二氧化碳防滅火技術(shù)在采空區(qū)發(fā)火治理中的應(yīng)用研究

王國(guó)芝 姜 奎 王 怡 姚向東 吳奎斌

（1.山東科技大學(xué)安全與環(huán)境工程學(xué)院，山東 青島 266590；2.上海大屯能源股份有限公司江蘇分公司，江蘇 徐州 221600）

礦井火災(zāi)不僅嚴(yán)重威脅煤礦的安全生產(chǎn)，還造成了大量煤炭資源的損失，是煤礦常見(jiàn)的自然災(zāi)害之一［1-3］。在煤炭開(kāi)采過(guò)程中，采空區(qū)遺煤發(fā)火問(wèn)題日益突出［4-6］。煤自燃最易發(fā)生于采空區(qū)，并且由于采空區(qū)火源位置隱蔽不易確定，使防滅火措施無(wú)法有效開(kāi)展，對(duì)煤礦安全有著非常不利的影響［7-9］。

目前采空區(qū)常用的防滅火技術(shù)主要有灌漿、阻化劑、均壓防治技術(shù)，注N2或CO2惰性氣體防治技術(shù)［10-11］。對(duì)于灌漿技術(shù)、阻化劑技術(shù)，存在覆蓋范圍有限、容易造成設(shè)備堵塞后損壞的缺陷，而對(duì)于均壓防治技術(shù)，由于需要經(jīng)常調(diào)節(jié)風(fēng)壓，控制難度大［12-14］。而惰氣防滅火技術(shù)特別是CO2防滅火因其窒息氧化作用、冷卻降溫作用、惰化抑爆作用，采空區(qū)遺煤可以?xún)?yōu)先吸附CO2，從而抑制煤的氧化，具有降低采空區(qū)氧含量、溫度和阻爆性能好等特點(diǎn)，越來(lái)越得到廣泛推廣與應(yīng)用。

對(duì)于二氧化碳防滅火技術(shù)的研究，馬礪等［15］通過(guò)油浴程序升溫實(shí)驗(yàn)，證明CO2對(duì)煤樣的氧化有抑制作用。楊?。?6］利用同步熱分析法將液態(tài)CO2處理過(guò)的煤樣與原樣的特征溫度進(jìn)行對(duì)比分析，表明液態(tài)CO2能有效抑制煤樣復(fù)合氧化，并且能夠防止煤復(fù)燃。李宗翔等［17］利用數(shù)值模擬的方法，分析不同CO2注入位置對(duì)采空區(qū)氧化帶寬度變化，結(jié)果表明，在最佳位置與流量的條件下注CO2能有效縮短采空區(qū)氧化帶寬度。景巨棟［18］與陳根銀等［19］將二氧化碳防滅火技術(shù)分別應(yīng)用于洋場(chǎng)灣煤礦與姚橋煤礦中，均取得了較好的防滅火效果。

目前對(duì)于二氧化碳防滅火技術(shù)的研究多集中在CO2對(duì)煤樣氧化抑制作用及注CO2對(duì)采空區(qū)自燃三帶的影響上，主要是對(duì)采空區(qū)煤自燃的預(yù)防，對(duì)工作面CO超限后的現(xiàn)場(chǎng)治理及與其他防滅火措施的對(duì)比研究較少。針對(duì)采空區(qū)自然發(fā)火CO超限停產(chǎn)后其他防滅火措施效果不理想的問(wèn)題，利用Fluent軟件模擬了采空區(qū)壓注二氧化碳后氧氣分布規(guī)律，說(shuō)明了CO2防滅火技術(shù)的作用效果，通過(guò)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)壓注，使采空區(qū)火情得到了有效及時(shí)的控制。最后，將3種防滅火技術(shù)治理效果進(jìn)行對(duì)比，說(shuō)明采空區(qū)二氧化碳防滅火技術(shù)優(yōu)勢(shì)，對(duì)采空區(qū)防滅火方法的選擇及二氧化碳防滅火技術(shù)的應(yīng)用有重要的指導(dǎo)作用。

