矿用液态二氧化碳防灭火技术优点与应用.pdf

中国科技期刊数据库 工业 A 收稿日期：2024 年 01 月 11 日 作者简介：张磊（1979），男，工程师，2009 年毕业于辽宁工程技术大学采矿学院，现任大兴煤矿保安区区长。-200-矿用液态二氧化碳防灭火技术优点与应用 张 磊 张洪刚 王 成 铁法煤业（集团）有限责任公司大兴煤矿，辽宁 调兵山 112700 摘要：摘要：在矿井事故中，矿井火灾为五大灾害之一，危险性大，损害程度高。一旦井下发生火灾，受到有限空间和密闭状态限制的影响，井下全部人员的生命安全均会受到严重威胁。所以为了能够降低井下火灾隐患发生概率，提高矿井隐患处置能力，拓宽井下防灭火手段，大兴煤矿积极探索利用新装备、新技术的使用，用来指导井下防灭火工作的进行。通过采用矿用液态二氧化碳防灭火技术的优点，有效降低开放式和封闭式工作面采空区氧气、一氧化碳气体浓度，抑制温度升高与惰化遗煤自燃氧化速度，为易自燃煤层综采工作面回采期间的火灾防治提供了有力的技术支持。实践应用证明:通过对液态二氧化碳的灭火作用机理、灭火优点、安全应用情况进行探讨说明发现，矿用液态二氧化碳防灭火技术与其他防灭火技术方法相比较具有速度快，操作简单，防灭火效果更加显著且经济合理等优点，是一项先进的防灭火技术，甚至可能将不失为当前煤矿井下最佳的防灭火技术措施，同时给煤矿安全生产带来了巨大的社会与安全效益。关键词：关键词：液态二氧化碳；防灭火技术；煤层自燃 中图分类号：中图分类号：TD75 0 引言 大兴煤矿开采的煤层类型主要为高瓦斯、容易产生自燃的煤层，煤种以长焰煤为主，一般发火期为 1-3个月，这为安全开采工作带来了重大的自燃发火风险隐患，特别是在采煤工作面停产检修期间，其自燃风险隐患就更为显著。一直以来，煤矿防灭火技术没有实现里程碑式的突破，始终存在壁垒，使防灭火工作不彻底，缺乏行之有效的措施指导，各类矿井一直依赖传统的填充、封堵和注入氮气置换的方法进行处理，这些措施都可以产生一定的灭火效果，但是存在很大的缺陷。不仅每次治理都需要经历漫长的时间才能起到作用，而且防灭火效率低，治理效果差，经常会出现反复治理的局面，还会对重新恢复生产造成很大困扰，同时不彻底的和反复治理的过程，造成消耗的材料费用、人工和机械费用都成倍地增加，导致了巨大的经济损失。近年来大兴煤矿通过对矿用液态二氧化碳防灭火技术的实践应用，积累了丰富的防灭火经验。并且通过针对开放式工作面和封闭式工作面的不同特点进行研究分析后得出了能够达到了采空区自燃发火隐患治理的最佳效果。此项举措有效地降低了采空区遗煤自燃发火的风险，从而保障了大兴煤矿工作面的安全生产，避免了因自燃发火隐患而造成停工、停产带来的经济损失。1 矿用液态二氧化碳防灭火装置 1.1 矿用液态二氧化碳防灭火装置组成 矿用液态二氧化碳防灭火装置是通过矿用移动式液态二氧化碳罐车，以及流量、压力等监测和控制装置组成。由于液态二氧化碳是一种无腐蚀性的非危险性低温液体，无论是运输和存储都不会受到井上或井下施工环境的影响，更不会对工作人员的安全产生损伤。因此，设计矿用移动式二氧化碳防灭火装置罐体的内罐及其组件能够经受-40到 80的温度即可，此类型材质不会影响贮罐的强度即可。同时根据平板矿车的外形尺寸，进行罐体形态调整，能够满足在井下安全运输的需要。1.2 矿用液态二氧化碳防灭火装置设计参数及其配置（1）装置设计参数：压注方法：采用直接压注方式；流量：2.06.0t/h；输出温度：-30-15；输送距离：500m。