牛振磊,程根銀,董 旗，周逸飛,唐晶晶

(1. 華北科技學(xué)院 安全工程學(xué)院, 北京 東燕郊 065201 2. 上海大屯能源股份有限公司姚橋煤礦，江蘇 徐州 221600)

采空區(qū)注二氧化碳防治煤炭自燃應(yīng)用研究

牛振磊1,程根銀1,董 旗2，周逸飛1,唐晶晶1

(1. 華北科技學(xué)院 安全工程學(xué)院, 北京 東燕郊 065201 2. 上海大屯能源股份有限公司姚橋煤礦，江蘇 徐州 221600)

為預(yù)防姚橋煤礦7271工作面遺煤自燃并為其它工作面防火工作提供參考，通過向采空區(qū)壓注二氧化碳并利用束管監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行氣體濃度監(jiān)測(cè)，得到壓注后的采空區(qū)二氧化碳分布情況和自燃三帶分布情況。整理并分析數(shù)據(jù)后得出：壓注后的二氧化碳從注入口擴(kuò)散蔓延至回風(fēng)隅角附近，能有效覆蓋采空區(qū)；壓注后自燃三帶中氧化帶寬度為23 m。綜合分析得出，對(duì)7271工作面采空區(qū)壓注二氧化碳?xì)怏w可以有效防治遺煤自燃。

采空區(qū)；二氧化碳；自燃三帶

0 引言

對(duì)采空區(qū)遺煤自燃的防治一直是煤礦安全生產(chǎn)過程中的難題，當(dāng)采空區(qū)有自燃征兆或發(fā)生火災(zāi)后，向火區(qū)壓注惰性氣體是比較常見的防滅火方法。由于二氧化碳對(duì)煤炭氧化自燃有較好的抑制和惰化作用，并且具有安全性高、惰化快、成本低等特點(diǎn)，近年來廣泛應(yīng)用于采空區(qū)遺煤自燃的治理[1,2]。

在注CO2防滅火方面，李士戎通過二氧化碳抑制煤炭氧化自燃性能的實(shí)驗(yàn)研究，為進(jìn)一步揭示二氧化碳防滅火機(jī)理提供了相關(guān)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，并為二氧化碳防滅火技術(shù)的開發(fā)與應(yīng)用提供了理論依據(jù)。王國(guó)旗、鄧軍、張辛亥等采用數(shù)值模擬的方法，研究了注常溫CO2出口不同位置、不同流量時(shí)綜放采空區(qū)自燃“三帶”的分布規(guī)律。宋宜猛在采空區(qū)注N2量計(jì)算式的基礎(chǔ)上推導(dǎo)了火區(qū)防火時(shí)注入低溫CO2量的計(jì)算式，并類推了注入口位置等參數(shù)。

1 采空區(qū)注二氧化碳防滅火機(jī)理

采空區(qū)注二氧化碳防滅火技術(shù)的應(yīng)用主要基于二氧化碳的惰化和降溫兩大特性。一方面，二氧化碳的相對(duì)分子質(zhì)量高于空氣分子，當(dāng)大量二氧化碳注入到采空區(qū)后，在自重的作用下，二氧化碳對(duì)煤體形成覆蓋，對(duì)采空區(qū)內(nèi)氧氣等氣體形成擠出效應(yīng)；并且大量注入的二氧化碳增加了采空區(qū)氣體靜壓，從而降低了采空區(qū)的漏風(fēng)量，使采空區(qū)氧氣濃度有所下降，實(shí)現(xiàn)了對(duì)采空區(qū)煤體的惰化。另一方面，液態(tài)二氧化碳在氣化過程中會(huì)從環(huán)境中吸收大量的熱量，降低了采空區(qū)周圍環(huán)境的溫度，抑制了煤的氧化反應(yīng)速度[3,4]。

2 二氧化碳現(xiàn)場(chǎng)壓注工藝

2.1 二氧化碳?jí)鹤⒎绞?/h3>

姚橋煤礦7271綜采放頂煤工作面位于礦區(qū)西九采區(qū)，煤層自燃傾向等級(jí)為II類，煤層為自燃煤層，煤塵具有爆炸危險(xiǎn)性。7271工作面走向長(zhǎng)度358 m，傾向長(zhǎng)度260 m，煤層傾角平均6°，煤層平均厚度為4.9 m，割煤高度為2.5 m?；夭善陂g采區(qū)U型通風(fēng)方式，材料道進(jìn)風(fēng)，溜子道回風(fēng)，平均配風(fēng)量約1293 m3/min。

