CO2灭火技术在高瓦斯封闭火区的应用

周春山 邬剑明 王俊峰 吴玉国

(太原理工大学矿业工程学院,山西省太原市,030024)

CO2灭火技术在高瓦斯封闭火区的应用

周春山 邬剑明 王俊峰 吴玉国

(太原理工大学矿业工程学院,山西省太原市,030024)

通过对和顺一缘煤矿150105工作面采空区自燃火灾状况的分析,提出了注CO2灭火的方法,论述了CO2灭火的机理、特点、制取方法和施工工艺。结果表明,随着CO2的注入,150105回风巷斜下密闭墙观测孔内CO浓度由0.8243%降至0.0056%,O2浓度由6.5%降至1.2%,C2H4和C2H2均降为0,火区治理效果显著。

煤炭自燃 CO2灭火 高瓦斯矿井 封闭火区

山西潞安集团和顺一缘煤业有限责任公司由原山西和顺凤台一缘煤业有限公司整合而成,矿井设计生产能力90万t/a,现开采15#煤层。2010年3月22日12∶30,一缘煤业150105采空区瓦斯抽放系统 CO探头测值出现变化,由日常0.0001～0.0002%上升至0.0008%,随后停止了抽放,至25日整个风流系统正常。但从26日04∶30开始,总回风巷CO探头出现异常,如图1所示。在发生CO异常后,矿方对整个通风系统进行了排查,发现在150105工作面进、回风巷绕道密闭前均有CO渗漏,其观察孔内CO浓度高达0.8%,并有C2H4和C2H2出现,而其余地方均未发现异常。初步判定150105工作面停采线附近浮煤在长期漏风供氧的条件下发生自燃,从而造成CO异常涌出。

图1 总回风巷CO浓度随时间变化曲线图

1 封闭采空区自燃原因分析

(1)矿井开采的15#煤层含硫量高,自燃倾向性为Ⅰ级,属容易自燃煤层,煤层最短自然发火期为54天;该工作面在回采撤架过程中,52#架附近曾经发生冒青烟现象,后经注胶处理后于2009年8月进行了封闭。

(2)矿井开采的15#煤层平均厚5.5 m,采用走向长壁式综采放顶煤采煤法,全部垮落法管理顶板,采空区特别是“两道两线”遗煤较多。

(3)矿井为高瓦斯矿井,在工作面回采完毕后安装了瓦斯抽放系统抽放采空区瓦斯,由于密闭不严,封闭后停采线附近浮煤暴露在空气中的时间约6个月,超过煤自然发火期,具备自然发火的潜在危险性。

2 应急处理措施

2.1 加强监测监控

(1)在150105工作面进、回风巷绕道密闭口、150105回风巷与总回风桥处增设CO传感器,并重点监测。

(2)安排专人每天9∶00和21∶00对150105上进风巷绕道密闭观测孔采集气样送至地面进行色谱分析,以掌握有害气体及火区变化趋势。

2.2 查明150105工作面与150103工作面连通性

应用瞬时释放SF6示踪气体技术在150105工作面运输巷密闭观测孔将99.98%的SF6气体(20kg)一次性瞬时释放,同时在150103工作面进回风隅角处、回风巷和总回风巷4个采样点按规定时间进行接收,并用带电子俘获的气相色谱仪进行分析。实验结果表明,150103工作面4个接收点均没有检测到SF6气体,说明150105工作面与150103工作面之间没有漏风通道,产生的CO气体不会突然涌入150103工作面。

2.3 地表裂隙填埋

组织人员对150105回采工作面对应地表进行裂隙情况排查,对出现塌陷裂隙处检测气体情况和风流方向,之后用黄土填埋并压实,以减少地表裂隙漏风。

2.4 密闭间充填

对150105工作面进、回风巷绕道口临时密闭及绕道永久密闭之间以及150105工作面进、回风巷口临时密闭和永久密闭之间(共4个地点)充填库尔拜,一方面减少漏风,另一方面起隔爆作用。

3 灭火方法选择

由于该矿井为高瓦斯矿井,根据150105工作面进、回风巷绕道密闭口观测孔气体检测结果显示,采空区CH4浓度在6%～11%,O2浓度在4%～7%,加之存在高温火区,当外界条件发生改变时采空区存在瓦斯爆炸的可能性。注入惰性气体既可使火区环境中氧气浓度下降抑制煤的自燃,又能缩小瓦斯爆炸的界限,防止瓦斯爆炸的发生,同时能提高注入区域的压力,可减少空气的漏入。因此选用向150105工作面采空区注入惰性气体灭火的方法。

目前矿井常用的惰性气体主要有CO2和N2,在实际煤层自燃火灾处理过程中,CO2比N2存在以下几个方面优点。

(1)在井下多种气体共存的条件下,煤炭吸附CO2的能力和速度大于N2,即CO2可以更多、更快的吸附于煤炭,对煤体形成包裹,进而阻止煤氧复合作用,抑制煤炭自燃。

(2)CO2的热容低于N2,CO2具有更好的吸热效果。当煤体下降相同温度,CO2吸收的热量比N2要少,即吸收相同的热量,CO2降低的温度更多。

(3)由于火区一般位于采空区中下部,N2的密度比空气轻,N2注入火区后容易向火区顶部放顶煤裂隙带扩散,火区惰化覆盖率较差;而CO2重于空气,可快速沉入底部而挤出火区氧气,其覆盖率很高,对火区灭火和抑爆特别奏效。