（2）装置配置及设备参数：矿用移动式液态二氧化碳防灭火装置；中国科技期刊数据库 工业 A-201-型号：CPW-2.0（或 CPW-1.26）；容积：2m3；压力：2.6MPa；流量：2.06.0t/h；储罐充装系数：0.95；罐内储存压力：1.32.6MPa；液体放净率：98%；外形尺寸（直径高度）：3000mm1400mm1600mm（或 2600mm1250mm1300mm）；自增压装置（增压稳压装置）：防止液态二氧化碳储罐内形成干冰，并实现液态二氧化碳的远距离输送；矿用平板车。1.3 矿用液态二氧化碳储运及工作流程（1）液态二氧化碳储运系统主要由地面液态二氧化碳罐车、CPW-2.0（或 CPW-1.26）矿用移动式液态二氧化碳防灭火装置（见图 1）和输送管路构成。其主要功能是储藏和运输液态二氧化碳。图 1 矿用移动式液态二氧化碳防灭火装置（2）工作流程：液态二氧化碳由地面液态二氧化碳运输罐车运送至矿内，并通过输送管路逐次灌注到 CPW-2.0（或CPW-1.26）矿用移动式液态二氧化碳防灭火装置内，然后将移动式罐体运送至井下灌注地点，通过连接预埋好的管路，将其注入至工作面采空区或封闭区，来实现防灭火功能。2 矿用液态二氧化碳物理特性（1）二氧化碳常温、常压下是无色略带酸味的窒息气体。二氧化碳不可燃，正常情况下也不助燃。因此，灭火技术中采用二氧化碳此种气体，为首选。（2）大气中二氧化碳的体积分数仅为 0.037%。它在不同的压力、温度条件下有三种形态，即在低温加压下（-20、2Mpa）或高压常温（约 8Mpa、30）下气体可变为液态，液体气化过程中，当温度下降至-78.5后将形成雪花状的固态干冰。（3）二氧化碳熔点为-56.6(0.52Mpa)，临界温度为 31.3，临界压力 7.28Mpa，二氧化碳具有升华特性，升华点为-78.5(0.1Mpa)。（4）二氧化碳相对空气密度为 1.529，密度为1.976kg/m3(0、0.1Mpa)，液态二氧化碳的密度随温度的变化而变化较大，-20时，其密度是 1.01kg/L，液态二氧化碳汽化和升华时吸热 137kcal/kg，在温度为 15、0.1Mpa 下，1t 液态二氧化碳体积膨胀约 640倍。其气化和升华时吸热并且体积膨胀，也是作为煤矿防灭火措施中不可缺少的优点。3 矿用液态二氧化碳防灭火技术优点 大兴煤矿通过对液态二氧化碳防灭火技术的长期实践应用和防灭火效果的综合评估，证明该技术相比其它传统防灭火技术具有以下优点：（1）液态二氧化碳灌注至封闭区或采空区空间后，因二氧化碳独有的降温和膨胀的物理特性，其体积会由液态瞬间转化为气态，气化过程会吸收大量热量，从而加速降低自燃区域内的温度，并且二氧化碳体积膨胀数倍，有效稀释了氧气浓度，没有了足够氧气地助力，自燃区域无法维持燃烧，其冷却、惰化效果显著；（2）液态二氧化碳具有广泛的应用性，当其吸热气化后能够分散充满各种形状的空间，因而方便使用于矿井采空区深部、高冒区等各类矿井复杂工作面不便接近的地点，二氧化碳相较于氮气更容易被煤表面吸附；（3）液态二氧化碳灌注封闭区或采空区后，可以显著减缓煤氧复合速度，有效阻止煤的氧化或燃烧，从而更有效地避免瓦斯、煤尘爆炸的发生，避免更严中国科技期刊数据库 工业 A-202-重的次生灾害发生；（4）因为其无毒无害的特点，使其产生的负面损失极少，并且不会损坏设备和井巷设施造成损耗和损害，不会增加设备设施折旧，更不会造成环境污染。