在二氧化碳防滅火過程中，壓注工藝主要分為井下移動(dòng)式壓注和地面液態(tài)壓注[5,6]。7271工作面采空區(qū)防火過程利用地面壓注方式將大量二氧化碳輸送至采空區(qū)。通過將二氧化碳運(yùn)輸罐車連接EDM1000二氧化碳惰性防滅火裝置(如圖1)，利用注漿管路將液態(tài)二氧化碳?xì)饣笞⑷氲讲煽諈^(qū)，從而抑制采空區(qū)煤炭自燃。二氧化碳?jí)鹤⒐苈凡捎娩摴懿馁|(zhì)(管路尺寸為內(nèi)徑80 mm、外徑89 mm)，采空區(qū)共鋪設(shè)三趟措施管，其中運(yùn)輸順槽鋪設(shè)兩趟，一趟沿材料道上幫到切眼里側(cè)幫往下敷設(shè)100 m，出口距離切眼上口100 m，距離頂板3 m，距離底板0 m，距幫0.3 m；另一趟管路出口在切眼上口，距離頂板3 m，距離底板0 m，距幫0.5 m?；仫L(fēng)順槽鋪設(shè)一趟管路，出口在切眼下口，距離頂板3 m，距離頂板0 m，距離幫0.5 m。實(shí)際壓注過程中，二氧化碳注入流量控制在0.4～1.5 m3/h之間，根據(jù)管路口埋深及回風(fēng)隅角二氧化碳溢出情況確定壓注流量，當(dāng)埋深50 m以上時(shí)流量為1.0 m3/小時(shí)，30～50 m流量為0.5～0.7 m3/小時(shí)，超過70 m流量為1.4 m3/小時(shí)左右。

圖1 EDM1000二氧化碳惰性防滅火裝置

2.2 采空區(qū)注二氧化碳監(jiān)測(cè)

目前對(duì)采空區(qū)氣體成分及含量的監(jiān)測(cè)主要是使用束管監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行氣樣采集，利用氣相色譜儀進(jìn)行分析，該系統(tǒng)可以測(cè)量采空區(qū)注入二氧化碳后各測(cè)點(diǎn)處氣體成分濃度的變化情況。將礦用束管一端與采樣點(diǎn)連接，另一端與抽氣泵連接，通過電機(jī)帶動(dòng)抽氣泵將預(yù)設(shè)抽采點(diǎn)的氣體抽出，抽出的氣樣使用礦用采樣球膽收集。

2.3 采樣點(diǎn)布置方式及監(jiān)測(cè)方法

通過在姚橋礦7271工作面回風(fēng)順槽和進(jìn)風(fēng)順槽預(yù)埋束管進(jìn)行采空區(qū)氣體監(jiān)測(cè)。采空區(qū)內(nèi)的束管采樣點(diǎn)布置位置見圖2，在切眼位置共布置2個(gè)采樣點(diǎn)，其中，靠近材料道側(cè)切眼內(nèi)50 m處設(shè)置1個(gè)采樣點(diǎn)，由3芯束管取樣，編號(hào)為：1#；靠近溜子道側(cè)位于切眼與溜子道交界處設(shè)置1個(gè)采樣點(diǎn)，由3芯束管取樣，編號(hào)為：2#。

除了在開切眼位置布置測(cè)點(diǎn)外，當(dāng)開采到30 m處隨著采煤工作面的推進(jìn)，在工作面回風(fēng)隅角位置及回風(fēng)隅角靠近采空區(qū)內(nèi)都設(shè)置了臨時(shí)取樣點(diǎn)，收集并記錄回風(fēng)隅角處的二氧化碳濃度變化。

