五虎山煤矿010905工作面采空区注液态CO-sub-2-_sub-防灭火效果研究_徐明亮.pdf

第 51 卷第 3 期 2020 年 3 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.3 Mar. 2020 五虎山煤矿 010905 工作面采空区注液态 CO2 防灭火效果研究 徐明亮 1， 2 （1.煤科集团沈阳研究院有限公司， 辽宁 抚顺 113122； 2.煤矿安全技术国家重点实验室， 辽宁 抚顺 113122） 摘要为了研究五虎山煤矿 010905 工作面上覆采空区氧化带区域注液态二氧化碳的实际防 灭火效果， 在工作面后部采空区合适位置设计地表钻孔， 对采空区氧化带区域实施地表直注液 态二氧化碳措施， 液态二氧化碳大量气化后， 温度、 氧气浓度、 有害气体得到了有效控制， 保证了 工作面安全开采。地表钻孔直注液态二氧化碳后， 利用联巷密闭内预设束管和传感器进行观测。 结果表明 试验区域温度、 氧浓度呈直线下降趋势， CO2气体浓度呈先急剧升高后不断降低趋势， 治理效果明显。 关键词 氧化带； 直注； 地表钻孔； 液态二氧化碳； 自然发火 中图分类号 TD752.2文献标志码 B文章编号 1003-496X （2020） 03-0144-04 Study on Fire Extinguishing Effect of Liquid CO2Injection in Goaf Area of 010905 Working Face in Wuhushan Coal Mine XU Mingliang1, 2 （1.China Coal Technology and Engineering Group Shenyang Research Institute, Fushun 113122, China;2.State Key Laboratory of Coal Safety Technology, Fushun 113122, China） Abstract In order to study the actual fire-fighting effect of injecting liquid carbon dioxide into the oxidation zone of the goaf area on the 010905 working surface of Wuhushan Coal Mine, surface drilling was designed in the right position of the goaf area at the back of the working face, and liquid carbon dioxide was directly injected into the surface of the oxidized zone of the working face. After a large amount of liquid carbon dioxide was vaporized, the temperature, oxygen concentration and harmful gases were effectively controlled, ensuring the safe mining of the working face. After the liquid carbon dioxide is directly injected into the surface of the borehole, the prearranged beam tube and sensor are used to observe. The results showed that the temperature and oxygen concentration in the test area showed a linear decline trend, while the CO2gas concentration showed a sharp rise first and then a continuous decline trend, and the treatment effect was obvious. Key words oxidation belt; direct injection; surface drilling; liquid carbon dioxide; spontaneous combustion 五虎山煤矿所采 9煤为典型的近水平易自燃 煤层， 且上覆存在 7、 8煤层采空区， 由于 9煤距离 地表最近处约 75 m，煤层上覆为砂岩等软质岩层， 故 9煤层开采后顶板垮落与上覆采空区及地表形 成大量发育裂隙。上覆采空区遗留的遗煤受重复采 动影响，长期处于漏风供氧情况下极易产生氧化自 燃[1]， 因此针对五虎山煤矿 9近距离、 近水平煤层回 采后可能导致本层及上覆采空区大面积遗煤氧化自 燃问题，首先应针对本煤层采空区寻求一种成本低 廉、 技术可行、 简单可靠、 可操作性强的采空区重点 区域治理方案，为工作面生产消除安全隐患。