地面钻孔灌注液态CO2 技术在采空区防灭火中的应用

吕英华

（国家能源集团 神东煤炭集团，陕西 神木719315）

煤炭自燃火灾是我国矿井主要灾害之一，受自燃火灾威胁的矿井约占矿井总数的70%左右，煤矿火灾事故不但会产生大量有毒有害气体，严重威胁井下作业人员的生命安全，因火灾引发的煤尘、瓦斯爆炸等次生灾害更为严重。国家能源投资集团西部矿井随着各矿井生产水平的不断延伸，部分矿区逐渐形成了煤田火区、小窑火区、多层采空区、隐蔽高温区域等多类型火灾形式共存的复杂生产条件，导致火灾治理难度、治理成本显著增大，对矿井生产安全构成严重威胁。近几年我国的矿井防灭火技术取得了显著进步，通过深入研究煤自然发火机理，在矿井火灾预测及治理方面开发了新的产品及技术，成功治理了多起煤自然发火事故。目前矿井应用最广泛的防灭火技术有注浆、注氮气、注凝胶、三相泡沫等常规性措施，由于国家能源集团西部矿区煤层埋藏浅、近水平开采，采空区注浆输浆倍线过大，受到浆液流动性制约，并不能有效覆盖采空区高位遗煤；并且采空区开放式注氮气，煤层埋藏浅，井上下漏风严重，氮气滞留采空区时间短，注氮后的效果并不十分明显[1]；工作面回采过后，受采动影响与邻近采空区相互沟通，采空区范围较大，注凝胶及三相泡沫所需量较多、成本高。

国家能源投资集团西部某矿所采9#煤为典型的浅埋深近水平近距离易自燃煤层，且上覆存在7#、8#煤层老采空区，由于9#煤距离地表最近处约75 m 左右，煤层上覆为砂岩等软质岩层，9#煤层开采后上覆采空区遗留的遗煤受重复采动影响，与上覆采空区及地表形成大量发育裂隙，受矿井通风负压影响，本层采空区、上覆采空区及地表漏风严重，采空区遗煤长期处于漏风供氧情况下极易发生氧化自燃[2]，因此针对9#浅埋深、近距离、近水平煤层回采后可能导致本层及上覆采空区大面积遗煤氧化自燃问题，首先应针对本煤层采空区寻求一种成本低廉、技术可行、简单可靠、可操作性强的采空区重点区域治理方案，为工作面生产消除安全隐患。

1 CO2 防灭火原理

CO2灭火技术已经非常成熟，由于其灭火速度快、作用范围大、应用范围广且无害，因而成为处理各种火灾的一大重要手段。CO2注入着火区后可快速降低环境中的氧气含量，使着火区因缺氧而窒息。CO2性质非常的稳定，其在不同的压力以及温度下有固、液、气3 种形态存在。

采空区直注液态CO2相比于常规性治理措施而言具有优越的防灭火特性，主要表现在降温、惰化、安全、经济等几个方面。液态CO2直注后会瞬时气化吸热、膨胀扩散（在15 ℃，0.1 MPa 条件下1 t 液态CO2可气化约640 m3），不仅会快速降低煤体温度，还会极速惰化整个采空区抑制煤氧复合反应，从而起到灭火作用[3-4]。同时由于液态CO2价格相比较液氮更便宜、便于输送，故可通过特种输送设备槽车大量采购并运输至需要实施灌注灭火的地点进行灭火或者运用专用研发装置进行灭火[5]，利用液态CO2注入火区后快速气化，CO2密度大于空气的密度，在熄灭底部的火灾时，可快速沉入底部而挤出氧气，降低火区的氧浓度，既能扑灭大的明火火灾，又能抑制并扑灭隐蔽火源，灭火效果较好。降低氧气含量，使火区缺氧而窒息和降温，在应用于煤层自燃火灾防治取得较好的效果。

2 工作面概况

010905工作面是该矿一盘区第5 个综采工作面，工作面走向长度约1 000 m，煤层设计采高为2 m。工作面距上覆8#采空区最近约45 m，距上覆7#采空区最近约70 m。8#煤层开采时矿方对上覆7#煤层采空区进行地表探测，地表钻探结果表明010905 工作面上覆7#采空区存在局部高温区域，经测温得知钻孔孔底温度最高超过200 ℃，且高温区域各钻孔孔口呈出气状态，便携仪测得CO 体积分数最高在1 000×10-6，010905 工作面上覆7#煤层采空区局部高温区域遗煤处于氧化自燃阶段，上覆8#采空区经钻孔探测暂无温度异常，随后对7#煤层采空区进行注液氮灭火治理后开始对9#煤层工作面进行开采，为预防010905 工作面采空区氧化带区域自然发火问题，经经济性、效果性对比后实施地面钻孔灌注液态CO2防灭火预防性处理。010905 工作面与上覆采空区位置关系图如图1。

