呂英華

（國家能源集團 神東煤炭集團，陜西 神木719315）

煤炭自燃火災是我國礦井主要災害之一，受自燃火災威脅的礦井約占礦井總數的70%左右，煤礦火災事故不但會產生大量有毒有害氣體，嚴重威脅井下作業(yè)人員的生命安全，因火災引發(fā)的煤塵、瓦斯爆炸等次生災害更為嚴重。國家能源投資集團西部礦井隨著各礦井生產水平的不斷延伸，部分礦區(qū)逐漸形成了煤田火區(qū)、小窯火區(qū)、多層采空區(qū)、隱蔽高溫區(qū)域等多類型火災形式共存的復雜生產條件，導致火災治理難度、治理成本顯著增大，對礦井生產安全構成嚴重威脅。近幾年我國的礦井防滅火技術取得了顯著進步，通過深入研究煤自然發(fā)火機理，在礦井火災預測及治理方面開發(fā)了新的產品及技術，成功治理了多起煤自然發(fā)火事故。目前礦井應用最廣泛的防滅火技術有注漿、注氮氣、注凝膠、三相泡沫等常規(guī)性措施，由于國家能源集團西部礦區(qū)煤層埋藏淺、近水平開采，采空區(qū)注漿輸漿倍線過大，受到漿液流動性制約，并不能有效覆蓋采空區(qū)高位遺煤；并且采空區(qū)開放式注氮氣，煤層埋藏淺，井上下漏風嚴重，氮氣滯留采空區(qū)時間短，注氮后的效果并不十分明顯[1]；工作面回采過后，受采動影響與鄰近采空區(qū)相互溝通，采空區(qū)范圍較大，注凝膠及三相泡沫所需量較多、成本高。

國家能源投資集團西部某礦所采9#煤為典型的淺埋深近水平近距離易自燃煤層，且上覆存在7#、8#煤層老采空區(qū)，由于9#煤距離地表最近處約75 m 左右，煤層上覆為砂巖等軟質巖層，9#煤層開采后上覆采空區(qū)遺留的遺煤受重復采動影響，與上覆采空區(qū)及地表形成大量發(fā)育裂隙，受礦井通風負壓影響，本層采空區(qū)、上覆采空區(qū)及地表漏風嚴重，采空區(qū)遺煤長期處于漏風供氧情況下極易發(fā)生氧化自燃[2]，因此針對9#淺埋深、近距離、近水平煤層回采后可能導致本層及上覆采空區(qū)大面積遺煤氧化自燃問題，首先應針對本煤層采空區(qū)尋求一種成本低廉、技術可行、簡單可靠、可操作性強的采空區(qū)重點區(qū)域治理方案，為工作面生產消除安全隱患。

1 CO2 防滅火原理

CO2滅火技術已經非常成熟，由于其滅火速度快、作用范圍大、應用范圍廣且無害，因而成為處理各種火災的一大重要手段。CO2注入著火區(qū)后可快速降低環(huán)境中的氧氣含量，使著火區(qū)因缺氧而窒息。CO2性質非常的穩(wěn)定，其在不同的壓力以及溫度下有固、液、氣3 種形態(tài)存在。

采空區(qū)直注液態(tài)CO2相比于常規(guī)性治理措施而言具有優(yōu)越的防滅火特性，主要表現在降溫、惰化、安全、經濟等幾個方面。液態(tài)CO2直注后會瞬時氣化吸熱、膨脹擴散（在15 ℃，0.1 MPa 條件下1 t 液態(tài)CO2可氣化約640 m3），不僅會快速降低煤體溫度，還會極速惰化整個采空區(qū)抑制煤氧復合反應，從而起到滅火作用[3-4]。同時由于液態(tài)CO2價格相比較液氮更便宜、便于輸送，故可通過特種輸送設備槽車大量采購并運輸至需要實施灌注滅火的地點進行滅火或者運用專用研發(fā)裝置進行滅火[5]，利用液態(tài)CO2注入火區(qū)后快速氣化，CO2密度大于空氣的密度，在熄滅底部的火災時，可快速沉入底部而擠出氧氣，降低火區(qū)的氧濃度，既能撲滅大的明火火災，又能抑制并撲滅隱蔽火源，滅火效果較好。降低氧氣含量，使火區(qū)缺氧而窒息和降溫，在應用于煤層自燃火災防治取得較好的效果。