目前 矿井应用最广泛的是注浆、注氮气等常规性治理措 施，采空区注浆由于受到流动性制约，并不能覆盖 采空区高位遗煤，并且采空区开放式注氮气达到的 DOI10.13347/ki.mkaq.2020.03.032 徐明亮.五虎山煤矿 010905 工作面采空区注液态 CO2防灭火效果研究 ［J］ .煤矿安全， 2020， 51 （3） 144-147， 152. XU Mingliang. Study on Fire Extinguishing Effect of Liquid CO2Injection in Goaf Area of 010905 Working Face in Wuhushan Coal Mine［J］ . Safety in Coal Mines, 2020, 51 （3） 144-147, 152.移动扫码阅读 144 ChaoXing Vol.51No.3 Mar. 2020 Safety in Coal Mines 第 51 卷第 3 期 2020 年 3 月 治理效果并不十分明显[2]。采空区直注液态 CO2相 比于常规性治理措施而言具有优越的防灭火特性， 主要表现在降温、 惰化、 安全、 经济等几个方面。液 态 CO2直注后会瞬时气化吸热、 膨胀扩散 （在 15 ℃， 0.1 MPa 条件下 1 t 液态二氧化碳可气化约 640 m3） ， 不仅会快速降低煤体温度，还会极速惰化整个采空 区抑制煤氧复合反应， 从而起到灭火作用[3-4]。同时 由于液态 CO2价格相比较液氮更便宜、便于输送， 故可通过特种输送设备槽车大量采购并运输至需要 实施直注灭火的地点进行灭火或者运用专用研发装 置进行灭火[5]。 1矿井概况 1.1010905 工作面及上覆采空区概况 五虎山煤矿 010905 工作面是一盘区第 5 个综 采工作面， 工作面走向长度约 1 000 m， 煤层设计采 高为 2 m。工作面距上覆 8采空区最近约 45 m， 距 上覆 7采空区最近约 70 m。8煤层开采时矿方对 上覆 7煤层采空区进行地表探测， 地表钻探结果表 明 010905 工作面上覆 7采空区存在局部高温区 域， 经测温得知钻孔孔底温度最高超过 200 ℃， 且高 温区域各钻孔孔口呈出气状态，便携仪测得 CO 浓 度最高在 1 00010-6， 010905 工作面上覆 7煤层采 空区局部高温区域遗煤处于氧化自燃阶段，上覆 8 采空区经钻孔探测暂无温度异常， 随后对 7煤层采 空区进行注液氮灭火治理后开始对 9煤层工作面 进行开采， 为预防 010905 工作面采空区氧化带区域 自然发火问题，经经济性、效果性对比后实施直注 液态二氧化碳防灭火预防性处理。010905 工作面与 上覆采空区位置关系图如图 1。 1.2010905 工作面地表钻孔概况 由于注液氮成本高、扩散半径不理想， 故 010910 工作面正常回采后在氧化带区域沿着倾向 布置 1 个靠近联巷密闭监测点的地表钻孔，钻孔施 工全程下套管并施工至 9煤层采空区氧化带区域， 对氧化带区域进行直注液态二氧化碳防灭火治理。 钻孔形成后孔深约 90 m， 通过对孔口取气及井下联 巷束管监测系统分析 采空区 CO 浓度约 1510-6、 O2 浓度约 19、 温度约 15 ℃。010905 工作面上覆地表 钻孔位置关系图如图 2。 2采空区钻孔直注液态二氧化碳治理方案 五虎山煤矿 010905 工作面由于正常生产接续 需要， 需要对采空区处于 “氧化带” 区域采取防灭火 预防性治理措施，经过对常规性注浆注氮效果分析 讨论后认为其对采空区实际情况不能起到大范围、 针对性治理效果， 且液态二氧化碳具有无毒无害、 温 度低、 便于罐体储存、 方便槽车运输、 经济性合理、 汽化吸热降温作用明显、快速惰化充填有限空间等 优点， 经研究后决定对 010905 工作面采空区 “氧化 带”区域采取井上钻孔始端直注井下联巷措施孔终 端监测的综合性直注液态二氧化碳快速治理方案。 根据五虎山矿 010905 工作面 “三带” 测定报告[6]， 位 于工作面后方采空区 80 m 范围进入氧化带区间， 氧化带区域面积约为 6 000 m2。故本次液态二氧化 碳井下终端观测位置选定为相应的 4 个联巷进行效 果观测 （两联巷间距约 50 m） 。 应当注意直注期间应 加强联巷和工作面回风人员管理，确保由于意外泄 露引起窒息事故。 2.1010905 工作面采空区井上直注要求 由于二氧化碳是一种临界温度约 31.2 ℃、 临界 压力约 7.38 MPa 的无毒无害、 酸性气体， 其只能在 加压条件下成为液态，所以采用井上直注时必须控 制好管道内压力，防止因失压后变成固态二氧化碳 导致无法顺利直注。