采空区液态二氧化碳惰化降温防灭火技术研究

宋宜猛

（国家安全生产监督管理总局信息研究院，北京市朝阳区，100029）

目前，二氧化碳特别是液态二氧化碳防灭火技术在煤矿火灾防治中得到广泛应用。液态二氧化碳防灭火技术除了具有安全性高、惰化率高、抑爆性能好、速度快、成本低等特点，还具有减少碳排放的重要环保意义。前人在采用二氧化碳防灭火方面开展了大量研究工作并取得了一定的成果，但总体而言，缺乏比较完整的对比研究和总结分析，特别是液态二氧化碳防灭火分类注入量鲜有涉及。本文在总结分析液态二氧化碳防灭火机理及对比氮气防灭火技术基础上，推导了液态二氧化碳注入量计算公式，研究确定了液态二氧化碳的注入工艺和注入位置等参数，结合在山西潞安集团温庄煤业150201工作面采空区灭火的工程应用，总结了相关经验，以使该技术在今后煤矿火区治理中更好地发挥作用。

1 液态二氧化碳防灭火机理

液态二氧化碳作为煤矿防灭火新材料，其灭火性能主要表现为降温和惰化两个方面。一方面，液态二氧化碳在膨胀气化过程中需要吸收大量的气化热，液态二氧化碳气化热为578 kJ／kg（－78.5℃）。在相对封闭的空间内，所需的气化热从火区周围环境中获得，从而降低了火区的温度，减缓了煤氧反应速度；另一方面，大量的液态二氧化碳气化充盈进火区空间后，氧浓度被急剧稀释的同时又增加了火区的气体静压，从而降低了采空区的漏风量，致使供氧进一步减少，同时二氧化碳气体进入火区后，与煤接触产生吸附现象，煤是吸附剂，二氧化碳是吸附质，从而减少了煤对氧的吸附。据试验表明，煤优先吸附二氧化碳气体，使得煤被二氧化碳气体所包裹，从而阻断了煤氧复合理论所主张的自燃的前半个进程（煤氧结合过程），使得链式反应失去活性，反应得以终止，这便是二氧化碳气体的惰化作用。

2 液态二氧化碳与液氮防灭火性能对比

虽然液态二氧化碳和液氮都可作为惰性气体用于防治煤自燃，但液态二氧化碳比液氮更具有独特的优势。二者防灭火性能参数对比见表1。在纯度方面，目前无论采用膜分离还是吸附分离技术制作氮气，都不可能把氧气全部分离出去（现有制氮机制作后的氮气浓度约为97%左右，因氧气的液化沸点为－182.96℃，氮气的液化沸点为－196℃，因此在液化过程中部分氧气被保留在了液氮中）。而化工厂制取液态二氧化碳时，因二氧化碳液化沸点为－56.6℃，较氧气的液化沸点相差较大，因此在液化过程中不会被掺入氧气成分，从而纯度更高，接近100%；在吸附量方面，在相同温度和压力条件下，煤对二氧化碳气体和氮气的吸附能力分别48 L／kg和8 L／kg，即煤对二氧化碳的吸附能力是其吸附氮气能力的6倍；在抑爆方面，氮气对应失爆点的抑爆临界氧浓度为11.5%，二氧化碳气体对应失爆点的抑爆临界氧浓度为14.6%，即在同等条件下，二氧化碳气体可比氮气抑爆范围更宽、更早达到抑爆效果；采空区火源点多发于遗煤中，即一般位于采空区一侧的中、下部。氮气的密度小于空气密度，二氧化碳气体密度大于空气密度，因此，采空区的火源点更容易被二氧化碳惰化带覆盖，且覆盖率较广。所以，液态二氧化碳的防灭火性能要优于液氮防灭火性能，并且更具有环保意义。

表1 二氧化碳和氮气的防灭火性能参数对比

3 液态二氧化碳注入工艺、注入量计算及注入位置

液态二氧化碳防灭火关键技术主要包括注入工艺选取、注入位置选择以及注入量的确定，因此有必要重点从这三个方面研究确定液态二氧化碳防灭火参数。

3.1 液态二氧化碳注入工艺

用于防灭火的液态二氧化碳一般来源于化工厂回收的副产品。在需要时，可通过特制的运送槽车将液态二氧化碳运至井口，再由煤矿根据矿井及火区条件，以适当的方式送到火区防灭火。其方式主要有以下几种：

（1）钻孔式：从地表直接向火区或火灾隐患区打钻孔，通过套管注入液态二氧化碳，这种方式适用于火区或火灾隐患区接近地表的情况。

（2）埋管式：一般是利用矿车型槽车将液态二氧化碳运至井下火区附近，然后沿工作面的进风侧采空区埋设一趟管路，随着工作面推进，当出口达到一定深度后开始注液态二氧化碳，同时又埋入第二趟管路，如此交替进行。

（3）拖管式：同埋管式不同的是液态二氧化碳注入管随着工作面的推进而移动，管路依靠液压支架等做牵引使其埋入固定深度。

（4）旁路式：当工作面有双进风巷时，可通过与工作面平行的巷道，在其内通过钻孔将氮气注入发火采空区。

3.2 氧化带防灭火二氧化碳注入量计算

在开采易自燃煤层时，惰化采空区氧化带防止自燃是日常工作之一。借鉴《煤矿用氮气防灭火技术规范》（MT／T701－1997）中氮气注入量的计算公式，可得出根据控制火区的氧浓度计算需要注入液态二氧化碳量的公式，即

