王晉生

(陽(yáng)泉煤業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司))

礦井自然發(fā)火是煤礦安全生產(chǎn)中的一大隱患，礦井下發(fā)生火災(zāi)極易導(dǎo)致瓦斯爆炸事故，對(duì)礦工人身安全與財(cái)產(chǎn)造成極大威脅。國(guó)內(nèi)部分煤礦采取液態(tài)CO2進(jìn)行防滅火，并取得了良好效果[1]。利用液態(tài)CO2進(jìn)行防滅火具有惰化阻燃、降溫等作用，具有高效、快速、成本低、操作簡(jiǎn)便的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。液態(tài)CO2防滅火有豐富的應(yīng)用前景，其防滅火裝備系統(tǒng)值得進(jìn)一步研究與設(shè)計(jì)。

1 液態(tài)CO2的惰化阻燃性能

1.1 液態(tài)CO2的物理特性

CO2在常溫常壓下是無(wú)色略帶酸味的窒息性氣體，臨界溫度為31.1 ℃，臨界壓力為7.09 MPa。氣態(tài)CO2相對(duì)密度為1.53，密度為1.976 kg/m3(0 ℃，0.1 MPa)。在15 ℃、0.1 MPa狀態(tài)下，液態(tài)CO2體積膨脹倍數(shù)為585倍。采用發(fā)生器生產(chǎn)或化工廠副產(chǎn)品制成的CO2純度均可接近100%，無(wú)O2成分。

1.2 液態(tài)CO2惰化阻燃性能

煤礦防滅火采用惰性氣體N2和CO2。經(jīng)試驗(yàn)表明，煤對(duì)CO2的吸附量是N2的6倍，CO2比N2的阻燃、阻爆臨界氧濃度高2個(gè)百分點(diǎn)[2]，CO2的惰化效果明顯優(yōu)于N2。N2在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下密度為1.25 kg/m3，與同體積空氣質(zhì)量比為0.967 3，比空氣輕，注入的N2易向火區(qū)頂部裂隙帶擴(kuò)散，影響覆蓋效果。CO2的相對(duì)密度為1.53，重于空氣，注入CO2火源點(diǎn)容易被CO2惰化帶覆蓋，對(duì)火區(qū)滅火效果良好。目前，國(guó)內(nèi)制備的N2氧含量均超出5%，而制備的CO2純度可接近100%，無(wú)O2成分。向火區(qū)內(nèi)注入液態(tài)CO2可使著火點(diǎn)迅速降溫，加速熄滅火源，且火區(qū)不易復(fù)燃，有利于防滅火[3-4]。

2 液態(tài)CO2防滅火裝備

2.1 核心技術(shù)

地面固定式礦用液態(tài)CO2氣化防滅火裝備系統(tǒng)以儲(chǔ)罐、自熱式氣化器、強(qiáng)熱式氣化器、氣體調(diào)壓裝置為主體，輔以旁路泵送系統(tǒng)、氣相增壓系統(tǒng)、氣電加熱系統(tǒng)及井下管路系統(tǒng)。設(shè)計(jì)過(guò)程中主要考慮以下3個(gè)問(wèn)題：①CO2在-56.6～31.1 ℃、0.417～7.09 MPa條件下保持液態(tài)可長(zhǎng)期貯存，但在液態(tài)CO2運(yùn)輸使用過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)固化狀況成為干冰，因此，該系統(tǒng)增設(shè)增壓系統(tǒng)解決液態(tài)CO2固化問(wèn)題;②液態(tài)CO2完全氣化的條件是在氣化室內(nèi)溫度高于31.1 ℃，該系統(tǒng)在氣化室內(nèi)置加熱器，供給足夠的熱量使導(dǎo)熱油升溫，設(shè)計(jì)溫度為35～70 ℃;③經(jīng)氣化后的氣態(tài)CO2壓力不穩(wěn)定需進(jìn)行調(diào)壓穩(wěn)壓操作，該系統(tǒng)在氣化室出口設(shè)計(jì)安裝氣體調(diào)壓裝置，將出口壓力調(diào)節(jié)至穩(wěn)定狀態(tài)。

2.2 地面固定式礦用液態(tài)CO2氣化防滅火系統(tǒng)

地面固定式礦用液態(tài)CO2氣化防滅火裝備系統(tǒng)[5]由儲(chǔ)罐、自熱式氣液轉(zhuǎn)換器、強(qiáng)熱式氣液轉(zhuǎn)換器、氣體調(diào)控裝置等4個(gè)主體部分組成，輔以壓力表、溫度表、液位計(jì)、控制閥、安全閥等安全器件。儲(chǔ)罐將低溫高壓液態(tài)CO2儲(chǔ)存于罐內(nèi)，供給氣化使用。儲(chǔ)罐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為內(nèi)外雙層罐利于保溫防液態(tài)CO2固化。自熱式氣液轉(zhuǎn)換器將環(huán)境空氣的熱量通過(guò)導(dǎo)熱片傳導(dǎo)使液態(tài)CO2不斷吸收熱量使氣化順利進(jìn)行。強(qiáng)熱式氣液轉(zhuǎn)換器是將轉(zhuǎn)換器內(nèi)的導(dǎo)熱油通過(guò)電控加熱系統(tǒng)加熱后，轉(zhuǎn)換器內(nèi)的液態(tài)CO2與導(dǎo)熱油進(jìn)行熱交換變成氣態(tài)CO2。氣體調(diào)控裝置是將經(jīng)氣化裝置氣化后的處在脈沖狀態(tài)過(guò)高壓力的CO2調(diào)節(jié)成與井下管路系統(tǒng)匹配的合理穩(wěn)定壓力再進(jìn)行輸出，從而達(dá)到滅火的目的。地面固定式礦用液態(tài)CO2氣化防滅火裝備系統(tǒng)示意見(jiàn)圖1。

