潞宁煤业22116工作面采空区防灭火技术研究与应用

李 波

（潞安化工集团潞宁煤业有限责任公司，山西 宁武036700）

1 工程概况

潞宁煤业公司22116综采工作面位于井田二二区采区中下部，上部为二二采区22114采空区，下部为二二采区22118回采工作面，西南为2号煤层采区三条下山，东北部为我矿二二采区三条下山，工作面平均走向长度为1 877.233 m，倾向长178.6 m，开采2号煤层，煤层平均厚度3.5 m，平均倾角4.5°，局部含有不连续薄层炭质泥岩夹矸，煤层顶板岩层为泥岩和细粒砂岩、中粒砂岩，底板岩层为泥岩和细粒砂岩。

根据矿井地质资料可知，工作面回采期间瓦斯绝对涌出量为8.45 m3/min，相对涌出量为2.74 m3/t，煤尘具有爆炸性，煤层属易自燃煤层，煤层自然发火期为87 d，现为防止工作面采空区出现煤层自燃现象，拟采用向采空区内注入液态CO2进行防灭火，现进行防灭火方案设计与研究。

2 液态CO2防灭火工艺

2.1 惰性气体的防灭火原理

惰性气体由于其自身的分子结构稳定，且在常温常压下基本不会与其他物质发生化学反应，当采用向采空区内注入惰性气体进行防灭火时，随着注入惰性气体含量的增加，采空区内的氧气含量会随之降低，当采空区内氧气浓度降低至5%～10%时，能够有效的抑制采空区内遗煤的自燃，若进一步进行惰性气体注入作业，在氧气浓度低于3%时，此时能够完全抑制采空区内遗煤和其他可燃物燃烧[1-2]。

根据惰性气体的性质及煤的氧化机理可知，当向综采工作面采空区内注入大量液态CO2时，注入的液态CO2会不断的渗入到采空区的冒落带、裂隙带和浮煤带，进而驱替部分煤体裂隙表面的O2，进一步与煤的微观表面交换吸附，进而减少煤体表面氧气吸附量，实现抑制浮煤自燃的目的[3]，具体CO2驱替O2原理如图1所示。

图1 CO2驱替O2原理示意图

2.2 防灭火工艺

本次采空区注液态CO2采用井下移动式液态CO2灭火装备系统，该系统主要由运输矿车、泵压装置阀、储液罐、安全装置等组成，其中储液罐主要用于存放液态CO2，矿车主要负责运输，泵送增压装置主要用于对储液罐进行增压作业，阀门主要用于调节输出压力，安全阀用于对设备的运行状态进行监测监控。

井下移动式液态CO2防灭火系统主要包括生产工艺系统和辅助系统，其中生产工艺系统由储液罐和液相管路组成，辅助系统由空气自热式气化器、增压泵送系统和气相管路组成[4-5]，具体井下液态CO2直注式防灭火系统工艺流程如图2所示。

图2 井下液态CO2直注式防灭火系统工艺流程图

在进行液态CO2注入作业时，当液态CO2得到释放时，会由于其自身的升温气化，而出现体积急剧膨胀的特性，当管路系统的阻力大时，容易出现堵塞现象，进而影响槽车的安全，另外在进行前测定管路系统的阻力释放作业时，需保障释放速度，确保在管路与槽车的连接处安装逆止阀和泄压安全装置；另一方面，当向采空区内的火灾区域注入CO2时，此时火区内部的有毒有害气体可能会溢出，进而导致液态CO2也会大量涌出[6]，基于以上分析，设计在采用液态CO2直注式防灭火工艺时，具体安全释放技术措施如下：

1）当向火区内注入液态CO2时，需首先用CO2冲刷整个管路，确保排气中不含O2时，方可进行注入作业。

2）在进行火区排气时，回风侧的CO浓度会随着瓦斯浓度的增大而不断增加，此时需先将回风侧的电器设备切断，且应确保无人员通行。

3）在进行液态CO2注入作业时，应采用指标气体监测的方式，对采空区的自燃情况进行监测分析，随着掌握采空区自燃情况。

3 采空区防灭火方案及效果

3.1 防灭火方案

3.1.1 采空区气体监测方案

在进行22116工作面采空区灌注液态CO2作业时，通过在采空区内预埋管路的方式，进行测温和气相测谱分析，以此监测气体含量，采空区内气体成分监测采用埋管真空泵抽气法和埋设热电阻测定法，将监测点布置在工作面两回采顺槽采空区内，每间隔50 m布置1个探头，具体监测测点布置如图3。