(4)CO2制取过程中不会产生氧气,在向火区压注时,可完全避免注入N2过程中可能带入氧气而造成的不利影响,可快速降低氧气浓度。

因此,该灭火工程选择向150105工作面采空区注入CO2。

4 CO2灭火施工工艺

4.1 CO2的制取

选用ZR1000型二氧化碳发生器,按一定的比例将硫酸和碳酸氢铵加入发生器内,通过化学反应生成CO2气体,并依靠反应压力送往火区,抑制火区爆炸并灭火,其化学反应式为:

图2 CO2发生器结构示意图

发生器结构示意图如图2所示,将其安装于150105工作面附近的总回风巷内,设备上CO2输出阀通过专用的输气管路与钻孔相联接,形成灌注系统。设备参数:产气速率0～1000 m3/h;出口输出压力0～0.55 MPa;产气浓度大于98%,其余成分为水蒸气。

4.2 钻孔施工

根据矿井开采特点及火区监测情况,自燃危险区域位于150105工作面停采线上下隅角,结合井下巷道实际布置情况,选择从总回风巷向自燃危险区域注入CO2,钻孔终孔位置选择在距150105工作面运输巷10 m处和回风巷40 m处,如图3所示。钻孔孔径设计为80mm,选用ZLJ-650型煤矿用坑道钻机,配备42mm×1.0 m光滑钻杆、80mm岩石钻头进行施工。整个施工工艺为:施工放样→平整机台→钻机就位→低速开钻→正常钻进→接钻→打通前加强监测→退钻(救护队实施) →埋设ø50mm管→测温测气→关闭阀门→封堵裂隙。

图3 注CO2钻孔布置示意图

4.3 CO2灌注量及材料用量计算

(1)CO2灌注量。实验和理论研究表明,当混合气体中CO2浓度达到22.8%时,瓦斯就不能引起爆炸,着火煤炭就会窒息,因此CO2注入量需大于等于V×22.8%。其中V为预测火区空间体积,由式(1)求得:

式中:H——煤层厚度,取5.5 m;

L——工作面长度,取200 m;

W——着火区域宽度,取20 m。

得出V=22000 m3,则CO2注入量为5016 m3。

(2)材料用量。根据碳酸氢铵和硫酸的反应方程式可得,每产生1 m3的CO2气体约需3.3 kg碳酸氢铵、2 kg硫酸(浓度为98%)和2.6 kg水。因此,碳酸氢铵用量为16553 kg、硫酸10032 kg、水13042 kg。

4.4 CO2灭火效果分析

2010年3月 30日10∶00开始通过钻孔向150105工作面采空区注入CO2气体,至3月31日18∶00结束,累计注入 CO2约 5000 m3。随着CO2的注入,150105回风巷斜下密闭墙观测孔内CO浓度由 0.8243%降至 0.0056%,O2浓度由6.5%降至1.2%,C2H4和 C2H2均降为0,随后停止了注CO2,加强日常对火区的观测。随着时间的推移,观测孔内CO气体呈逐渐下降趋势,4月25日CO浓度降为0.0005%,火势得到了完全控制并趋于熄灭。

5 结论

CO2灌注系统简单、不需接电、无机械运转,设备的安全性和可靠性高;CO2对煤炭氧化自燃有良好的惰化、抑制作用,灭火速度快;CO2注入前,要查明火区的漏风情况并封堵漏风通道,保证CO2的灭火效果。

[1]周凤增.CO2灭火技术在开滦集团公司的应用实践[J].煤矿安全,2006(5)

[2]康福钧.CO2灭火技术的应用与评价[J].华北科技学院学报,2006(1)

[3]赵忠,王海东,刘永军.CO2灭火技术在天祝煤矿的成功实践[J].煤矿安全,2005(5)

[4]康福钧.CO2灭火技术在忻州窑矿8903下工作面中的成功应用[J].煤矿安全,2006(12)

[5]李士戎.二氧化碳抑制煤炭氧化自燃性能的实验研究[D].西安科技大学,2008(4)

(责任编辑 梁子荣)

Application of fire extinguishment by CO2in high gas sealed fire zone

Zhou Chunshan,Wu Jianming,Wang Junfeng,Wu Yuguo
(College of Mining Engineering,Taiyuan University of Technology and Engineering,Taiyuan,Shanxi 030024,China)

CO2was used for fire extinguishment in goaf of 150105 working face in Yiyuan coalmine in Heshun city,based on an analysis of situation of coal spontaneous combustion.The mechanism,characteristics and construction process of fire extinguishment by CO2as well as CO2preparation were discussed.The results show that CO concentration in return airway of 150105 working face decreases from 0.8243%to 0.0056%after CO2injection,with O2concentration dropping from 6.5%to 1.2%and no C2H4and C2H2existing,suggesting successful fire extinguishment.

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TD753

B

周春山(1979-),男,助教,主要从事煤矿安全的教学与科研工作。