图1 010905 工作面与上覆采空区位置关系图Fig.1 Location relationship between 010905 working face and overlying goaf

由于注液氮成本高、扩散半径不理想，故010905 工作面正常回采后在氧化带区域沿着倾向布置1 个靠近联巷密闭监测点的地表钻孔，钻孔施工全程下套管并施工至9#煤层采空区氧化带区域，套管为耐低温耐高温不锈钢管，对氧化带区域进行灌注液态CO2防灭火治理。钻孔形成后孔深约90 m，通过对孔口取气及井下联巷束管监测系统分析：采空区CO 体积分数约15×10-6、氧气体积分数约19%、温度约15 ℃。010905 工作面上覆地表钻孔位置关系图如图2。

3 采空区钻孔灌注液态CO2 治理方案

图2 010905 工作面上覆地表钻孔位置关系图Fig.2 Location relationship of surface drilling on working face 010905

010905工作面由于正常生产接续需要，需要对采空区处于“氧化带”区域采取防灭火预防性治理措施，经过对常规性注浆注氮效果分析讨论后认为其对采空区实际情况不能起到大范围、针对性治理效果，且液态CO2具有无毒无害、温度低、便于罐体储存、方便槽车运输、经济性合理、汽化吸热降温作用明显、快速惰化充填有限空间等优点，经研究后决定对010905 工作面采空区“氧化带”区域采取井上钻孔始端直注井下联巷措施孔终端监测的综合性灌注液态CO2快速治理方案[6-11]。根据010905 工作面“三带”测定报告[6]，位于工作面后方采空区80 m 范围进入氧化带区间，氧化带区域面积约为6 000 m2。故本次液态CO2井下终端观测位置选定为相应的4个联巷进行效果观测（两联巷间距约50 m）。为了确保该方案安全、顺利实施，灌注期间该矿井加强了对联巷和工作面回风巷道内的人员管理，避免由于意外泄露引起窒息事故。

3.1 技术参数

由于CO2是一种临界温度约31.2 ℃、临界压力约7.38 MPa 的无毒无害、酸性气体，其只能在加压条件下成为液态，所以采用井上直注时必须控制好管道内压力，防止因失压后变成固态CO2导致无法顺利直注。根据现场经验，当管道内压力维持在1.2 MPa 以上时，可保证管道不会因压力不足导致固态CO2封堵管道，由于垂直输送距离短，因此要求井上始端管路无漏气、压力表无损坏、槽车始端加压2.0 MPa 后输送液态CO2即可满足输送压力要求（考虑短距离输送压力损失），同时直注前应当进行1 次全管道氮气打压试验，使保证管路承压压力在2.0 MPa 以上，符合压力要求。

3.2 工作面采空区“氧化带”区域灌注量计算

为了使010905 工作面采空区处于“氧化带”范围的区域得到有效控制、且对工作面正常推进不造成影响，预计将采空区位于“氧化带”范围内的多孔介质空间内充满惰性气体，考虑回采后采空区顶板实际下沉量，暂不考虑气体损失等其它因素[7]。经过理论计算得到该矿010905 工作面地表直注区域的“氧化带”面积约6 000 m2。由于1 t 液态CO2在常温状态下可转换成气体为640 m3。010905 工作面煤层为综采工作面开采，采高为2 m 则液态氮量T为：

式中：T 为注液态CO2总量；A 为考虑顶板下沉后的折算系数，取0.7；S 为直注区域面积；H 为采高。

经理论计算后T=65.1 t，即得出“氧化带”范围灌注区域总共需要约65 t 液态CO2，需全部通过地面钻孔进行灌注。

3.3 工作面采空区氧化带区域注液态CO2 及观测

目前国内CO2防灭火技术主要采取2 种灌注方式：一种是在地面将液态CO2经气化灌注方式，另一种是在井下将液态CO2直接灌注方式。气化灌注方式很好地解决了液态CO2长距离管路输送凝结堵塞问题，但气化后液态CO2的降温防灭火作用被极大削弱。因此采用液态CO2防灭火，充分利用其降温特性是防灭火技术研究的重点方向。

本次通过地表钻孔注入约65 t 液态CO2均由2辆工业用槽车运输至灌注地点，沿着010905 采空区氧化带区域上部地表钻孔进行灌注。释放前工业用槽车释放装置与地表钻孔孔口管道对接完成，释放过程当槽车压力表压力达到2.0 MPa 时拧开阀门，全程观察钻孔旁管路压力表读数，防止因管路泄露造成压力不足造成管路结干冰，直注无法继续进行。

当地表灌注液态CO2工作完成后，矿方安排专人对010905 工作面采空区氧化带区域联巷观测孔内埋设的束管及温度传感器进行连续取气分析、测温[8]，主要研究联巷所在的氧化带区域在实施直注液态CO2后的温度、CO、O2等相应的变化关系，不仅为实现本工作面安全回采，而且为矿井工作面采空区高温区域后期治理提供理论指导[9]。