图3 采空区测点布置方式示意图

监测气体的预埋管路采用2英寸钢管，在钢管内部布置3根ϕ6 mm的束管，每根束管监测1个测点的气体；通过束管、测温探头和导线将其送入钻孔，随后送达采空区内，探头尾部抬高0.5 m，测温探头埋入管中与束管进气口平齐，具体埋管探头布置方式如图4所示；液压之间的测点位于进风巷采空区靠近煤壁和回风巷采空区靠近煤壁的位置处，该测点等间距布置，间隔50 m；测点距离采空区底板的距离分别为5.0、5.2、5.4、5.8、5.0 m。

图4 埋管观测探头布置示意图

3.1.2 灌注液态CO2方案

在22117运输顺槽570m位置处，即运输顺槽滞后工作面开切眼30m的位置处向22116工作面采空区依次施工3个CO2灌注钻孔，终孔位于煤层顶板上方5m、距高抽巷5m，具体钻孔参数见表1。

表1 液态CO2灌注钻孔布置参数表

液态CO2灌注钻孔布置平面图如图5所示，液态CO2灌注时采用井下移动式液态CO2灭火装备系统，设置防灭火液态CO2装置的出口压力为0.8～2.0 MPa，出口流量为0.5～4.0 t/h。

图5 灌注液态CO2钻孔布置平面图

3.2 效果分析

在22116工作面灌注钻孔施工完毕后，开始进行1、2号CPW-2.0型移动式液态CO2防灭火装置进行充装，充装完毕后运送至22117工作面运输顺槽内，8月28日0:00-8.00通过ϕ25 mm的高压胶管与液态CO2防灭火系统进行连接，随后开启阀门进行灌注作业，在进行液态CO2灌注作业时，进行灌注各项参数的设计的监测记录，采空区共计注入8.1T膨胀比为1∶640的液态CO2，液态CO2气体含量为5 184 m3，具体各个钻孔灌注情况见表2。

表2 灌注液态CO2情况统计表

在22116工作面采空区采用液态CO2灌注后，通过对采空区内气体监测数据进行分析，能够得出采空区进风侧1、2、3号，采空区回风侧4、5、6号的束管监测数据进行整理，具体结果如图6所示。

图6 O2和CO浓度曲线图

分析图6（a）可知，随着采空区灌注液态CO2量的不断增加，不同测点O2含量均呈现下降的趋势，1号和4号测点位于采空区深部，与终孔位置距离较近，从图中能够看出在1：00以后，该测点区域O2浓度变开始下降，直至8:00时采空区内O2浓度已降低至1.7%和1.9%，2号测点位于采空区进风侧散热带与窒息带的交界处，其O2浓度最低降低至13.5%，3号和6号测点由于距离终孔位置较远，该测点区域O2浓度下降较为缓慢，最终6号测点O2浓度由20.8%下降至18.5%，3号测点处O2浓度由22.8%下降至19.6%。

分析图6（b）可知，随着采空区液态CO2注入作业的持续进行并在采空区内不断的扩散，有效实现了对采空区内CO浓度的降低，其中CO浓度降低最为明显的区域为采空区中部和深部，另外在近工作面的位置处CO浓度同样呈现为小幅度的下降；另外从CO浓度曲线图中可看出，在6:00以后，采空区内CO浓度降幅显著，最终CO浓度在120～275×10-6范围内，采空区内CO含量在合理范围内。

另外根据现场对上隅角和回风流中的温度进行监测得出，采空区注入液态CO2后，回风流中的温度由34℃降低至27℃，上隅角温度由36℃降低至26.5°，综合上述分析可知，22116工作面采空区注入液态CO2后有效的抑制了采空区遗煤的氧化升温。

4 结论

根据22116工作面地质条件和2号煤层赋存特征，通过分析惰性气体的防灭火原理和液态CO2防灭火工艺，结合采空区特征，具体进行采空区内指标气体测点设计，并进行液态CO2灌注钻孔布置及灌注参数设计，根据灌注后采空区内的O2和CO浓度曲线图可知，液态CO2有效抑制了采空区遗煤的自燃，保障了采空区的安全。