.155 t/m3，膨胀系数为585，据此能够确定出本次注入液态CO2的强度为14 m3/h。

2-208 工作面在进行液态CO2压注作业时，其压注系统流程图如图3 所示。

图3 工作面压注液态CO2 系统流程图

在采空区氧化带靠近进风巷一侧距离工作面液压支架50 m 的位置处，共计布置2 个液态CO2压注钻孔，并将其分别命名为1 号和2 号，2 个钻孔水平方向上的距离为36 m，具体采空区液态CO2压注钻孔的布置剖面图如图4 所示。

图4 采空区液态CO2 压注钻孔布置剖面图

3.2 效果分析

为有效验证液态CO2注入采空区后的防灭火效果，在工作面进风巷和回风巷分别布置1 个测点，具体对采空区内CO、CO2和O2的浓度进行实时监测，具体监测采空区压注液态CO2后指标气体浓度变化曲线如图5 所示。

分析图5 可知，2-208 工作面采空区内注入液态CO2后，在采空区的不同位置，其气体浓度的变化差值较大，在工作面压注液态CO2后，采空区内的CO2的浓度会逐渐上升，同时O2和CO 的浓度会逐渐降低，从曲线中能够看出回风巷内的O2浓度会下降至3%，CO 的浓度最终会降低至0%；在工作面进风巷侧，随着液态CO2的注入，CO2逐渐上升至12%以上，O2浓度降低至3%以下，CO 浓度出现迅速降低，最终进风巷区域CO 浓度稳定在25×10-6；据此可知液态CO2注入后能够对采空区起到有效的抑制作用，可有效的抑制采空区内的遗煤氧化，有效的预防了采空区内出现自燃现象。

图5 工作面进风巷和回风巷气体浓度变化曲线图

4 结 论

根据2-208 工作面瓦斯及煤层赋存特征，通过具体分析液态二氧化碳防灭火工艺流程，结合工作面特征，确定工作面液态CO2注入口布置在进风巷一侧距离工作面50 m 的位置处，注入强度为14 m3/h，注入压力为1.6~2.0 MPa，并在采空区注入液态CO2后对采空区内的指标气体进行监测，基于监测结果可知，采空区内注入液态CO2后，对采空区的惰化效果较好，能够有效防止采空区遗煤自燃。