1 工作面概況及發(fā)火原因

1.1 工作面發(fā)火概況

孔莊煤礦7465綜放工作面標(biāo)高為-946～-836 m，設(shè)計(jì)走向長(zhǎng)約1 400 m，設(shè)計(jì)工作面凈長(zhǎng)134.25 m，工作面煤層厚度4.30～5.49 m，平均厚度4.60 m，工作面煤層平均傾角10°。采空區(qū)工作面采用“U”型通風(fēng)，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，共揭露斷層17條。煤層自燃傾向等級(jí)為II類(lèi)，易自燃，自然發(fā)火期為1～3個(gè)月。

當(dāng)工作面推進(jìn)至282 m時(shí)，開(kāi)始在各支架測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)到CO，最大濃度為18×10-6，采空區(qū)開(kāi)始出現(xiàn)遺煤自燃跡象，遺煤已經(jīng)發(fā)生了初期氧化。此時(shí)，在初步確定了高溫區(qū)域后，采用灌漿充填封堵的方案進(jìn)行堵漏風(fēng)以及滅火，但未取得明顯效果；后進(jìn)一步采取了壓注氮?dú)獾姆罍缁鸫胧谕Ｗ⒑驝O濃度持續(xù)升高，上隅角CO的濃度最高達(dá)840×10-6，回風(fēng)流CO濃度最高達(dá)到470×10-6，工作面CO濃度達(dá)520×10-6，并且采空區(qū)束管監(jiān)測(cè)系統(tǒng)氣樣色譜分析到C2H4氣體的存在，這說(shuō)明采空區(qū)遺煤自然發(fā)火并未得到有效治理且已發(fā)展到十分嚴(yán)重的情況［20-22］。

1.2 發(fā)火原因分析

（1）煤質(zhì)容易氧化。8#煤層自燃傾向性等級(jí)為II類(lèi)，易自燃，煤質(zhì)本身的自燃危險(xiǎn)性較大。

（2）推進(jìn)速度慢。因該工作面受地質(zhì)斷層以及機(jī)電設(shè)備故障等因素的影響，導(dǎo)致工作面推進(jìn)速度較慢，平均推進(jìn)速度為1.8 m/d，小于極限推進(jìn)速度。在自然發(fā)火期內(nèi)未將“自燃帶”遺煤甩進(jìn)“窒息帶”，導(dǎo)致采空區(qū)遺煤氧化蓄熱時(shí)間長(zhǎng)。

（3）采空區(qū)遺煤多。由于工作面屬7#、8#煤聯(lián)合回采，放煤厚度最高達(dá)8 m，且有1 m夾矸，放煤時(shí)很容易將夾矸誤認(rèn)為8#頂板，致使采空區(qū)留有大量煤炭，給煤炭自燃留下隱患。

（4）采空區(qū)漏風(fēng)大。綜采放頂煤技術(shù)應(yīng)用在該工作面上，加大了采空區(qū)的漏風(fēng)范圍。加之采空區(qū)內(nèi)存在多條斷層，其中有3條斷層的落差大于4 m，斷層的存在使得采空區(qū)內(nèi)的漏風(fēng)路徑增加，增大了漏風(fēng)量。

2 采空區(qū)壓注CO2數(shù)值模擬

針對(duì)采空區(qū)自然發(fā)火嚴(yán)重，注漿、注氮等防滅火措施效果不理想的情況，對(duì)采空區(qū)壓注CO2前后壓力場(chǎng)、氧氣與二氧化碳濃度場(chǎng)分布的數(shù)值模擬，判定壓注CO2后采空區(qū)內(nèi)煤自燃危險(xiǎn)性，明確采空區(qū)注CO2防滅火作用效果。

2.1 采空區(qū)物理模型及參數(shù)設(shè)定

依照孔莊煤礦7465綜放面采空區(qū)的實(shí)際條件，建立了計(jì)算區(qū)域三維模型，并進(jìn)行網(wǎng)格劃分，如圖1所示。

由于模擬的各種氣體密度不同，且為多組分氣體運(yùn)輸，需要考慮重力的影響［23］。所以設(shè)置重力加速度g=-9.8 m/s2，壓力值默認(rèn)為101 325 Pa，溫度值默認(rèn)為288.16 K，進(jìn)風(fēng)巷的速度為2.4 m/s、O2體積分?jǐn)?shù)為21%、CO2體積分?jǐn)?shù)為0.4%，注入CO2體積分?jǐn)?shù)為99%。

