深冷惰气浆液防灭火实验研究

张辛亥，窦 凯，张国伟，程望收，李勋广，朱 辉，赵 斌，陈 飞，杨少雄

（1.西部矿井开采及灾害防治教育部重点实验室，陕西 西安 710054；2.西安科技大学 安全科学与工程学院，陕西 西安 710054；3.内蒙古伊泰煤炭股份有限公司 凯达煤矿，内蒙古 鄂尔多斯 017000）

我国煤炭资源丰富，但由于煤层地质赋存条件、采掘技术、通风管理及煤炭自身特性的影响，每年因自燃直接烧损量达10～13.6 Mt[1-2]。煤炭自燃灾害造成了严重的资源浪费，甚至人员伤亡，其治理一直以来是研究的热点问题[3-5]。

近年来，世界各国在治理地下煤火方面做了大量的工作，相继提出了黄泥灌浆、煤层注水、均匀、阻化剂、高倍泡沫、采空区注惰气和凝胶防灭火技术等[6-13]。其中向采空区注入惰性气体作为预防煤层自燃的主要方法，引起国内外学者的广泛研究。王刚等通过结合岩层移动随机介质理论，建立了影响半径r 的数学模型, 据此确定出LN2压注的合理位置[14]；丁香香通过对采空区注低温N2防灭火进行数值模拟，得出地面钻孔注氮模型，发现其惰化降氧效果好[15]；宋宜猛通过对比N2和CO2防灭火的区别，得出CO2防灭火技术效果更好，并通过注氮量计算公式推导出矿井注LCO2的计算公式[16]；张长山、张辛亥等应用灭火列车将液态CO2储罐运输至井下高温区域和自燃危险区，通过直接灌注LCO2起到快速降温和降氧的作用[17]；郝朝瑜等利用Fluent 数值模拟，分别研究了低温CO2的不同注入流量与温度对采空区氧化带内最高点温度、氧化带宽度和最大高温区域温度的影响[18]；高玉坤等利用Fluent 模拟采空区滞留干冰释放低温CO2防灭火技术，发现低温CO2迅速布满采空区，防灭火效果好[19]；翟小伟等采用LCO2实验装置研究了不同粒径下的煤样降温规律，得出粒径越小降温效果越好[20]；马励等通过分析联合惰气防灭火技术对发火区域气体浓度的影响，进一步证实CO2防治效果优于N2，并通过建立CO2气-液两相管路输送热力学模型，模拟出满足LCO2直接安全输送的工艺参数[21-22]；孙可明等通过研究超临界CO2注入采空区防灭火规律，发现超临界CO2注入后，迅速发生相变吸收大量热量降温效果显著[23]；韩兵等研制出新型地面固定式复合惰气防灭火系统，经实践证明可快速有效防治煤层自燃[24]；Ann G.Kim 等通过现场LN2和LCO2混合制作而成的深冷浆液对俄亥俄州废弃着火的煤矸石山进行灭火，取得了良好的效果[25-26]。

由于气态N2、气态CO2的降温效果弱，LCO2物化特性及其灌注工艺的特点，导致其易出现分层、无法大量连续灌注以及管路出口结冰堵塞等问题，影响井下防灭火效果。基于此，为弥补惰气防灭火技术的不足，急需研究降温性能好、降氧惰化性强且便于输送的新型防灭火技术，利用研制的深冷惰气浆液制备实验装置，将LCO2利用超低温LN2转化为固体小颗粒，分散在LN2中形成惰气浆液，以固液两相形式输入高温区域，使CO2以固态小颗粒形式附着火在高温物体表面进行降温、降氧，优化矿井防灭火工艺[27-28]。通过自主设计的深冷惰气浆液制备及松散煤体降温试验系统，测定不同参数下的防灭火效果，为煤自然火灾防治技术提供相关依据和参考。

