張 強
(霍州煤電集團辛置煤礦,山西 霍州 031412)
山西焦煤霍州煤電集團辛置煤礦2-208 綜采工作面位于310 水平二采區(qū),工作面位于310 水平二采區(qū)軌道巷左側,北面緊鄰二采區(qū)軌道巷、皮帶巷,南面距離二采區(qū)右翼皮帶巷110 m,西面距離二采區(qū)回風巷25 m,東面距離2-202 工作面采空區(qū)最小間距為63 m,工作面主采2 號煤層,2 號煤層位于二疊系下統(tǒng)山西組,煤層穩(wěn)定可采,結構復雜,含2 層夾矸,其中第2 層夾矸層位較穩(wěn)定,厚度稍大,為低硫肥煤,煤層厚度為3.8~4.3 m,平均厚度為4.1 m,平均傾角為4°,工作面傾斜長度和走向長度分別為579.5 m 和175 m,煤層頂板巖層為泥巖、砂泥巖和K8 中細砂巖,底板巖層為泥巖和中砂巖。
根據礦井地質資料可知,2 號煤層瓦斯相對涌出量為0.28 m3/t,絕對涌出量為0.73 m3/min,為低瓦斯煤層,煤塵具有爆炸性,2 號煤層自燃等級為Ⅰ級,現(xiàn)為防止2-208 工作面采空區(qū)出現(xiàn)自燃現(xiàn)象,擬采用液態(tài)二氧化碳防滅火技術進行采空區(qū)防滅火。
采空區(qū)內注入CO2能夠有效抑制采空區(qū)內的遺煤自燃現(xiàn)象,其中CO2對采空區(qū)內的氣體抑制機理主要有惰化作用、氣體吸附阻化作用和冷卻降溫作用,具體CO2這3 項作用原理如下:
1)惰化作用:CO2氣體是一種惰性氣體,將CO2注入采空區(qū)內后,能夠有效的稀釋采空區(qū)內氧氣的濃度,且CO2的注入區(qū)域會形成一個惰性區(qū)域,采空區(qū)內的遺煤在CO2的惰性作用下會被覆蓋,實現(xiàn)將氧氣與遺煤之間被CO2分隔開,當采空區(qū)內的氧氣含量降低至5%~10%時,此時即可實現(xiàn)抑制采空區(qū)內遺煤自燃現(xiàn)象的出現(xiàn),當采空區(qū)內氧氣含量低于3%時,此時采空區(qū)內的遺煤完全被抑制。
2)吸附阻化作用:煤體是一種孔隙性的介質,其具有一定的吸附能力,且煤體對不同氣體的吸附能力不同,根據相關研究表明[1-2],對氣體吸附能力由高至低排列,分別為 CO2> CH4> CO > N2;據此可知,煤對于CO2的吸附能力較高,在同等條件下,CO2能夠被更快的吸附到煤中,煤體吸入CO2后,可實現(xiàn)對煤體的包裹,進而抑制采空區(qū)遺煤的氧化自燃。
3)冷卻降溫作用:液態(tài)的CO2通過管路注入到采空區(qū)內后,在周圍環(huán)境壓力的作用下,隨著壓力的升高和周圍溫度的升高,液態(tài)的CO2其會被瞬間氣化,液態(tài)CO2氣化的過程會吸收大量遺煤散發(fā)出的熱量,達到對采空區(qū)有效降溫的目的,基于相關實驗數(shù)據可知,當外界氣體壓力為16°時,此時注入采空區(qū)內CO2,在注入時間4 h 后,采空區(qū)內部的溫度會普遍降低2℃~3℃。
液態(tài)CO2防滅火工藝主要是將大流量的CO2注入到防滅火的區(qū)域,降低采空區(qū)內的氧氣濃度、阻化煤體自燃、降低采空區(qū)內遺煤溫度,以此有效抑制采空區(qū)內遺煤的自燃現(xiàn)象,實現(xiàn)采空區(qū)的防滅火。液態(tài)CO2的輸送系統(tǒng)主要包括3 部分,分別為地面出流段、垂直保壓段、水平保壓段,防滅火系統(tǒng)布置如圖1所示,圖中P 為壓力表、T 為溫度計、Q 為流量計。
在進行液態(tài)CO2壓注時,液態(tài)CO2從地面出流段釋放由地面鉆孔,然后通過地面鉆孔在進入到井下硐室,最后通過井下硐室達到防滅火區(qū)域,
圖1 液態(tài)CO2 輸送系統(tǒng)示意圖
圖2 液態(tài)CO2 施工工藝流程圖
在進行液態(tài)CO2防滅火工藝施工時,主要的工藝流程為安裝及準備工作、氣密性檢測、升壓及保壓、液態(tài)CO2壓注、吹掃管路,具體施工工藝流程見圖2。
1)安裝及準備工作:將壓力表、溫度計、流量計按要求放置于輸送管路上,用于在液態(tài)CO2施工時監(jiān)測其流量、壓力和溫度,該階段同時檢查各個管路的連接安裝狀態(tài),確保管路之間均連通。
2)氣密性檢測:通過向管路內注入少量的液氮,并隨時監(jiān)測沿途的管路,當發(fā)現(xiàn)存在著氮氣泄露現(xiàn)象時,此時應停止壓注,采用有效措施進行密封。
3)升壓與保壓:在氣密性檢測完成后,將井下鉆孔閥門更改至開啟狀態(tài),并通過注入氣體CO2對管路內的氣體進行驅替,在驅替完成后,隨著可采用增壓裝置對整套輸送管路進行液態(tài)CO2的壓注作業(yè),通過增壓裝置當液態(tài)CO2的壓力達到1.6~2.0 MPa 時,即可停止增壓作業(yè)[3-4]。