另外，对人体无伤害，即使过量使用，也不会危害人身安全，因而采取该项防灭火措施后恢复工作量少且难度低。并且此防灭火装备的操作极其简便，操控按钮少，原理简单，容易掌握；此装置故障较少，后期维护方便，配件易得，维护费用低廉。（5）输送便利。因其无毒，无腐蚀性，对输送环境没有特殊要求，不需要做防护措施；只要在输送过程中，注意防止流量和流速控制，防止堵管和爆管。（6）其用于灭火的材料成本要比其他灭火费用更为经济；同等重量二氧化碳的价格因其取材容易，相较于氮气要低廉很多，相较于其他封堵和注入措施，采用二氧化碳这种灭火原料，无疑是最优选择。（7）装备靠自身压力作为动力来源，无电器设备调试，全程无电气设备参与，不需要考虑井下使用的电器防爆安全问题。4 矿用液态二氧化碳防灭火技术应用效果（1）大兴矿南二 905 工作面在回采期间采空区曾经历了三个阶段的自燃发火危险时期。通过对自燃发火期的回风一氧化碳浓度检测图线来进一步说明。2016 年 5 月 20 至 5 月 30 日时间段内：5 月 20 日对工作面回风检测发现，开始出现一氧化碳，5 月 30 日检测一氧化碳涌出量为 15.7m3/d，回风流一氧化碳当日最高值达 5.47ppm。此时对于工作面主要采取减风措施，控制其自燃发火。图 2 工作面 5 月 20-5 月 30 日回风一氧化碳变化曲线图 5 月 31 至 6 月 27 日时间段内：在 6 月 4 日的时候，工作面一氧化碳涌出量为 170m3/d，相应的回风一氧化碳浓度均值维持在 23ppm 左右。然后从 6 月 5 日开始至 6 月 17 日，一氧化碳的涌出量逐渐下降并维持在80m3/d，此时的回风一氧化碳浓度均值为 13ppm 左右。但是，从 6 月 18 日开始，工作面的一氧化碳涌出量又开始出现上升，到 6 月 22 日，一氧化碳的涌出量达到此阶段的峰值，最高达到 410m3/d，相应的回风一氧化碳浓度均值为 128ppm 左右。根据自燃发火的发展规律和现场的回采实践经验进行分析，为了有效降低采空区的一氧化碳浓度，决定对采空区采取了无死角的多手段并举的综合治理措施。本阶段主要采取的措施有：工作面减风、工作面上、下隅角砌筑永久封堵墙、工作面采取采空区埋管充填、注氮、上部南五采区 7 煤层注水、工作面下隅角及架间喷浆等一系列综合防火措施。很快，采取的措施起到一定的作用和效果，在 6月 27 日，工作面一氧化碳涌出量再次下降至 58m3/d，对应的回风一氧化碳浓度均值为 8ppm。图 3 工作面 5 月 31-6 月 27 日一氧化碳涌出量变化曲线图 图 4 工作面 5 月 31-6 月 27 日回风一氧化碳变化曲线图 6 月 28 至 7 月 9 日的时间段内：工作面在 6 月 28日的时候，一氧化碳涌出量为 47.5m3/d，相应的回风一氧化碳浓度均值为 7.08ppm，6 月 30 日工作面一氧化碳涌出量为 153m3/d，相应的回风一氧化碳浓度均值为 24.32ppm。除了维持之前的实施各项措施外，工作面在 7 月 1 日采取均压通风措施后，工作面一氧化碳涌出量为 186.9m3/d，相应的回风一氧化碳浓度均值为38.16ppm。工作面在 7 月 3 日取消均压通风，恢复负压通风后，当日一氧化碳涌出量 336m3/d，相应的回风中国科技期刊数据库 工业 A-203-一氧化碳浓度均值为 128.38ppm。到 7 月 4 日，工作面一氧化碳涌出量上涨最高达 348.1m3/d，相应的回风一氧化碳浓度均值为 155.24ppm。