2 工作面概況

010905工作面是該礦一盤區(qū)第5 個綜采工作面，工作面走向長度約1 000 m，煤層設計采高為2 m。工作面距上覆8#采空區(qū)最近約45 m，距上覆7#采空區(qū)最近約70 m。8#煤層開采時礦方對上覆7#煤層采空區(qū)進行地表探測，地表鉆探結果表明010905 工作面上覆7#采空區(qū)存在局部高溫區(qū)域，經測溫得知鉆孔孔底溫度最高超過200 ℃，且高溫區(qū)域各鉆孔孔口呈出氣狀態(tài)，便攜儀測得CO 體積分數最高在1 000×10-6，010905 工作面上覆7#煤層采空區(qū)局部高溫區(qū)域遺煤處于氧化自燃階段，上覆8#采空區(qū)經鉆孔探測暫無溫度異常，隨后對7#煤層采空區(qū)進行注液氮滅火治理后開始對9#煤層工作面進行開采，為預防010905 工作面采空區(qū)氧化帶區(qū)域自然發(fā)火問題，經經濟性、效果性對比后實施地面鉆孔灌注液態(tài)CO2防滅火預防性處理。010905 工作面與上覆采空區(qū)位置關系圖如圖1。

圖1 010905 工作面與上覆采空區(qū)位置關系圖Fig.1 Location relationship between 010905 working face and overlying goaf

由于注液氮成本高、擴散半徑不理想，故010905 工作面正常回采后在氧化帶區(qū)域沿著傾向布置1 個靠近聯巷密閉監(jiān)測點的地表鉆孔，鉆孔施工全程下套管并施工至9#煤層采空區(qū)氧化帶區(qū)域，套管為耐低溫耐高溫不銹鋼管，對氧化帶區(qū)域進行灌注液態(tài)CO2防滅火治理。鉆孔形成后孔深約90 m，通過對孔口取氣及井下聯巷束管監(jiān)測系統分析：采空區(qū)CO 體積分數約15×10-6、氧氣體積分數約19%、溫度約15 ℃。010905 工作面上覆地表鉆孔位置關系圖如圖2。

3 采空區(qū)鉆孔灌注液態(tài)CO2 治理方案

圖2 010905 工作面上覆地表鉆孔位置關系圖Fig.2 Location relationship of surface drilling on working face 010905

010905工作面由于正常生產接續(xù)需要，需要對采空區(qū)處于“氧化帶”區(qū)域采取防滅火預防性治理措施，經過對常規(guī)性注漿注氮效果分析討論后認為其對采空區(qū)實際情況不能起到大范圍、針對性治理效果，且液態(tài)CO2具有無毒無害、溫度低、便于罐體儲存、方便槽車運輸、經濟性合理、汽化吸熱降溫作用明顯、快速惰化充填有限空間等優(yōu)點，經研究后決定對010905 工作面采空區(qū)“氧化帶”區(qū)域采取井上鉆孔始端直注井下聯巷措施孔終端監(jiān)測的綜合性灌注液態(tài)CO2快速治理方案[6-11]。根據010905 工作面“三帶”測定報告[6]，位于工作面后方采空區(qū)80 m 范圍進入氧化帶區(qū)間，氧化帶區(qū)域面積約為6 000 m2。故本次液態(tài)CO2井下終端觀測位置選定為相應的4個聯巷進行效果觀測（兩聯巷間距約50 m）。為了確保該方案安全、順利實施，灌注期間該礦井加強了對聯巷和工作面回風巷道內的人員管理，避免由于意外泄露引起窒息事故。

3.1 技術參數

由于CO2是一種臨界溫度約31.2 ℃、臨界壓力約7.38 MPa 的無毒無害、酸性氣體，其只能在加壓條件下成為液態(tài)，所以采用井上直注時必須控制好管道內壓力，防止因失壓后變成固態(tài)CO2導致無法順利直注。根據現場經驗，當管道內壓力維持在1.2 MPa 以上時，可保證管道不會因壓力不足導致固態(tài)CO2封堵管道，由于垂直輸送距離短，因此要求井上始端管路無漏氣、壓力表無損壞、槽車始端加壓2.0 MPa 后輸送液態(tài)CO2即可滿足輸送壓力要求（考慮短距離輸送壓力損失），同時直注前應當進行1 次全管道氮氣打壓試驗，使保證管路承壓壓力在2.0 MPa 以上，符合壓力要求。