二氧化碳?jí)鹤Ⅻc(diǎn)選擇在材料道(進(jìn)風(fēng))一側(cè)切眼上口位置，當(dāng)工作面推進(jìn)到30 m的位置進(jìn)行CO2壓注。束管檢測(cè)路線及裝置鋪設(shè)完成后，隨著7271工作面回采進(jìn)行，現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)人員按時(shí)采用抽氣泵對(duì)采空區(qū)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行氣樣采集，采集的氣體注入球形氣囊進(jìn)行密封。每次采樣之前，抽氣泵的的抽氣時(shí)間不小于10 min，采集完成后立即將氣樣送至地面礦方色譜分析儀處進(jìn)行分析[7,8]。

3 壓注效果分析

3.1 二氧化碳?jí)鹤⑿Ч治?/h3>

9月30日當(dāng)工作面推進(jìn)至距開切眼30 m處，連續(xù)壓注二氧化碳17噸，壓注后對(duì)各采樣點(diǎn)所測(cè)二氧化碳濃度數(shù)據(jù)收集并整理如下：

圖2 測(cè)點(diǎn)位置示意圖

圖3 1#點(diǎn)CO2濃度變化

圖4 2#點(diǎn)CO2濃度變化

圖5 回風(fēng)隅角CO2濃度變化

圖6 回風(fēng)隅角角管內(nèi)CO2濃度變化

分析1#、2#、回風(fēng)隅角及回風(fēng)隅角管內(nèi)測(cè)點(diǎn)CO2的變化情況，可以發(fā)現(xiàn)：

(1) 由于本次CO2釋放口位置位于材料道切眼處，所以1#測(cè)點(diǎn)處的CO2濃度變化較為明顯，從9月30日開始實(shí)施壓注開始到10月3日期間，該測(cè)點(diǎn)的CO2濃度基本保持在1%以上。

(2) 根據(jù)2#點(diǎn)的CO2濃度變化規(guī)律發(fā)現(xiàn)，該測(cè)點(diǎn)的CO2濃度雖然隨著工作面推進(jìn)濃度有所變化，但都不超過0.3%。這是因?yàn)?271工作面從切眼處要經(jīng)過一段俯采段，7271工作面溜子道俯采段約109 m，材料道俯采段約139 m，溜子道最大俯采角度13°，材料道最大俯采角度8°。俯采導(dǎo)致CO2注入后，不僅要向采空區(qū)靠近溜子道測(cè)蔓延，也容易向著工作面方向蔓延，并且CO2的相對(duì)分子質(zhì)量要大于空氣的相對(duì)分子量，使得這種蔓延趨勢(shì)更加明顯。7271工作面長(zhǎng)度255 m，使該測(cè)點(diǎn)距離材料道側(cè)的CO2釋放口距離較遠(yuǎn)。綜合以上因素，導(dǎo)致2#測(cè)點(diǎn)CO2濃度變化不明顯。

(3) 工作面回風(fēng)隅角處監(jiān)測(cè)得到的CO2濃度范圍主要在0.6%附近，只有在上部CO2釋放口開始注入時(shí)，下隅角CO2濃度才有所上升，最高時(shí)達(dá)到1%，之后便有所下降，不影響采掘工作面人員安全生產(chǎn)?；仫L(fēng)隅角管內(nèi)測(cè)點(diǎn)即靠近工作面的采空區(qū)內(nèi)部所測(cè)CO2濃度，隨著CO2壓注的進(jìn)行從0.65%上升至1.71%，壓注之后濃度逐漸下降，但濃度仍然保持在1%以上?；仫L(fēng)隅角及回風(fēng)隅角管內(nèi)所測(cè)的CO2濃度變化說明位于材料道切眼口的CO2釋放口壓注CO2后，CO2氣體經(jīng)過整個(gè)采空區(qū)的蔓延，到達(dá)工作面采空區(qū)的邊緣位置，并且隨著工作面的推進(jìn)CO2氣體不斷向前蔓延延伸。

(4) 壓注CO2期間，7271工作面回風(fēng)順槽、回風(fēng)隅角的氧氣濃度仍然保持在20%左右，與新鮮風(fēng)量中的氧氣濃度一致，即壓注CO2并未影響采掘工作面的安全生產(chǎn)。