因此自 7 月 5 日起，决定开始采取矿用液态二氧化碳防灭火技术，在 7 月 9日工作面一氧化碳涌出量降到 14.2m3/d，并且数值一直持续下降最后趋于稳定，相应的回风一氧化碳浓度均值为 2.56ppm。图 5 工作面 6 月 28-7 月 9 日回风一氧化碳变化曲线图（1）通过以上实践数据分析证明，在前两个阶段工作面采空区发生自燃发火隐患后，先后采用了工作面减风、注水、注砂充填、注氮、堵漏、均压等综合防灭火技术措施后，从回风一氧化碳变化数值上来看，虽然隐患得到了有效的控制，但是均未将采空区发生自燃发火隐患做到彻底消除，因此引发了第三阶段自燃发火隐患。在第三个阶段采空区自燃发火隐患发生后，大兴煤矿经过对工作面实际情况的分析，结合以往防灭火治理经验，最后决定采用矿用液态二氧化碳防灭火技术，经过相关部署，当日将液压二氧化碳输送管路敷设完毕，成功将二氧化碳引入工作面。经过12 天的治理，采空区遗煤自燃发火隐患得到有效的控制，经过长时间对采取措施后工作面检测一氧化碳涌出量的数值来看，均维持在正常状态，逐渐减少，并长期保持稳定，此举保证了工作面的安全回采，解决了安全隐患，因此充分说明矿用液态二氧化碳防灭火技术在治理工作面采空区自燃发火隐患中起到了决定性作用。（2）大兴煤矿在停产放假期间，由于采空区遗煤容易发生自燃发火，因此对采空区采取主动封闭的防灭火措施。传统的主动封闭方式主要是采取工作面注氮措施，但是注氮方式置换采空区的氧气时间十分漫长，而且效果不明显，封闭区的氧气浓度一直稳定在9%-11%左右，最重要的是工作面启封后，大量氧气涌入，极易造成采空区遗煤发生氧化，发生自燃发火隐患。针对于上述情况，大兴煤矿对工作面采取主动封闭措施后，改用矿用液态二氧化碳防灭火技术，通过矿用移动式液态二氧化碳装置进行近距离管道输送，不仅加快封闭区内二氧化碳与氧气的置换速度，缩短与氧气的置换时间，达到了快速有效抑制封闭区域内浮煤氧化的目的，使得封闭区内氧气浓度保持在 5%以下，有效的解决了以往采取注氮措施置换封闭区内氧气存在的各项问题，加快了治理速度，降低了自燃隐患发生的概率。保证了封闭期间的防灭火安全及启封后工作面的安全回采工作的进程。5 结语 大兴煤矿通过对液态二氧化碳防灭火技术的实践应用证明在预防及灭火方面，采用该技术为矿井主要防灭火措施手段的思路是准确且能行之有效的。该技术的使用，彻底扭转了井下防灭火治理过程缓慢，效果差，效率低的局面。不仅有效地降低了开放式和封闭式工作面采空区氧气、一氧化碳浓度，并能抑制温度升高与惰化遗煤自燃氧化的速度，而且还为易自燃煤层综采工作面回采和主动封闭的火灾防治提供了强有力的技术支持。此外，相较于其它传统的防灭火技术，该技术反应更迅速，操作更为便捷，且成本更低，这些优势使它成为了一项先进的防灭火技术，并且可以确定其为当今煤矿井下防灭火技术措施中最佳的一种。同时该技术可与其他防灭火技术进行优化组合，经过和其他防灭火技术相结合形成综合防灭火措施后，对煤矿防灭火效果会有更加显著地提高。该技术的实施，给煤矿带来了巨大的社会与安全效益，具有十分广阔的推广使用前景。参考文献 1宋宜猛.采空区液态二氧化碳惰化降温防灭火技术研究J.中国煤炭,2014,40(4):4.2尹常锋.灌注液态二氧化碳技术在鑫发矿井防灭火中的应用J.煤炭与化工,2019(4):042.3孙久政,栾玉涛,张辛亥.液态二氧化碳防灭火技术在东荣二矿应用J.陕西煤炭,2007(6):2.