3.4 灌注液态CO2 效果

当010905 工作面采空区氧化带区域对应地表直注钻孔完成2 车液态CO2灌注后，利用相应联巷内布置的测温导线测得采空区温度为-16 ℃左右，先呈明显下降趋势，后逐渐恢复正常；测得CO 体积分数为0，对采空区CO 的稀释作用较为明显；测得氧气体积分数呈明显下降。同时010905 工作面上隅角未见低氧以及CO2超限。

010905 工作面采空区氧化带区域地表钻孔灌注前后CO 体积分数变化曲线图如图3、图4。

图3 010905 工作面采空区氧化带区域地表钻孔灌注前CO 体积分数变化曲线图Fig.3 Change curve of CO concentration before surface drilling perfusion in goaf oxidation zone area of working face 010905

图4 010905 工作面采空区氧化带区域地表钻孔灌注后CO 体积分数变化曲线图Fig.4 Change curve of CO concentration after surface drilling perfusion in goaf oxidation zone area of working face 010905

由图3 和图4 可知，注液态CO2后010905 工作面采空区氧化区域的CO 体积分数由15×10-6左右立刻降低至0，而后逐渐升高稳定至6×10-6，说明液态CO2大面积气化并充填采空区后对氧化带内CO稀释效果十分明显。

010905 工作面采空区氧化带区域地表钻孔灌注前后O2体积分数变化曲线图如图5、图6。

图5 010905 工作面采空区氧化带区域地表钻孔灌注前O2 体积分数变化曲线图Fig.5 Change curve of O2 concentration before surface drilling perfusion in goaf oxidation zone area of working face 010905

图6 010905 工作面采空区氧化带区域地表钻孔灌注后O2 体积分数变化曲线图Fig.6 Change curve of O2 concentration after surface drilling perfusion in goaf oxidation zone area of working face 010905

由图5 和图6 可知，注液态CO2后010905 工作面采空区氧化区域内O2体积分数由19.7%左右呈现先直线下降后逐步上升稳定至18.5%左右，说明液态CO2灌注采空区后扩散速度快，逐渐置换采空区中的O2，使O2体积分数出现明显下降现象，后O2体积分数有所恢复是由于采空区漏风严重带走部分气化后的CO2所至。

010905 工作面采空区氧化带区域地表钻孔灌注前温度变化曲线图如图7、图8。

图7 010905 工作面采空区氧化带区域地表钻孔灌注前温度变化曲线图Fig.7 Temperature change curve before surface drilling and grouting in oxidation zone area of working face 010905

图8 010905 工作面采空区氧化带区域地表钻孔灌注后温度变化曲线图Fig.8 Temperature change curve after surface drilling and grouting in oxidation zone area of working face 010905

由图7 和图8 可知，注入液态CO2后010905 工作面采空区氧化区域的温度呈现先明显下降后逐渐上升至原有温度的趋势，说明液态CO2灌注采空区后快速气化吸收大量热量，使采空区温度出现明显下降现象，后有所回升是因为采空区为多孔介质空间，加之本层采空区漏风、层间采空区漏风及地表漏风使采空区不断有新鲜风流，采空区温度有所回升。

4 应用效果

1）010905 工作面采空区氧化带区域经理论计算所需液态CO2的惰化量对实际的防灭火效果较明显，O2体积分数、CO 体积分数、温度均呈现大幅下降趋势。

2）由于010905 工作面上覆存在近距离煤层采空区，故地表灌注液态CO2后采空区氧化带区域惰化时间、惰化效果不佳，但扩散的CO2气体在一定程度上抑制了上覆采空区浮煤的氧化自燃问题。

3）010905 工作面在实施灌注液态CO2后工作面上隅角并未出现CO2超限事故，因此当采空区氧化带区域出现自然发火迹象时通过直注液态CO2可确保工作面实现正常安全回采。

5 结 语

1）通过对010905 工作面采空区氧化带区域进行科学的理论计算，考虑采空区实际情况，合理地计算出理论计算惰化区域所需的实验液态CO2用量，为灌注CO2量提供精准指导，使液态CO2直接灌注工作有了量方面的依据。

2）液态CO2对于有自然发火危险区域的实际治理效果相比于传统注N2灭火效果十分理想，其不仅能在短时间内迅速气化吸热而带走与其接触的煤体表面热量使煤体呈现低温状态，还能使其作用的氧化带区域温度在一段时间内处于相对较低的水平。

3）地表单孔直注液态CO2的有效治理半径不仅与氧化带区域原有温度相关，还和直注量、采空区压实程度、上覆采空区距离、岩石性质以及010905 工作面的通风方式、漏风量等参数有直接关系[11]。