根据现场经验，当管道内压力 维持在 1.2 MPa 以上时，可保证管道不会因压力不 图 1010905 工作面与上覆采空区位置关系图 Fig.1010905 work surface and overlaid area location diagram 图 2010905 工作面上覆地表钻孔位置关系图 Fig.2010905 surface drilling position diagram 145 ChaoXing 第 51 卷第 3 期 2020 年 3 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.3 Mar. 2020 图 5010905 工作面采空区氧化带区域地表钻孔直注前 O2浓度变化曲线图 Fig.5010905 O2concentration change graph before drilling straight injection 足导致固态二氧化碳封堵管道，由于垂直输送距离 短，因此直注要求井上始端管路无漏气、压力表无 损坏、槽车始端加压 2.0 MPa 后输送液态二氧化碳 即可满足输送压力要求 （考虑短距离输送压力损失 ） ， 同时直注前应当进行 1 次全管道氮气打压实验， 使保 证管路承压压力在 2.0 MPa 以上， 符合实验压力要求。 2.2采空区 “氧化带” 区域直注量计算 为了使 010905 工作面采空区处于“氧化带” 范 围的区域得到有效控制、且对工作面正常推进不造 成影响， 预计将采空区位于 “氧化带” 范围内的多孔 介质空间内充满惰性气体，考虑回采后采空区顶板 实际下沉量， 暂不考虑气体损失等其它因素[7]。经过 理论计算得到五虎山矿 010905 工作面地表直注区 域的 “氧化带” 面积约 6 000 m2。由于 1 t 液态二氧 化碳在常温状态下转换成气体为 640 m3。010905 工 作面煤层为综采工作面开采， 采高为 2 m， 液态氮计 算方法如下 TA S H/640（1） 式中 T 为注液态二氧化碳总量， t； A 为考虑顶板 下沉后的折算系数，取 0.7； S 为直注区域面积， m2； H 为采高， m。 经理论计算后 T65.1 t， 即得出 “氧化带” 范围 直注区域总共需要约 65 t 液态二氧化碳， 需全部通 过地面钻孔进行直注。 2.3采空区氧化带区域注液氮方式 本次通过地表钻孔注入约 65 t 液态二氧化碳 均由 2 辆工业用槽车运输至直注地点， 沿着 010905 采空区氧化带区域上部地表直注钻孔进行直注。释 放前工业用槽车释放装置与地表钻孔孔口管道对接 完成，释放过程当槽车压力表压力达到 2.0 MPa 时 拧开阀门，全程观察钻孔旁管路压力表读数，防止 因管路泄露造成压力不足而造成管路结干冰，直注 无法继续进行。 2.4采空区氧化带区域观测 当地表直注液态二氧化碳完成后，矿方安排专 人对 010905 工作面采空区氧化带区域联巷观测孔 内埋设的束管及温度传感器[8]进行连续取气分析、 测温，主要研究联巷所在的氧化带区域在实施直注 液态二氧化碳后的温度、 CO 气体、 氧气等相应的变 化关系， 不仅为实现本工作面安全回采， 而且为矿井 工作面采空区高温区域后期治理提供理论指导[9]。 2.5直注液态二氧化碳效果分析 当 010905 工作面采空区氧化带区域对应地表 直注钻孔完成 2 车液态二氧化碳直注后，利用相应 联巷内布置的测温导线测得采空区温度为-16 ℃左 右， 先明显下降趋势， 后逐渐恢复正常； 测得 CO 浓 度在 0，对采空区 CO 气体的稀释作用较为明显； 测 得 O2浓度呈明显下降。同时 010905 工作面上隅角 未见低氧以及二氧化碳超限。地表直注钻孔注完液 态二氧化碳后温度、 CO 浓度及氧气浓度变化规律曲 线图如图 3～图 8。图中数据为各联巷束管观测及温 度传感器读数的平均值。 图 3010905 工作面采空区氧化带区域地表钻孔直注前 CO 浓度变化曲线图 Fig.3010905 CO concentration change graph before drilling straight injection of the face 图 4010905 工作面采空区氧化带区域地表钻孔直注后 CO 浓度变化曲线图 Fig.4010905 CO concentration change graph after the face drilling straight injection 146 ChaoXing Vol.51No.3 Mar. 2020 Safety in Coal Mines 第 51 卷第 3 期 2020 年 3 月 （下转第 152 页） 图 8010905 工作面采空区氧化带区域地表钻孔直注后 温度变化曲线图 Fig.8010905 temperature change graph after drilling straight injection 图 6010905 工作面采空区氧化带区域地表钻孔直注后 O2浓度变化曲线图 Fig.6010905 O2concentration change graph after drilling straight injection 图 7010905 工作面采空区氧化带区域地表钻孔直注前 温度变化曲线图 