式中：QC——氧化带惰化防火二氧化碳注入量，m3／h；

Q0——进入氧化带的漏风量，m3／min；

K——二氧化碳防火用量的备用系数，取1.2～1.5；

K0——采空区漏风流经散热带的氧浓度递减系数，取0.5～0.9，平均为0.7；

C0——工作面空气氧浓度，取20%；

C2——氧化带惰化防火临界氧浓度，取10%。

3.3 火区灭火二氧化碳注入量计算

在治理封闭空间火区时，由于封闭的空间体积一般比较大，且氧含量高，所以灭火初始注入二氧化碳的量要相对较大。此时还要考虑被封闭的空间体积的大小，火区封闭的空间体积用式（2）计算：

式中：V——封闭火区的总体积，m3；

V1——工作面封闭体积，m3；

V2——巷道封闭体积，m3；

V3——采空区封闭空间体积，m3；

L1——采空区走向长度，m；

L2——采空区倾向长度，m；

h——煤层厚度，m；

λ——顶板岩石冒落碎胀系数，取1.1～1.3。

由封闭空间氧气浓度关系可推导出治理封闭空间火区二氧化碳用量关系式：

式中：QC——火区灭火初始注入二氧化碳量，m3／h；

t——注入二氧化碳的时间，h；

K——二氧化碳注入量的备用系数，取1.2～1.5；

V——封闭火区空间总体积，m3；

C1——注二氧化碳前火区内平均氧浓度，取10%～18%，平均为14%；

C2——火区内灭火临界氧浓度，取5%；

Q0——火区漏风量，m3／min；

C0——火区周边巷道空气中的氧浓度，取20%；

CC——注入二氧化碳的纯度，%。若注入是液态二氧化碳，其中没有氧气成分，二氧化碳的纯度CC≈100%，因此式（3）可简记为：

3.4 火区灭火后防复燃日常二氧化碳注入量计算

通过对火区注入二氧化碳，以最快速度惰化火区，并将火区平均氧浓度降低到灭火临界氧浓度5%，灭火工作即可获得成功。在灭火后，为防止火区复燃，需要持续不断的注入二氧化碳，以维持火区平均氧浓度在5%以下。此时，二氧化碳注入量无需按照灭火时的高强度注入量，改为日常注入量即可。

当火区内平均氧浓度降至5%后，式（4）中V（C1－C2）＝0，式（4）简化为计算火区防复燃日常注二氧化碳量：

3.5 液态二氧化碳注入位置

在工作面回采期间，为防止采空区自然发火，需持续不断地注入一定量的液态二氧化碳，液态二氧化碳的注入口（末端）一般布置在氧化带内，并且尽量高位布置管路。注入口至工作面距离（埋入深度）可根据式（6）确定。

式中：Dmin——注入口距工作面的最小距离，m；

WCZ——采空区冷却带的宽度，m；

RC——液态二氧化碳扩散半径，m；

Dmax——注入口距工作面的最大距离，m；

WCO——采空区冷却带和氧化带宽度之和，m。

4 工程应用

山西潞安集团温庄煤业150201工作面煤层为极易自燃煤层，自然发火期为40 d，采用倾斜长壁综放采煤方法开采，煤层平均厚度为5 m，采高2.4 m，放顶高2.6 m，工作面长度为120 m，最大控顶距5 m，上、下巷道为梯形断面，上宽2.2 m，下宽3.2 m，高2.2 m。2013年4月10日，该工作面自开切眼推进仅约100 m时，由于防火措施不当，上隅角出现CO，浓度达1.72%，并不断上升，同时检测出C2H4气体，经判断是回风侧采空区外帮的遗煤发生自燃。在注水、注氮未能遏制CO的上升趋势后，被迫封闭工作面，封闭位置位于上、下巷道距工作面外200 m处。封闭后，CO浓度很快达到41.8%。

经灭火指挥部初步判断，火源点位于采空区内中下部位置，决定采用液态二氧化碳进行灭火。由式（2）计算得出封闭火区总空间约为54000 m3。由于封闭空间大，惰化灭火的临界氧浓度较低（5%），因此灭火所需的二氧化碳体积也比较大，综合考虑，二氧化碳初始注入强度以该矿最大供给能力2000 m3／h进行连续不断注入封闭区域。经实测该矿火区漏风量为2 m3／h，注入的二氧化碳浓度接近100%，惰化灭火临界氧浓度取5%，根据式（4）计算需要连续注入约85 h，取4 d时间。在现场操作时，将二氧化碳槽车运至井下后，通过上、下巷道密闭预留孔，双管路连续向封闭空间注入液态二氧化碳，如图1所示。4 d后，共注入液态二氧化碳约360 t，采样分析发现，CO浓度从41.8%降至0.0009%，O2浓度从 19.8%降至到3.87%，二氧化碳浓度从7.56%上升到84.63%，经判断，火区得到控制。

图1 150201工作面封闭后注液态二氧化碳示意图

5 结论

（1）液态二氧化碳防灭火性能比液氮效果要好，在今后的防灭火工作中可以推广使用。

（2）通过对150201工作面的火区治理，验证了二氧化碳注入量计算公式的正确性及二氧化碳实际灭火的效果。

（3）在实施液态二氧化碳灭火时还需注意灭火设备的操作规程、安全保障等问题，防止发生次生灾害。

（4）在火区安全启封后，视具体情况可考虑再注一定时间的二氧化碳以确保火区不复燃。

综上，液态二氧化碳技术防灭火具有投资少、见效快等特点，是当前矿井防灭火的首选方案之一。

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