3.2 工作面采空區(qū)“氧化帶”區(qū)域灌注量計算

為了使010905 工作面采空區(qū)處于“氧化帶”范圍的區(qū)域得到有效控制、且對工作面正常推進不造成影響，預計將采空區(qū)位于“氧化帶”范圍內的多孔介質空間內充滿惰性氣體，考慮回采后采空區(qū)頂板實際下沉量，暫不考慮氣體損失等其它因素[7]。經過理論計算得到該礦010905 工作面地表直注區(qū)域的“氧化帶”面積約6 000 m2。由于1 t 液態(tài)CO2在常溫狀態(tài)下可轉換成氣體為640 m3。010905 工作面煤層為綜采工作面開采，采高為2 m 則液態(tài)氮量T為：

式中：T 為注液態(tài)CO2總量；A 為考慮頂板下沉后的折算系數，取0.7；S 為直注區(qū)域面積；H 為采高。

經理論計算后T=65.1 t，即得出“氧化帶”范圍灌注區(qū)域總共需要約65 t 液態(tài)CO2，需全部通過地面鉆孔進行灌注。

3.3 工作面采空區(qū)氧化帶區(qū)域注液態(tài)CO2 及觀測

目前國內CO2防滅火技術主要采取2 種灌注方式：一種是在地面將液態(tài)CO2經氣化灌注方式，另一種是在井下將液態(tài)CO2直接灌注方式。氣化灌注方式很好地解決了液態(tài)CO2長距離管路輸送凝結堵塞問題，但氣化后液態(tài)CO2的降溫防滅火作用被極大削弱。因此采用液態(tài)CO2防滅火，充分利用其降溫特性是防滅火技術研究的重點方向。

本次通過地表鉆孔注入約65 t 液態(tài)CO2均由2輛工業(yè)用槽車運輸至灌注地點，沿著010905 采空區(qū)氧化帶區(qū)域上部地表鉆孔進行灌注。釋放前工業(yè)用槽車釋放裝置與地表鉆孔孔口管道對接完成，釋放過程當槽車壓力表壓力達到2.0 MPa 時擰開閥門，全程觀察鉆孔旁管路壓力表讀數，防止因管路泄露造成壓力不足造成管路結干冰，直注無法繼續(xù)進行。

當地表灌注液態(tài)CO2工作完成后，礦方安排專人對010905 工作面采空區(qū)氧化帶區(qū)域聯巷觀測孔內埋設的束管及溫度傳感器進行連續(xù)取氣分析、測溫[8]，主要研究聯巷所在的氧化帶區(qū)域在實施直注液態(tài)CO2后的溫度、CO、O2等相應的變化關系，不僅為實現本工作面安全回采，而且為礦井工作面采空區(qū)高溫區(qū)域后期治理提供理論指導[9]。

3.4 灌注液態(tài)CO2 效果

當010905 工作面采空區(qū)氧化帶區(qū)域對應地表直注鉆孔完成2 車液態(tài)CO2灌注后，利用相應聯巷內布置的測溫導線測得采空區(qū)溫度為-16 ℃左右，先呈明顯下降趨勢，后逐漸恢復正常；測得CO 體積分數為0，對采空區(qū)CO 的稀釋作用較為明顯；測得氧氣體積分數呈明顯下降。同時010905 工作面上隅角未見低氧以及CO2超限。

010905 工作面采空區(qū)氧化帶區(qū)域地表鉆孔灌注前后CO 體積分數變化曲線圖如圖3、圖4。

圖3 010905 工作面采空區(qū)氧化帶區(qū)域地表鉆孔灌注前CO 體積分數變化曲線圖Fig.3 Change curve of CO concentration before surface drilling perfusion in goaf oxidation zone area of working face 010905

圖4 010905 工作面采空區(qū)氧化帶區(qū)域地表鉆孔灌注后CO 體積分數變化曲線圖Fig.4 Change curve of CO concentration after surface drilling perfusion in goaf oxidation zone area of working face 010905

由圖3 和圖4 可知，注液態(tài)CO2后010905 工作面采空區(qū)氧化區(qū)域的CO 體積分數由15×10-6左右立刻降低至0，而后逐漸升高穩(wěn)定至6×10-6，說明液態(tài)CO2大面積氣化并充填采空區(qū)后對氧化帶內CO稀釋效果十分明顯。