Fig.7010905 temperature change graph before drilling straight injection 由图 3、图 4 可知，注液态二氧化碳后 010905 工作面采空区氧化区域的 CO 浓度由 1510-6立刻 降低至 0， 而后逐渐升高稳定至 610-6， 说明液态二 氧化碳大面积气化并充填采空区后对氧化带内 CO 稀释效果十分明显； 由图 5、 图 6 可知， 注液态二氧 化碳后 010905 工作面采空区氧化区域内 O2浓度由 19.7左右呈现先直线下降后逐步上升稳定至 18.5；由图 7、图 8 可知，注入液态二氧化碳后 010905 工作面采空区氧化区域的温度呈现先明显 下降后逐渐上升至原有温度的趋势。 3治理效果 1） 通过对五虎山煤矿 010905 工作面采空区氧 化带区域进行科学的理论计算，考虑采空区实际情 况，合理地计算出理论计算惰化区域所需的实验液 态二氧化碳用量[10]。 2） 液态二氧化碳对于有自然发火危险区域的实 际治理效果相比于传统注氮气灭火效果十分理想， 其不仅能够在短时间内迅速气化吸热而带走与其接 触的煤体表面热量使煤体呈现低温状态，还能使其 作用的氧化带区域温度在一段时间内处于相对较低 的水平。 3） 地表单孔直注液态二氧化碳的有效治理半径 不仅与氧化带区域原有温度相关， 还和直注量、 采空 区压实程度、 上覆采空区距离、 岩石性质以及 010905 工作面的通风方式、 漏风量等参数有直接关系[11]。 4结论 1） 010905 工作面采空区氧化带区域经理论计 算所需液态二氧化碳的惰化量对实际的防灭火效果 较明显， O2浓度、 CO 浓度、 温度均呈现大幅下降趋势。 2） 由于 010905 工作面上覆存在近距离煤层采空 区， 故地表直注液态二氧化碳后采空区氧化带区域惰 化时间、 惰化效果不佳， 但扩散的二氧化碳气体在一 定程度上抑制了上覆采空区浮煤的氧化自燃问题。 3） 010905 工作面在实施直注液态二氧化碳后 工作面上隅角并未出现二氧化碳超限事故，因此当 采空区氧化带区域出现自然发火迹象时通过直注液 态二氧化碳可确保工作面实现正常安全回采，尤其 对上覆无采空区的工作面其防灭火效果更佳。 参考文献 ［1］ 聂鸿元.综合防灭火技术在高瓦斯矿井近距离煤层火 灾中的研究应用 ［D］ .太原 太原理工大学， 2007. ［2］ 陈宝义.乌兰矿复合采空区自然发火防治技术研究 ［D］ . 北京 煤炭科学研究总院， 2018. 147 ChaoXing 第 51 卷第 3 期 2020 年 3 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.3 Mar. 2020 爆破等措施降低煤柱应力、采用大直径钻孔卸压和 煤层注水等措施改变煤体刚度的防治策略。 3） 通过在工作面宽煤柱采取断顶爆破和大直径 钻孔的组合防治方法，根据应力监测结果，宽煤柱 应力集中程度出现明显降低， 保证了 311103 工作面 安全回采， 防治效果较为显著。 参考文献 ［1］ 吴祥业.神东矿区重复采动巷道塑性区演化规律及稳 定控制 ［D］ .北京 中国矿业大学 （北京） ， 2018. ［2］ 齐庆新， 欧阳振华， 赵善坤， 等.我国冲击地压矿井类 型及防治方法研究 ［J］ .煤炭科学技术， 2014， 42 （10） 1-5. ［3］ 王存文， 姜福兴， 王平， 等.煤柱诱发冲击地压的微震 事件分布特征与力学机理 ［J］ .煤炭学报， 2009， 34 （9） 1169-1173. ［4］ 吕涛， 陈运， 闫振斌.蒙陕地区冲击地压防治策略探讨 ［J］ .煤炭工程， 2018， 50 （6） 105-107. ［5］ 瞿孝昆， 姜福兴， 王慧涛， 等.采空区煤柱失稳诱发下 煤层冲击机理研究 ［J］ .采矿与安全工程学报， 2017， 34 （6） 1134-1140. ［6］ 王涛， 由爽， 裴峰， 等.坚硬顶板条件下临空煤柱失稳 机制与防治技术 ［J］ .采矿与安全工程学报， 2017， 34 （1） 54-59. ［7］ 杨伟利， 姜福兴， 温经林， 等.遗留煤柱诱发冲击地压 机理及其防治技术研究 ［J］ .采矿与安全工程学报， 2014， 31 （6） 876-880. ［8］ 王浩， 赵毅鑫， 牟宗龙， 等.矿震扰动下采区煤柱应力 偏量集中区诱冲机制及防治方法 ［J］ .中国矿业大学 学报， 2017， 46 （6） 1202-1210. ［9］ 曹建涛， 来兴平， 闫瑞兵.急斜煤层残留高阶段煤柱动 力失稳机理研究 ［J］ .采矿与安全工程学报， 2018， 35 （1） 133-139. ［10］ 齐庆新， 窦林名.冲击地压理论与技术 ［M］ .徐州 中 国矿业大学出版社， 2008. ［11］ 刘金海， 姜福兴， 王乃国， 等.深井特厚煤层综放工作 面区段煤柱合理宽度研究 ［J］ .岩石力学与工程学 报， 2012， 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