液态CO2直接灌注防灭火技术研究及应用

李雄

摘 要：本文采用理论分析和井下现场应用的对策，对小型的液态CO2储存槽的研究与制造、在深井中直接施放液状CO2的具体工艺及其直接释放安全技术措施，形成了一套较为完善的预防和处理煤层自燃发火的应急技术和措施。

关键词：直接释放工艺；煤层自燃发火；措施

CO2液体具有化学性质十分懒惰，物理性质方面温度十分的低，如果能够安全可靠的将CO2气体直接施放，那么会对深井中的火情控制十分的有利。所以我们十分有必要对CO2液体直接灌注防灭火技术研究及应用。

1 液态CO2专用矿车贮槽的研制

由于液态的CO2所具有的性质，其在运输的过程中必须使用特制的储藏装置，并且这种设备通常为类似暖水瓶一样的保温容器。现在市场上所流通的器型来看，其可分为固定式、移动式和车辆运输式。通过对储存装置的分析和实验得到了其在存储CO2时的一些技术特性，南方矿井巷道断面小，运输线路长，用量少等困难，需要专门设计一种专用矿车储存装置。

2 CO2液体的井下直接释工艺

2.1 液态CO2释放方法的选择

根据实际的情况分析来看，在针对井下火灾的情况下，需要将液态的CO2储存设备移到井下，并用一根特制的管道接入到起火点，然后才可以进行灭火作业。该管管路必须使用承受压力4MPa以上，管径为50～70mm，在管外加缠绝热保护层以保持低温，可以承受-45℃低温的高压乳化液胶管或法兰盘接头的高压硬质铁管均可用，灌注管线距离越短效果越好，但必须是在风流的逆向侧，最长距离不宜超过300m。

2.2 液态CO2的释放口的选择

在井下的灭火过程中需要考虑到CO2的消耗量，所以在灭火器案需要考虑到着火点所在的位置，以及周边的环境状况，最终能够使CO2在最短的距离内接近于着火点，完成灭火作业。而经过回采区向开采区输送CO2的措施通常有以下两种：

开区预防性灌注和闭区直接灭火性灌注，预防性一般是在工作面开采过程中，为了控制减低采空内氧含量和冷却采空区煤体，主要用埋管注液态CO2，将输送CO2管路预埋在工作面进风口或者其他靠近火区的区域，释放口可布置在工作面下隅角以里5～10m内，或沿工作面倾向在液压支架间间距每10～15m埋管，向采空区内埋管5～10m。闭区灌注主要是工作面封闭后，若对采空区的高温点，能大体分析预计确定范围，则可通过打钻孔，直接灌注到达高温点，进行直接灭火。从底板道或机巷打钻孔，并下套管进行灌注打钻孔注CO2，这种方法通常会用于回采区向采空区输入液态CO2的灭火方式，尽量让CO2在采空去区滞留时间长点儿。经过钻孔向采空区输入足够的CO2时，应当密切的留意采空区CO2的流动方向，一定要通过控制达到最佳的灭火效果。

2.3 液态CO2注入量确定

确定在灭火过程中的CO2使用量是要根据火点的具体情况来进行的。一般会利用火区要控制的氧浓度来计算需要注入的液态CO2量，或利用火区要的温度来计算需要注入的液态CO2量。一般运用公式为：C02注入量≥V×23%。其中，23%为C02抑爆、灭火浓度；V为火区空间预测体积。

3 液态CO2直接释放安全技术措施

（1）灌注前准备工作：正常运行下的检查

①阀门是否处于规定的状态；

②各类仪表的工作是否正常，读数是否精确可靠；

③储存设备的各类管线是否畅通无阻，并且能够反映设备的不正常运行状态与故障。

（2）每次灌注前必须用氮气对乳化管进行试压，并吹出管内杂物和水；灌注完毕后也必须用氮气对管内残留的液态CO2进行吹除。

（3）每次灌注液态CO2前，由救护队员撤出警戒区内所有非灌注CO2作业人员，断开警戒区域内动力电源，布置岗哨，回风区域内不得有人员，待停电、撤人、布岗完毕后，请示调度室经同意后方可进行灌注工作。

（4）每次灌注CO2之前，由救护队员检查操作箱各个阀门是否灵活可靠，管路是否有破损，漏气、漏液等，发现异常必须先处理后方可进行灌注作业。

（5）灌注液态CO2时由一名救护队员操作防灭火装置阀门，两名救护队员在旁边待机检查；另由两名救护队员戴机巡回检查管路情况，若发现液态CO2泄漏，必须立即停止灌注，关闭管路阀门，人员撤离到岗哨外，并向调度室汇报。

（6）灌注液态CO2时不得将罐体内的液体完全排净，必须留存不少于100kg的液体，且内罐气相压力不低于1.0MPa，如果内罐气相压力低于1.0MPa，就有可能导致CO2固化，可能会损坏罐体。

（7）严禁敲打和磕撞液体贮罐，以免绝热层受到损伤，影响保温效果。

（8）液态CO2储气罐运输全程必须由专人专车护送。罐体上部必须覆盖一层耐磨绝缘材料，列车的行驶速度不得超过2m/s。

4 项目研究成果

（1）提出了矿井液态CO2直接释放工艺，从设计灭火用量、管道流量、管道内径、长度、压力的分布等进行设计，能够满足其灭火要求。

（2）系统掌握了直接施放CO2液体的安全保障措施，并且能够掌握CO2在液态的流动特点、各个关键节点的压力与温度的分布，提出了合理的初始参数，并且制定了液态CO2专用矿车储存设备的运输、检修与维护及其操作人员的安全技术措施，能够在极大的程度上防止液态CO2凝结产生干冰造成管线阻塞或者变窄，确保了灭火过程的安全、可靠。

（3）考察了液态CO2直接释放降温效果，建立起液态CO2流动过程的温度分布规律表达式，确定合理注入速度。选择珙泉矿2283工作面作为试验点，实践证明：液态CO2用于井下灭火能够十分可靠的控制井下的火情，在降温与隔离氧气方面有着十分明显的优势。

参考文献

[1]姚宏章，刘贵成，董旗，等.液态CO2惰性灭火装置的研制与应用[J].中州煤炭，2010，（3）：17-18.

[2]郝福坤，孙维民，郭春山.利用注入液态CO2技术实现采空区快速灭火[J].矿业安全与环保，2009，36（z1）：97-98.