模擬采用“k-εRNG”模型，由于采空區(qū)內(nèi)流體進(jìn)行的是雷諾數(shù)較低的流動(dòng)，因此選定“Differential Viscosity Model”。對(duì)注入氣體的運(yùn)移采用組分輸運(yùn)化學(xué)反應(yīng)方式。梯度插值采用基于節(jié)點(diǎn)的格林—高斯格式（Green-Gauss node-based），壓力耦合采用“SIMPLE”算法，對(duì)控制方程中壓力的離散采用“PRESTO!”格式，其他的采用二階迎風(fēng)格式，以達(dá)到收斂精度的提高。

本研究主要模擬CO2、O2在采空區(qū)中的擴(kuò)散傳播規(guī)律。數(shù)值模擬主要控制方程［24］有：

（1）連續(xù)性方程。

由于 div(a)= ?ax/?x+ ?ay/?y+ ?az/?z，式（1）也可以寫(xiě)作：

式中，ρ為流體的密度，kg/m3；t為時(shí)間，s；U為速度矢量；u、v、w為流速在x、y、z方向上的速度分量，m/s。

（2）動(dòng)量守恒方程。也稱(chēng)作Navier-Stokes方程，對(duì)于采空區(qū)滲流來(lái)說(shuō)，其動(dòng)量方程通常為首先通過(guò)進(jìn)行試驗(yàn)獲得壓力與速度的耦合關(guān)系，之后依據(jù)該關(guān)系對(duì)動(dòng)量守恒方程進(jìn)行簡(jiǎn)化，經(jīng)常用到的幾種簡(jiǎn)化模型有二項(xiàng)式模型和指數(shù)模型。

式中，Jx為x方向的壓力梯度，kPa/m；Kx為x方向的滲透系數(shù)；ax為多孔介質(zhì)的x方向粘性阻力系數(shù)；bx為x方向慣性阻力系數(shù)。

（3）能量守恒方程。

式中，cp為比熱容，J/（kg·K）；T為溫度，K；k為流體的傳熱系數(shù)，W/（m·K）；ST為流體的內(nèi)熱源及由于粘性作用流體機(jī)械能轉(zhuǎn)換為熱能部分。

2.2 采空區(qū)注入CO2前后漏風(fēng)情況分析

采空區(qū)內(nèi)注入CO2必然會(huì)引起采空區(qū)內(nèi)部流場(chǎng)的變化，直觀(guān)體現(xiàn)在內(nèi)部風(fēng)流流速和壓力變化上。通過(guò)模擬研究了不同條件下注CO2對(duì)采空區(qū)惰化程度的影響，通過(guò)模擬得出最優(yōu)的注CO2參數(shù)為：注CO2管路距離底板0.5 m，當(dāng)釋放口距離工作面為40～60 m，最佳壓注量為500 m3/h～700 m3/h左右能夠很好地滿(mǎn)足惰化采空區(qū)要求，防滅火的效果最佳。通過(guò)對(duì)注入CO2前后采空區(qū)內(nèi)風(fēng)壓進(jìn)行模擬，以此來(lái)判斷采空區(qū)流場(chǎng)產(chǎn)生的變化，得到壓注前后采空區(qū)壓力分布，如圖2所示。

通過(guò)圖2能夠看出，當(dāng)不進(jìn)行CO2壓注時(shí)，采空區(qū)內(nèi)壓力梯度沿著進(jìn)風(fēng)側(cè)向回風(fēng)側(cè)逐漸變小，相應(yīng)的漏風(fēng)流向與壓力梯度方向一致。采空區(qū)壓力分布在進(jìn)行CO2壓注后發(fā)生了明顯的變化，在壓注點(diǎn)附近壓力變化明顯，由于施工工藝中采用加工的花管壓注，管徑途中壓力都會(huì)受到影響，有增加的現(xiàn)象，因此，向采空區(qū)注入的CO2可以直接降低工作面向采空區(qū)的漏風(fēng)量。