3.2 壓注后自燃三帶分布范圍

采空區(qū)束管監(jiān)測(cè)點(diǎn)的氧氣濃度隨著采樣點(diǎn)進(jìn)入采空區(qū)距離的增大而逐漸下降，由于壓注CO2導(dǎo)致采空區(qū)內(nèi)壓增大且漏風(fēng)減小，當(dāng)采樣點(diǎn)進(jìn)入采空區(qū)36 m左右范圍氧氣濃度就降到18%以下。隨著采樣點(diǎn)埋深越來越大，采空區(qū)內(nèi)壓增大，采空區(qū)壓實(shí)程度增大且漏風(fēng)減少，氧氣濃度快速下降，當(dāng)采樣點(diǎn)距離工作面50 m左右，氧氣濃度下降到9.05%，根據(jù)所測(cè)采樣點(diǎn)氧氣濃度變化可以擬合得到測(cè)點(diǎn)氧濃度隨工作面推進(jìn)的變化情況。

圖7 測(cè)點(diǎn)氧氣濃度隨工作面距離變化擬合圖

依據(jù)采空區(qū)自燃“三帶”劃分標(biāo)準(zhǔn)[9]，可知：工作面至采空區(qū)34 m為散熱帶；采空區(qū)后方34～57 m范圍為氧化升溫帶；采空區(qū)距工作面大于57 m的范圍為窒息帶。根據(jù)已有數(shù)據(jù)，未進(jìn)行注惰氣時(shí)自燃三帶中氧化帶范圍為45～88 m，相比之下，注二氧化碳后氧化帶寬度減小了20 m。

表1 工作面壓注CO2采空區(qū)自燃“三帶”分布

4 結(jié)論

(1) 對(duì)7271工作面壓注二氧化碳后，二氧化碳濃度在1#測(cè)點(diǎn)和回風(fēng)隅角處附近變化明顯，說明二氧化碳從釋放口擴(kuò)散蔓延至整個(gè)采空區(qū)，可以有效覆蓋采空區(qū)遺煤。

(2) 注二氧化碳前氧化帶范圍為45～88 m，注氣之后氧化帶范圍縮小至34～57 m，對(duì)比發(fā)現(xiàn)注二氧化碳后氧化帶寬度減小了20 m，縮短了遺煤從氧化帶進(jìn)入窒息帶的距離及時(shí)間，有利于抑制煤炭自燃，說明向采空區(qū)壓注二氧化對(duì)預(yù)防遺煤自燃是有效的。

(3) 采空區(qū)注入二氧化碳后，會(huì)改變采空區(qū)原有流場(chǎng)分布，減少采空區(qū)深部漏風(fēng)、降低氧氣濃度；壓注二氧化碳流量的變化必然影響采空區(qū)三帶分布。隨著壓注流量增大，采空區(qū)自燃帶會(huì)逐漸向工作面方向移動(dòng)、且寬度逐漸減小，所有可以適當(dāng)增大二氧化碳?jí)鹤⒘髁縼硖岣叻乐芜z煤自燃的效果。

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Applicationofcarbondioxideinjectioningoaftopreventspontaneouscombustionofcoal

NIU Zhen-lei1, CHENG Gen-yin1, DONG Qi2,ZHOU Yi-fei1, TANG Jing-jing1

(1.SchoolofSafetyEngineering,NorthChinaInstituteofScienceandTechnology,Yanjiao, 065201,China,2.YaoqiaoCoalMine,ShanghaiDatunEnergyCo.,Ltd.,Xuzhou,221600,China)

In order to prevent spontaneous combustion of residual coal in No.7271 working face of Yaoqiao Coal Mine and to provide reference for fire prevention work of other working face, through injecting carbon dioxide into the goaf and monitoring the gas concentration with the beam tube monitoring system, the distribution of carbon dioxide in the goaf and the distribution of the three zones of spontaneous combustion are obtained after the injection. After finishing and analyzing the data, it is concluded that the pressure injected carbon dioxide spreads from the injection port to the corner of the return air and can effectively cover the mined out area; after the injection, the width of the oxidation zone in the three spontaneous combustion zone is 23m. Comprehensive analysis shows that injecting carbon dioxide gas into goaf of No.7271 working face can effectively prevent spontaneous combustion of residual coal.

goaf; carbon dioxide; spontaneous combustion three zones

2017-08-17

中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)資助(3142017039)

牛振磊(1991-)，男，山西忻州人，華北科技學(xué)院在讀碩士研究生。E-mail：446125529@qq.com

TD712

A

1672-7169(2017)05-0012-05

10.7666/d.d223650.