1 惰气浆液注入高温煤体实验

1.1 实验原理

CO2的相态变化是研究深冷惰气浆液的基础，温度和压强的变化引起CO2相态的转变，在三相点（压力0.52 MPa，温度－56.6 ℃）处，固液气三相共同存在。本实验通过低温LN2的输入提供冷源，与LCO2混合后温度急速下降至三相点以下，CO2发生相变生成干冰小颗粒，在LN2的推动下，避免了干冰大量聚集堵塞管路，以固液气三相形式流动注入高温箱体。

1.2 实验装置

采用自主设计的深冷惰气浆液制备及松散煤体降温实验系统，主要由惰气浆液制备系统、松散煤体升温系统和数据采集系统3 部分组成。实验装置图如图1。

图1 实验装置图Fig.1 Diagram of experimental setup

惰气浆液制备系统包括自增压罐体、阀门、气相输送管路、液相输送管路、二氧化碳分散装置（圆盘状挡板，挡板上开设多个通孔）、缓冲罐、放空阀、可视化输出管路、温度变送器、压力变送器组成。松散煤体升温系统由箱体、箱盖、加热带、耐高温填充材料、热电偶组成，箱体尺寸为600 mm×400 mm×200 mm。数据采集系统由温度传感器、压力表、温度表、CO 和O2传感器、T3 主机和笔记本电脑组成。

1.3 实验步骤

首先利用颚式碎煤机筛选粒径为0～0.9、0.9～3、3～5、5～7、7～9 mm 的煤样各100 g 组成混合煤样，放入升温箱内。检查惰气浆液制备系统管路气密性。采用加热带加热箱体温度至120 ℃停止，记录升温过程中CO 的生成量和O2的消耗量，同时打开LN2阀门5 d，使管路通入低温LN2提供冷源，持续通入2 min 后，打开LCO2阀门5b, LCO2经CO2分散装置，以液滴形式注入可视化混合罐中，与低温LN2混合制备出惰气浆液。当发生堵管时，关闭液相输入管路阀门，开启气相管路阀门，注入高压N2和CO2挤压堵塞位置，确保浆液正常流动。通过加热带稳定加热升温箱内煤体至120 ℃停止加热并打开阀门5f通入浆液，记录该过程中CO 生成量、O2消耗量和3个测点的温度变化情况。最后以LN2和LCO2作为对比实验，分别打开阀门5b 和5c，重复上述操作。

2 实验结果

2.1 不同流量下温度变化规律

在靠进加热带位置处布置2#测点，并将温度传感器探入煤体中，测定实验过程中煤体温度变化规律，在温度加热至120 ℃，压强8 MPa 时，将流量分别为0.1、0.3、0.5 kg/h 的惰气浆液通入箱体内，80 s后关闭阀门5f 停止浆液注入，观察2#测点处的温度变化情况，得出的不同流量下煤体温度随时间变化如图2。

图2 不同流量下煤体温度随时间变化Fig.2 Coal temperature changes with time under different flow rates

由图2 可知，通过对不同流量下注入惰气浆液后，煤体降温特性分析，流量越大，高温煤体温度下降速度越快，流量为0.5 kg/h 时，温度下降速度最快，在85 s 时下降至最低温度-117 ℃，流量为0.1 kg/h 时，温度下降速度最慢，在105 s，下降至最低温度-100 ℃。由于惰气浆液中CO2成分的存在，在进入实验箱后，CO2密度大，下沉入底部并且发生汽化潜热，温度越低，可利用的汽化潜热能量越大，吸收热量越多。在停止浆液注入时，温度继续下降至最低温度开始缓慢回升温度，最后在-25 ℃稳定，表明惰气浆液恒温性能好。

2.2 不同测点下温度变化规律

为准确测定出实验箱在惰气浆液注入前后的温度变化情况，在实验箱体内布置测点定时通过温度传感器测得温度变化情况，在箱体靠近浆液入口处设置1#测点，测定浆液注入瞬间温度变化情况，在靠进加热带位置处布置2#测点，并将温度传感器探入煤体中，测定实验过程中煤体温度变化规律，箱体中心位置布置3#测点，测定箱体温度变化情况。