4)液態(tài)CO2壓注:當升壓與保壓作用完成后,對輸送管路內的環(huán)境進行檢查,確保輸送管路內能夠達到輸送液態(tài)CO2的條件,隨后打開儲液罐的流量控制閥,隨著壓注液態(tài)CO2作業(yè)的進行、壓注流量的增大會使得輸送管路內的壓力會逐漸增大,當壓力達到一定數(shù)值后,緩慢調節(jié)鉆孔前閥門進行調整,確保液態(tài)CO2壓注的壓力穩(wěn)定在1.6~2.0 MPa 之間,以此持續(xù)進行持續(xù)穩(wěn)壓注入。
5)吹掃管路:當壓注液態(tài)CO2達到設定流量時,此時即可關閉流量控制閥,停止注入作業(yè),采用增壓裝置向管路內壓注氣態(tài)CO2實現(xiàn)將殘余液態(tài)CO2氣體驅逐出壓注管路的目的,以確保輸送管路的安全。
2-208 工作面采用液態(tài)CO2防滅火工藝時,輸送系統(tǒng)中主要包括地面出流段、垂直和水平保壓段,本次液態(tài)CO2的防滅火工藝采用高壓鋼管,液態(tài)CO2防滅火方案中的各項參數(shù)設計如下:
1)注入位置:現(xiàn)為保障液態(tài)CO2注入后能夠有效的擴散到工作面整個采空區(qū)內,現(xiàn)設置將液態(tài)CO2放置在工作面進風巷一側,現(xiàn)為使得注入位置距離工作面支架的距離較為合理,通過下式進行計算確定:
式中:Dmax為注入口距離工作面的最小距離;Dmin為注入口距離工作面的最小距離;Wco為采空區(qū)散熱帶與氧化帶寬度之和;Rc為液態(tài)CO2的擴散半徑;根據2-208 工作面的地質條件,現(xiàn)取Wco=130 m、Wcz=15 m、Rc=15 m,基于上述數(shù)據能夠計算得出Dmax=115 m,Dmin=30 m,現(xiàn)考慮類似工程實踐液態(tài)CO2的擴散半徑,最終確定注入口布置在進風巷一側距離工作面50 m 的位置處。
2)注入強度:液態(tài)CO2的最大注入強度確定時是依據回采工作面的氧氣濃度計算確定[5-6],具體其計算公式如下:
式中:Qmax為注入液態(tài) CO2的最大強度;Qf為工作面風量;C1為工作面的初始氧氣濃度;C2為允許的氧氣濃度。根據工作面通風情況,取Qf=850m3/h;C1=20%;C2=18%,計算得出Qmax= 8 500 m3/h,現(xiàn)考慮到液態(tài)CO2的密度為1.155 t/m3,膨脹系數(shù)為585,據此能夠確定出本次注入液態(tài)CO2的強度為14 m3/h。
2-208 工作面在進行液態(tài)CO2壓注作業(yè)時,其壓注系統(tǒng)流程圖如圖3 所示。
圖3 工作面壓注液態(tài)CO2 系統(tǒng)流程圖
在采空區(qū)氧化帶靠近進風巷一側距離工作面液壓支架50 m 的位置處,共計布置2 個液態(tài)CO2壓注鉆孔,并將其分別命名為1 號和2 號,2 個鉆孔水平方向上的距離為36 m,具體采空區(qū)液態(tài)CO2壓注鉆孔的布置剖面圖如圖4 所示。
圖4 采空區(qū)液態(tài)CO2 壓注鉆孔布置剖面圖
為有效驗證液態(tài)CO2注入采空區(qū)后的防滅火效果,在工作面進風巷和回風巷分別布置1 個測點,具體對采空區(qū)內CO、CO2和O2的濃度進行實時監(jiān)測,具體監(jiān)測采空區(qū)壓注液態(tài)CO2后指標氣體濃度變化曲線如圖5 所示。
分析圖5 可知,2-208 工作面采空區(qū)內注入液態(tài)CO2后,在采空區(qū)的不同位置,其氣體濃度的變化差值較大,在工作面壓注液態(tài)CO2后,采空區(qū)內的CO2的濃度會逐漸上升,同時O2和CO 的濃度會逐漸降低,從曲線中能夠看出回風巷內的O2濃度會下降至3%,CO 的濃度最終會降低至0%;在工作面進風巷側,隨著液態(tài)CO2的注入,CO2逐漸上升至12%以上,O2濃度降低至3%以下,CO 濃度出現(xiàn)迅速降低,最終進風巷區(qū)域CO 濃度穩(wěn)定在25×10-6;據此可知液態(tài)CO2注入后能夠對采空區(qū)起到有效的抑制作用,可有效的抑制采空區(qū)內的遺煤氧化,有效的預防了采空區(qū)內出現(xiàn)自燃現(xiàn)象。
圖5 工作面進風巷和回風巷氣體濃度變化曲線圖
根據2-208 工作面瓦斯及煤層賦存特征,通過具體分析液態(tài)二氧化碳防滅火工藝流程,結合工作面特征,確定工作面液態(tài)CO2注入口布置在進風巷一側距離工作面50 m 的位置處,注入強度為14 m3/h,注入壓力為1.6~2.0 MPa,并在采空區(qū)注入液態(tài)CO2后對采空區(qū)內的指標氣體進行監(jiān)測,基于監(jiān)測結果可知,采空區(qū)內注入液態(tài)CO2后,對采空區(qū)的惰化效果較好,能夠有效防止采空區(qū)遺煤自燃。