2.3 壓注后采空區(qū)CO2分布模擬

采用壓注CO2措施后采空區(qū)內(nèi)CO2體積分?jǐn)?shù)的分布如圖3所示。從圖3中可以看出，壓注CO2之后，隨著采空區(qū)垂直水平的升高，CO2體積分?jǐn)?shù)逐步降低。采空區(qū)底板附近區(qū)域積聚了大量CO2，CO2體積分?jǐn)?shù)高于10%的區(qū)域約占采空區(qū)總體積的48%～68%。CO2的注入相應(yīng)地降低了氧氣的體積分?jǐn)?shù)，降低了自燃危險(xiǎn)性。根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》［25］規(guī)定：工作面上隅角CO2體積分?jǐn)?shù)不能超過(guò)1.5%，進(jìn)風(fēng)流中CO2體積分?jǐn)?shù)不能超過(guò)0.5%，回風(fēng)流不能超過(guò)1%。從圖3中可以看出，注入CO2后，進(jìn)風(fēng)流中的CO2體積分?jǐn)?shù)未超過(guò)0.5%，回風(fēng)流也未超過(guò)1%，滿(mǎn)足規(guī)定要求。

2.4 壓注CO2前后采空區(qū)O2分布模擬

如圖4（a）所示，在未壓注CO2時(shí)，部分進(jìn)風(fēng)流中的氧氣隨漏風(fēng)沿工作面滲入采空區(qū)并擴(kuò)散到整個(gè)空間，所以在采空區(qū)形成了易自燃的氧化帶區(qū)域，致使采空區(qū)遺煤發(fā)生氧化自燃，對(duì)井下安全生產(chǎn)造成威脅。而在壓注CO2后，模擬結(jié)果顯示，采空區(qū)的氧氣分布狀態(tài)發(fā)生了顯著變化?？梢钥闯鲅鯕夥植紖^(qū)域收縮變小，由縱向切面圖可以觀(guān)察到，氧氣出現(xiàn)向頂板聚集的現(xiàn)象，如圖4（b）所示，這是因?yàn)镃O2的密度是空氣密度的1.5倍，CO2通常在底板積聚，同時(shí)CO2不易與空氣混合，所以形成了明顯的分層現(xiàn)象。密度較小的O2被擠壓驅(qū)趕到頂板冒落帶，從而減少了與遺煤的接觸，降低了自燃區(qū)面積。

3 現(xiàn)場(chǎng)治理

3.1 氣體監(jiān)測(cè)

為及時(shí)監(jiān)測(cè)孔莊煤礦7465綜放工作面采空區(qū)內(nèi)氣體濃度，氣體采樣管路使用預(yù)先設(shè)置的“三帶”觀(guān)測(cè)束管進(jìn)行氣體監(jiān)測(cè)，在工作面進(jìn)風(fēng)巷和工作面回風(fēng)巷共布置了5條管路，靠近進(jìn)風(fēng)側(cè)設(shè)置3個(gè)采樣點(diǎn)，編號(hào)分別為1#、2#和3#，靠近回風(fēng)側(cè)設(shè)置2個(gè)采樣點(diǎn)，編號(hào)為4#、5#。采空區(qū)三帶觀(guān)測(cè)管路布置如圖5所示。觀(guān)測(cè)點(diǎn)隨著工作面的不斷推進(jìn)埋入采空區(qū)。

3.2 注漿、注氮效果分析

孔莊煤礦7465綜放工作面在最初監(jiān)測(cè)到CO氣體時(shí)，便立即排查原因。當(dāng)CO濃度超限時(shí)，立即停止了工作面的生產(chǎn)，關(guān)閉電源，將人員進(jìn)行疏散，并先后對(duì)采空區(qū)進(jìn)行灌漿、注氮?dú)獾姆罍缁鸫胧扇∽{、注氮?dú)夂蟾鞅O(jiān)測(cè)點(diǎn)CO濃度變化如圖6、圖7所示（4#束管監(jiān)測(cè)點(diǎn)已經(jīng)損壞，無(wú)法采樣）。

