淺談采空區(qū)滯留干冰防止遺煤自燃技術(shù)

一、采空區(qū)滯留干冰防止遺煤自燃機理

干冰是二氧化碳的固相狀態(tài)，不透明的塊狀結(jié)晶，呈雪白色，無光澤。在一個大氣壓下，干冰的溫度為-78.9℃；常溫下，干冰直接升華為二氧化碳?xì)怏w，而不會變?yōu)橐后w。干冰的密度約為1500～1700kg/m3，由不同的加工方式?jīng)Q定。

干冰降溫作為一種有效的降溫冷卻方法，能夠比其他方法更快的降低周圍溫度，效果明顯，可靠度高。干冰已被廣泛的用于食品冷藏、人工降雨、生物制藥、消防滅火等行業(yè)中。

由于干冰自身的物理化學(xué)性質(zhì)，以及二氧化碳?xì)怏w對煤物理吸附氧過程的抑制作用，應(yīng)用干冰進行遺煤自燃的防治，具有特殊的優(yōu)勢。干冰防止遺煤自燃的機理主要體現(xiàn)在冷卻、覆蓋隔氧、吸附惰化三個方面。

1、干冰冷卻機理

干冰在常壓的溫度為-78.9℃，其汽化潛熱為573kJ/kg。干冰具有很大的吸熱能力，是一種優(yōu)秀的冷卻劑。干冰的吸熱能力是水冰的2倍，且遠(yuǎn)大于液氮的吸熱能力。干冰由-78.9℃升華為0℃的二氧化碳?xì)怏w時，其吸取的熱量為636KJ/kg；而液氮由-196℃升華為0℃的氮氣時，吸收的熱量僅為420KJ/kg，僅為干冰吸收熱量的三分之二。因此，同質(zhì)量的干冰和液氮，干冰能夠吸收更多的熱量用于升華，而能更快的降低周圍環(huán)境的溫度。

利用干冰的冷卻作用，將其應(yīng)用于采空區(qū)，防止遺煤自燃的發(fā)生。其主要作用機理為：

將干冰放入采空區(qū)后，干冰由于自身的升華作用，吸收大量的熱量，使周圍的空氣甚至遺煤的溫度迅速下降，在采空區(qū)中形成以放置干冰的為中心的低溫區(qū)。由于熱交換的作用，低溫區(qū)不斷的吸收周圍環(huán)境的熱量，使低溫的區(qū)域不斷擴大。

低溫的氣體在采空區(qū)中滲流擴散，低溫氣體會和發(fā)生氧化的煤產(chǎn)生熱交換，不斷的將煤氧化產(chǎn)生的熱量帶走。干冰的存在使采空區(qū)內(nèi)的遺煤散失掉的熱量大于自身氧化生成的熱量，破壞了遺煤蓄熱升溫的條件，使遺煤的溫度不能因升高而出現(xiàn)高溫點，縮小了采空區(qū)氧化升溫帶的范圍，控制遺煤自然發(fā)火的發(fā)生。

2、干冰覆蓋隔氧機理

標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，二氧化碳?xì)怏w的密度為1.96g/l，氮氣的密度為1.25g/l，氧氣的密度為1.43g/l。二氧化碳?xì)怏w的密度約是相同條件下氮氣密度的1.5倍，也遠(yuǎn)大于氧氣的密度。在密閉的空間，二氧化碳、氧氣、氮氣等混合氣體長期處于穩(wěn)定狀態(tài)時，在自身重力的作用下，二氧化碳?xì)怏w會逐漸下沉降到該空間底部，混合氣體會出現(xiàn)一定的濃度分層。

采空區(qū)是一個特殊的空間，由于遺煤氧化升溫，使采空區(qū)劃分為自燃“三帶”，即散熱帶、氧化升溫帶和窒息帶。散熱帶漏風(fēng)量大，漏風(fēng)風(fēng)速大于0.24m/min，煤氧化的產(chǎn)生的熱量被漏風(fēng)帶走；而氧化升溫帶漏風(fēng)量很小，漏風(fēng)風(fēng)速為0.1～0.24m/min，煤氧化產(chǎn)生的熱量大于散失的熱量；窒息帶的漏風(fēng)量幾乎沒有，漏風(fēng)風(fēng)速小于0.1m/min，煤因缺氧而不能氧化升溫。