圖1 地面固定式礦用液態(tài)CO2氣化防滅火裝備系統(tǒng)

3 工程應(yīng)用

3.1 礦井概況

陽(yáng)煤五礦為煤與瓦斯突出礦井，煤質(zhì)自燃傾向性為Ⅲ級(jí)，煤塵無(wú)爆炸危險(xiǎn)性。8406工作面位于井下四采區(qū)，據(jù)8406工作面地質(zhì)說(shuō)明書(shū)，該面為頂炭質(zhì)泥巖呈黑色，含有黃鐵礦，有硫結(jié)核，同時(shí)參照8406工作面煤質(zhì)化驗(yàn)結(jié)果為1.86%，在8406回風(fēng)順槽掘進(jìn)期間實(shí)際巡查過(guò)程煤頭頂板處發(fā)現(xiàn)了煤層頂板下的黃鐵礦硫結(jié)核，局部含硫量較高，放出的熱量加熱礦物和周圍的煤，激活煤的氧化活性，使煤的氧化加速，容易造成煤層自燃。同時(shí)，該工作面在開(kāi)采過(guò)程中受地質(zhì)構(gòu)造的影響，在煤層自然發(fā)火期內(nèi)不能把地質(zhì)構(gòu)造變化帶推入窒息帶內(nèi)，這些條件給采空區(qū)遺煤的氧化自燃創(chuàng)造了條件。針對(duì)8406回采工作面走向高抽巷CO濃度持續(xù)升高、異常，決定對(duì)8406工作面采空區(qū)進(jìn)行灌注CO2進(jìn)行滅火。

3.2 防滅火方案

(1)地面固定式礦用液體CO2氣化防滅火裝備系統(tǒng)最大產(chǎn)氣量為3 000 Nm3/h，液態(tài)CO2最大消耗量為6 t/h，CO2純度達(dá)99.9%，無(wú)O2成分。將液態(tài)CO2自化工廠運(yùn)至礦副立井井口附近，將該裝備系統(tǒng)安裝在副立井井口附近地面上，并讓設(shè)備經(jīng)調(diào)試處于可氣化產(chǎn)氣的待命狀態(tài)。

(2)井下CO2防滅火輸送系統(tǒng)利用礦井原有壓風(fēng)管路系統(tǒng)，該系統(tǒng)主干線管路從副立井下至井底，再經(jīng)主膠帶巷、四采區(qū)膠帶巷進(jìn)入支干線，支管路通過(guò)8406進(jìn)風(fēng)順槽巷，最后到達(dá)預(yù)埋在采空區(qū)內(nèi)的支管路末端。

3.3 井下二氧化碳惰化技術(shù)參數(shù)

(1)設(shè)計(jì)注氣量計(jì)算。CO2防滅火初期設(shè)計(jì)注氣量公式為

Q1=WHLK1K2，

(1)

式中，Q1為初期設(shè)計(jì)注氣量，m3；W為惰化帶寬度，m；H為惰化帶高度，m；L為惰化帶長(zhǎng)度，m；K1為采空區(qū)氣體置換系數(shù)；K2為采空區(qū)松散系數(shù)。參考公式(1)，計(jì)算出初期設(shè)計(jì)注氣量為17 850m3。

(2)注氣強(qiáng)度計(jì)算。由于采空區(qū)預(yù)埋CO2釋放口距離火源中心約60m，因此注入的氣態(tài)CO2會(huì)隨漏風(fēng)流波及火區(qū)起到覆蓋惰化火區(qū)的作用。計(jì)算CO2泄漏量公式為

Q2=VWH，

(2)

式中，Q2為CO2泄漏量，m3/d；V為采空區(qū)氧化自燃帶內(nèi)漏風(fēng)流流速，m/min。CO2每日注氣量為 13 000m3，則每天所需消耗液體CO2為24t。

3.4 效果分析

自實(shí)施CO2注氣以來(lái)，8406工作面及其回風(fēng)流中CO濃度已絕跡，O2濃度為2.1%，溫度正常，液態(tài)CO2防滅火效果明顯。

4 結(jié) 論

(1)陽(yáng)煤五礦通過(guò)分析液態(tài)CO2的物理特性與惰化阻燃性能，研制出的地面固定式礦用液態(tài)CO2氣化防滅火裝備系統(tǒng)解決了液態(tài)CO2在運(yùn)輸過(guò)程中出現(xiàn)的固化問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了液態(tài)CO2在氣液轉(zhuǎn)換器內(nèi)的完全氣化。

(2)該防滅火裝備系統(tǒng)安裝氣體調(diào)壓裝置后，穩(wěn)定了氣化后的氣態(tài)CO2壓力，使之經(jīng)過(guò)管道運(yùn)輸至井下火災(zāi)區(qū)進(jìn)行滅火作業(yè)。同時(shí)可快速降低火區(qū)溫度、O2濃度，并成功在陽(yáng)煤五礦實(shí)踐應(yīng)用，滅火效果明顯。