由圖6可以發(fā)現(xiàn)，采空區(qū)進(jìn)行灌漿后，采空區(qū)一氧化碳量雖然有所降低，但仍保持較高水平，采空區(qū)火災(zāi)并未撲滅；原因是由于工作面為一定角度的俯采以及復(fù)雜的地質(zhì)構(gòu)造情況，導(dǎo)致采空區(qū)注漿受到流動(dòng)性制約，灌注的部分漿液沿裂隙流向了工作面和其他較低位置，未能覆蓋采空區(qū)高位遺煤。由圖7可知，在進(jìn)行注氮?dú)夂?，采空區(qū)CO濃度下降較快，但在注氮4次后停止注氮，一段時(shí)間后逐漸升高；原因是注入氮?dú)饧兌葹?6%，其中可能混有氧氣，導(dǎo)致采空區(qū)惰化效果差；其次，氮?dú)庾⑷肓坎灰卓刂?，且在?biāo)準(zhǔn)大氣壓下氮?dú)饷芏缺瓤諝庑?，氮?dú)獠蝗菀琢粼诨饏^(qū)，采空區(qū)的漏風(fēng)又加劇了氮?dú)鈹U(kuò)散，在停止壓注氣體后采空區(qū)遺煤復(fù)燃。

3.3 二氧化碳防滅火技術(shù)應(yīng)用

通過(guò)上述數(shù)值模擬研究發(fā)現(xiàn)，采空區(qū)壓注CO2后不僅可以降低采空區(qū)漏風(fēng)量，同時(shí)可減少氧氣與遺煤接觸，降低采空區(qū)煤自燃危險(xiǎn)性。同時(shí)，CO2是一種窒息性氣體，能夠快速吸附于煤體、惰化火區(qū)，注入后可快速降低采空區(qū)內(nèi)氧氣含量，使火區(qū)得不到足夠的氧供給而窒息熄滅。此外，采空區(qū)壓注CO2還可以減小采空區(qū)的漏風(fēng)并降低火區(qū)溫度，不易受地形限制，具有其他防滅火措施不具備的優(yōu)勢(shì)。因此，當(dāng)孔莊煤礦7465綜采面采空區(qū)發(fā)生遺煤自然發(fā)火且注漿、注氮等措施效果不明顯的情況下，采用二氧化碳防滅火技術(shù)進(jìn)行治理。

3.3.1 壓注工藝

地面壓注采用該礦現(xiàn)有的二氧化碳惰性防滅火裝置（系統(tǒng)）壓注，該裝置主要由CO2轉(zhuǎn)換器、調(diào)壓裝置、CO2轉(zhuǎn)換器控制柜、緩沖罐、安全閥、監(jiān)測(cè)系統(tǒng)部分等組成。CO2轉(zhuǎn)換器、調(diào)壓裝置、CO2轉(zhuǎn)換器控制柜裝配在一起。從運(yùn)送二氧化碳槽車(chē)上壓出的液體進(jìn)入CO2轉(zhuǎn)換器，經(jīng)過(guò)調(diào)壓裝置的壓力、溫度等控制，經(jīng)過(guò)緩沖罐，使液態(tài)二氧化碳轉(zhuǎn)化為氣態(tài)。壓注工藝流程如圖8所示。

3.3.2 效果分析

開(kāi)始?jí)鹤O2后檢測(cè)到回風(fēng)流和上隅角中的CO濃度下降，但仍然偏高。隨后通過(guò)預(yù)先埋設(shè)的注漿管每天對(duì)采空區(qū)灌注CO2，共計(jì)灌注150 t左右CO2。壓注后每天對(duì)各采樣點(diǎn)所測(cè)氣體濃度數(shù)據(jù)收集并進(jìn)行整理，連續(xù)測(cè)定8 d。測(cè)定結(jié)果如圖9、圖10所示。