3、干冰吸附惰化機理

干冰升華后的二氧化碳釋氣體，在漏風(fēng)流的帶動下，通過滲流擴散充滿采空區(qū)。由于煤對二氧化碳的吸附能力和速度都大大優(yōu)于其它氣體，且吸附較穩(wěn)定，隨著壓力升高，其選擇性吸附能力增加。因此，當(dāng)存在一定濃度的二氧化碳時，二氧化碳會與氧氣爭奪活性點，勢必會影響煤氧吸附過程。

二氧化碳對煤氧吸附的影響主要體現(xiàn)在物理吸附階段，煤表面有殘余力場需要吸附氣體分子時，二氧化碳分子會擠占氧分子而優(yōu)先吸附在煤表面，占據(jù)氧吸附的空位，由于二氧化碳吸附穩(wěn)定，大量的二氧化碳分子被煤吸附，對煤體形成包裹，使氧吸附量減少，進而減少煤氧的化學(xué)吸附和化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致煤體因缺氧而停止氧化，抑制煤氧化自燃的發(fā)生。

二、該技術(shù)的應(yīng)用

李陽煤礦生產(chǎn)能力為120萬t/a技改礦井，采用中央并列式通風(fēng)方式，根據(jù)2013年礦井瓦斯等級鑒定，礦井絕對瓦斯涌出量為8.43m3/min，相對瓦斯涌出量為12.14m3/t。目前主采15號煤層，該煤層瓦斯含量較高，屬容易自燃煤層，有煤塵爆炸。150112工作面是一采區(qū)實施綜采放頂煤回采工藝的第一個工作面，工作面產(chǎn)度為144m，巷道長度為980m，平均厚度為5.68m，采高2.6m，

15112綜放工作面下隅角放置干冰，在漏風(fēng)流的帶動下，通過滲流擴散充滿采空區(qū)。利用干冰的冷卻機理、覆蓋隔氧機理、及吸附惰化機理完成采空區(qū)的防滅火工作。作為注漿、注氮、噴灑阻化劑等綜合防滅火措施的輔助措施，在局部運用中，起到了顯著的效果。通過干冰儲存釋放裝置將干冰放置到采空區(qū)后，干冰升華成氣態(tài)二氧化碳，降低采空區(qū)溫度，同時二氧化碳抑制采空區(qū)浮煤氧化自燃，有效防止采空區(qū)遺煤自燃的發(fā)生。

三、采用干冰后措施后的效果分析

通過束管監(jiān)測和人工取樣分析，工作面內(nèi)的CO濃度從2013年11月3日開始呈現(xiàn)明顯下降趨勢，在上隅角、回風(fēng)巷、尾巷，高抽巷進行監(jiān)測，分別由原來平均的21ppm、20ppm、20ppm、15ppm。下降到平均10ppm、12ppm、10ppm、7ppm。持續(xù)時間穩(wěn)定在干冰利用期間的一個星期內(nèi)，CO下降率達到50%。

四、結(jié)語

⑴對于有自燃發(fā)火危險源的煤礦，必須高度重視防滅火工作的理論研究、現(xiàn)場有關(guān)危險源的臨界狀態(tài)量的研究、三帶的劃分、割煤的速度等有效的綜合防范措施，使礦井防滅火工作納入科學(xué)管理的范疇。

⑵分析監(jiān)測數(shù)據(jù)知：150112工作面在滯留干冰期間CO%下降率達到50%。尤其在局部運用中，起到了綜合防滅火補充效果。

⑶研發(fā)出符合現(xiàn)場實際的采空區(qū)滯留干冰防止煤層自燃技術(shù)，其成果將會給同類條件下的煤礦安全生產(chǎn)提供有益的借鑒和可靠的技術(shù)保證，也會大大降低生產(chǎn)成本，具有推廣應(yīng)用前景。

參考文獻

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作者簡介：宋靈感（1986- ）男，助理工程師，山西神達煤業(yè)集團有限公司。endprint