设定实验条件为加热煤体温度至120 ℃，注入流量0.5 kg/h，压强8 MPa，持续注入浆液过程中的不同测点温度随时间变化如图3。

图3 不同测点温度随时间变化Fig.3 The temperature of different measuring points changes with time

由图3 可知，测定温度随注入时间增加均呈快速下降趋势，其中1#测点在前85 s 内下降速度最快，2#测点次之，3#测点下降速度最慢，下降速度分别为2.8、2.5、2.3 ℃/s。随着惰气浆液的注入1#测点温度发生迅速下降，因为1#测定位于注入口附近，在浆液注入过程中，固液气三态同时最先接触1#测点，低温作用下使得1#测点温度快速降低，同时，注入浆液在该过程中迅速发生相变，吸收量热量使得测定温度进一步降低。在25 s 后，2#测点温度开始快速下降，这是因为物质传热效应的作用，通过热量传递的方式使得煤体温度开始降低，同时由于CO2的重气特性以及固相的干冰沉积如箱体底部，大量吸收煤体热量，煤体温度进一步快速下降。3#测点温度在50 s 开始快速下降，表明从该时刻开始气体扩散至箱体最里侧，在相变和热传递的作用下，该处温度开始下降，低温气体扩散至整个箱体。当温度达到最低温度时，持续通入惰气浆液，箱体中各测点温度保持稳定。

2.3 注入前后气体变化规律

为研究注入惰气浆液前后对实验箱中煤体自燃的影响，通过CO 和O2传感器记录在惰气浆液注入前后CO 的生成量和CO2的消耗量，注入惰气浆液前后气体变化规律如图4。

图4 注入惰气浆液前后气体变化规律Fig.4 The gas changes before and after inert gas slurry injection

由图4（a）可知，在注入前，随着温度的升高，CO生成量成指数增加趋势，CO 含量在70 ℃开始迅速增大，表明在该温度下，煤体进入快速氧化阶段，CO的生成量和O2体积分数的减少量呈相对应的趋势。随着反应的进行O2体积分数逐渐下降，在温度达到120 ℃时，CO 生成量达到1 426×10-6，O2体积分数降低至13.7%，在温度升高的过程中，煤体发生氧化反应消耗O2且生成CO 和CO2等气体挤压实验箱中的O2，因此CO 体积分数逐渐升高，O2体积分数逐渐下降。

由图4（b）可知，在通入惰气浆液后，CO 体积分数在短暂升高后迅速降低，且箱体中由于大量N2和CO2的存在，使得箱体中剩余的O2被迅速的挤出，O2体积分数几乎为0。

2.4 液氮和液态二氧化碳降温实验

为准确对比惰气浆液的优越性，采用相同实验条件，分别进行单独LN2和LCO2注入高温松散煤体的降温规律和停注后自然升温过程的箱体中3 个测点的温度变化规律。不同注入材料下温度变化规律如图5。

图5 不同注入材料下温度变化规律Fig.5 The temperature change law of different injected materials

由图5 可知，3 种降温趋势基本一致，LN2注入后，利用自身低温性质降温，冷量快速扩散，降温速度最快，短时间内箱体温度下降至-150 ℃，但在80 s 停止注入后，短时间内温度回升至5 ℃。LCO2注入后相变潜热吸收箱体中大量热量，使得箱体温度快速下降，并且煤体对CO2的吸附性强使得停止注入后箱体温度回温相对LN2较缓慢，恒温性强，温度回升至-10 ℃。惰气浆液兼具两者优点，灭火效果更好。

3 结 论

1）不同流量下的惰气浆液降温效果不同，大流量浆液注入条件相对于小流量防灭火效果更好。

2）实验箱体中不同位置测点温度变化规律不同，靠近进口处温度下降最快。

3）自主设计惰气浆液制备系统和高温松散煤体降温系统，通过分别注入LN2、LCO2和惰气浆液，观察不同测点处温度传感器的数值变化规律，得出防灭火效果惰气浆液强于LCO2，LCO2强于LN2。