通過(guò)對(duì)束管監(jiān)測(cè)點(diǎn)的氣樣分析，可以看出，各測(cè)點(diǎn)測(cè)得采空區(qū)CO、O2體積分?jǐn)?shù)在壓注CO2后均明顯下降，并逐步趨于穩(wěn)定。由圖9可知，在第2、3 d壓注后，采空區(qū)束管測(cè)得CO濃度急速下降；第4 d壓注結(jié)束以后CO濃度下降到100×10-6左右；壓注結(jié)束以后，采空區(qū)CO濃度已經(jīng)降到了50×10-6以下，最終維持在（40～50）×10-6之間。從圖10能夠看到，在壓注CO2之后，采空區(qū)O2體積分?jǐn)?shù)緊跟著也顯著下降；在第3 d壓注結(jié)束以后，各束管監(jiān)測(cè)點(diǎn)測(cè)得O2體積分?jǐn)?shù)均已小于窒息濃度10%；在壓注結(jié)束后，采空區(qū)O2體積分?jǐn)?shù)略微有所上升，最終維持在6%左右。因4#束管監(jiān)測(cè)點(diǎn)已經(jīng)損壞，無(wú)法采集氣樣。

利用二氧化碳防滅火技術(shù)對(duì)孔莊煤礦7465綜放工作面采空區(qū)發(fā)火進(jìn)行治理后，對(duì)各束管、上隅角、回風(fēng)巷中的氣體進(jìn)行收集分析后發(fā)現(xiàn)：各監(jiān)測(cè)點(diǎn)均未檢測(cè)到C2H4指標(biāo)氣體，上隅角CO濃度穩(wěn)定在20×10-6左右，回風(fēng)流中CO濃度也降至10×10-6以下，表明采空區(qū)發(fā)火狀況已經(jīng)得到控制，取得了良好的防滅火效果。

將二氧化碳防滅火技術(shù)與注漿、注氮技術(shù)在治理采空區(qū)發(fā)火效果進(jìn)行對(duì)比。首先，相對(duì)于注漿技術(shù)，注入CO2后，采空區(qū)CO體積分?jǐn)?shù)下降更快且能達(dá)到較低水平，這是由于CO2可迅速惰化采空區(qū)，滅火速度快、效果好，同時(shí)不受采面地形條件限制，適用性強(qiáng)。相對(duì)于注氮技術(shù)，注入CO2后，CO下降速度快，停注后也無(wú)上升趨勢(shì)，這是由于注入CO2純度更高，且二氧化碳相對(duì)空氣密度較大，注入后會(huì)沉淀在采空區(qū)下方覆蓋遺煤，使遺煤隔氧，可迅速撲滅火災(zāi)并惰化采空區(qū)；此外，由于煤吸附二氧化碳能力高于氮?dú)?，且二氧化碳溶于水，故二氧化碳停留在采空區(qū)內(nèi)部時(shí)間更長(zhǎng)，有效避免遺煤復(fù)燃。

4 結(jié)論

（1）采空區(qū)壓注CO2防滅火技術(shù)具有滅火速度快、不易復(fù)燃、現(xiàn)場(chǎng)適用性強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)。

（2）采空區(qū)壓注CO2在一定程度上可以減小采空區(qū)漏風(fēng)量，壓注二氧化碳可以顯著稀釋氧氣體積分?jǐn)?shù)、惰化采空區(qū)。在采空區(qū)垂直方向上，采空區(qū)底板附近的氧氣被二氧化碳驅(qū)替到了采空區(qū)上部，減小了氧氣與遺煤的接觸，降低了自燃區(qū)面積。

（3）采空區(qū)壓注CO2之后，通過(guò)束管測(cè)得采空區(qū)O2體積分?jǐn)?shù)由最高16.76%降至6%左右，采空區(qū)CO濃度由最高920×10-6降至50×10-6左右。

（4）壓注作業(yè)結(jié)束后，工作面、上隅角及工作面回風(fēng)流中已檢測(cè)不到C2H4氣體，上隅角CO濃度穩(wěn)定在20×10-6左右，工作面回風(fēng)流中CO濃度降至10×10-6以下，采空區(qū)發(fā)火情況得到了及時(shí)有效治理，確保了工作面的安全生產(chǎn)。