010905 工作面采空區(qū)氧化帶區(qū)域地表鉆孔灌注前后O2體積分數變化曲線圖如圖5、圖6。

圖5 010905 工作面采空區(qū)氧化帶區(qū)域地表鉆孔灌注前O2 體積分數變化曲線圖Fig.5 Change curve of O2 concentration before surface drilling perfusion in goaf oxidation zone area of working face 010905

圖6 010905 工作面采空區(qū)氧化帶區(qū)域地表鉆孔灌注后O2 體積分數變化曲線圖Fig.6 Change curve of O2 concentration after surface drilling perfusion in goaf oxidation zone area of working face 010905

由圖5 和圖6 可知，注液態(tài)CO2后010905 工作面采空區(qū)氧化區(qū)域內O2體積分數由19.7%左右呈現先直線下降后逐步上升穩(wěn)定至18.5%左右，說明液態(tài)CO2灌注采空區(qū)后擴散速度快，逐漸置換采空區(qū)中的O2，使O2體積分數出現明顯下降現象，后O2體積分數有所恢復是由于采空區(qū)漏風嚴重帶走部分氣化后的CO2所至。

010905 工作面采空區(qū)氧化帶區(qū)域地表鉆孔灌注前溫度變化曲線圖如圖7、圖8。

圖7 010905 工作面采空區(qū)氧化帶區(qū)域地表鉆孔灌注前溫度變化曲線圖Fig.7 Temperature change curve before surface drilling and grouting in oxidation zone area of working face 010905

圖8 010905 工作面采空區(qū)氧化帶區(qū)域地表鉆孔灌注后溫度變化曲線圖Fig.8 Temperature change curve after surface drilling and grouting in oxidation zone area of working face 010905

由圖7 和圖8 可知，注入液態(tài)CO2后010905 工作面采空區(qū)氧化區(qū)域的溫度呈現先明顯下降后逐漸上升至原有溫度的趨勢，說明液態(tài)CO2灌注采空區(qū)后快速氣化吸收大量熱量，使采空區(qū)溫度出現明顯下降現象，后有所回升是因為采空區(qū)為多孔介質空間，加之本層采空區(qū)漏風、層間采空區(qū)漏風及地表漏風使采空區(qū)不斷有新鮮風流，采空區(qū)溫度有所回升。

4 應用效果

1）010905 工作面采空區(qū)氧化帶區(qū)域經理論計算所需液態(tài)CO2的惰化量對實際的防滅火效果較明顯，O2體積分數、CO 體積分數、溫度均呈現大幅下降趨勢。

2）由于010905 工作面上覆存在近距離煤層采空區(qū)，故地表灌注液態(tài)CO2后采空區(qū)氧化帶區(qū)域惰化時間、惰化效果不佳，但擴散的CO2氣體在一定程度上抑制了上覆采空區(qū)浮煤的氧化自燃問題。

3）010905 工作面在實施灌注液態(tài)CO2后工作面上隅角并未出現CO2超限事故，因此當采空區(qū)氧化帶區(qū)域出現自然發(fā)火跡象時通過直注液態(tài)CO2可確保工作面實現正常安全回采。

5 結 語

1）通過對010905 工作面采空區(qū)氧化帶區(qū)域進行科學的理論計算，考慮采空區(qū)實際情況，合理地計算出理論計算惰化區(qū)域所需的實驗液態(tài)CO2用量，為灌注CO2量提供精準指導，使液態(tài)CO2直接灌注工作有了量方面的依據。

2）液態(tài)CO2對于有自然發(fā)火危險區(qū)域的實際治理效果相比于傳統注N2滅火效果十分理想，其不僅能在短時間內迅速氣化吸熱而帶走與其接觸的煤體表面熱量使煤體呈現低溫狀態(tài)，還能使其作用的氧化帶區(qū)域溫度在一段時間內處于相對較低的水平。

3）地表單孔直注液態(tài)CO2的有效治理半徑不僅與氧化帶區(qū)域原有溫度相關，還和直注量、采空區(qū)壓實程度、上覆采空區(qū)距離、巖石性質以及010905 工作面的通風方式、漏風量等參數有直接關系[11]。