摘要:我國的煤炭資源豐富，由于煤層具有自燃傾向性，導致開采過程中采空區自燃發火現象頻繁發生，給礦井生產帶來嚴重影響。針對溫莊礦已發生小范圍自燃的采空區，在采取加注堿水等措施無效之后，緊急實施了二氧化碳加注。經過幾次加注，結果表明:二氧化碳能夠有效的抑制氧化作用，在防滅火的工作中起到了良好的效果

　　關鍵詞:采空區;自燃發火;二氧化碳防滅火;應用

　　山西潞安溫莊煤業有限責任公司位于武鄉縣城東36.5km處，井田面積9.9411km2，核定生產能力120萬t/a，批準開采2-15號煤層。現采15號煤層，煤層平均厚度4.45m。該礦150201綜采工作面所采煤層自燃等級為Ⅰ類容易自燃，工作面瓦斯絕對涌出量為12m3/min，工作面設計為U型通風，采用裂隙帶抽采方式治理瓦斯。

　　目前國內普遍采用的防滅火技術主要有均壓防滅火、注漿與阻化劑防滅火和惰性氣體防滅火技術，其中惰性氣體防滅火多采用注氮防滅火。這些防滅火技術對于采空區自燃發火的防治起到了一定的積極作用，同時也存在著不足之處。本文將重點探究另一種惰性氣體———二氧化碳防滅火技術。分析了二氧化碳的主要物理特性、防滅火的機理和優點，將其實際應用于150201工作面，并用圖展示其效果，應用表明二氧化碳在防滅火方面具有良好效果。

　　1二氧化碳的主要物理特性

　　二氧化碳在常溫常壓下是一種無色無味的氣體，可溶水。在不同的壓力、溫度條件下會有氣、固、液三種狀態，且有汽化和升華的特性，能吸收大量的熱;二氧化碳本身不能燃燒，也不支持一般可燃物的燃燒，所以可以用來滅火，這也是二氧化碳可以防滅火的主要特性[1]。

　　2二氧化碳防滅火機理和特點

　　據煤氧復合作用學說可知，在煤炭自燃過程中，最終參與物首要是煤和氧，通過煤對氧氣的吸附和氧化作用，會產生熱量，生成的熱量進一步加速了煤的氧化作用從而釋放更多的熱量，最終達到煤炭燃燒所需點火溫度而造成煤炭自燃。

　　因此二氧化碳防滅火機理主要如下:

　　1)惰化吸附作用。二氧化碳被注到火區以后，會使火區中氧氣的濃度下降，從而使煤氧復合過程的強度被減弱。煤是一種多孔有機巖石，具有吸附氣體的特性。煤對各種物質的吸附能力并不相同，研究表明，煤炭吸附二氧化碳的能力最強。在井下多種氣體并存的條件下，二氧化碳可以更多、更快的吸附于煤炭，包裹煤體，使氧氣吸附量減少，進而對煤氧復合起到有效的阻化作用，大大削弱了煤的氧化作用。

　　2)吸熱降溫作用。液態二氧化碳汽化時會吸收大量的熱，從而會降低周圍空氣的溫度，從很大程度上降低了煤的升溫速度。并且注入高溫火區的二氧化碳氣體溫度低，對火區具有一定的惰化和抑爆能力，從而使火熄滅。二氧化碳防滅火除具有惰性氣體防滅火的共性外，還具有以下優點[2-3]:①惰化速度快。由于二氧化碳的密度大于空氣，在熄滅底部的火災后，可以快速沉入底部而把氧氣排出，分散開來，使火區內氧氣濃度快速下降。

　　②無二次危害。液態二氧化碳內不含氧氣，向煤層自燃高溫火區注入時，可避免帶入氧氣而造成不利的影響。③降溫效果明顯。④灌注流量大。⑤有較好的經濟優勢。基于以上敘述，相比其他惰性氣體，二氧化碳在防滅火實踐工作會起到更好的效果。

　　3二氧化碳防治采空區自燃發火應用實例

　　3.1井下概況

　　溫莊礦150201工作面推進至260m時，工作面中部開始出現石包，石包最高時為2.5m左右，寬度45m，回采期間對石包進行松動爆破，回采速度由正規循環的每天5.6m降低至0.8m，并且采空區遺煤增多，在處理工作面支架上部高帽區時向工作面加注化學材料進行充填，同時，為了解決工作面瓦斯問題，裂隙帶鉆孔抽放負壓由原來的20kPa調整至30kPa左右，造成采空區漏風增大，最終導致150201綜采工作面采空區遺煤自燃。

　　3.2已采取防滅火措施

　　1)降低礦井主扇風量，從5400m3/min至4200m3/min，目前已降至3300m3/min;2)控制工作面風流風量，在回風側打兩道臨時風門，減少工作面風量，目前工作面風量控制約500m3/min;3)從工作面兩端頭向采空區注堿水;4)利用回順煤幫鉆孔或瓦斯鉆孔向工作面頂部注水;5)根據相關上級部門安排，已安排撤出全礦井下所有人員。由于采取相關措施后并沒有有效控制火區，隨后，緊急購買安裝了地面液態二氧化碳氣化裝置，向150201綜采工作面采空區注二氧化碳。

　　3.3注二氧化碳的主要技術參數

　　1)初始注氣量的計算:Q1=W×H×L×K1×K2=40×1.5×140×2.5×0.85=17850m3式中:Q1為初始注氣量，m3;W為惰化帶寬度，m;H為惰化帶(采、放煤)高度，m;L為惰化帶長度，m;K1為采空區氣體置換系數，取K1=2.5;K2為采空區松散系數，取K2=0.85。

　　2)供二氧化碳壓力。保持管路末端的絕對壓力應不低于0.2MPa。

　　3)注二氧化碳地點及與其相連巷道的安全通風量:Q0≥QN(CN-C2+1)C1-C2式中:Q0為工作場所的安全通風量，m3/min;QN為最大CO2氣體泄漏量，10m3/min;CN為泄漏CO2氣體中的CO2氣濃度，97%;C1為工作面或巷道中原始氧氣濃度，一般取20.8%;C2為工作場所的安全氧濃度指標，18.5%。經計算得Q0>776.1m3/min。

　　3.4注二氧化碳防滅火管路敷設工藝和方法

　　根據溫莊礦150201工作面條件，利用礦井原有的壓風系統管路，在膠帶巷道(進風巷)鋪設管路，采用埋管注二氧化碳工藝。具體注CO2管路工藝為:從地面壓風機房至井下150201膠帶機頭使用原3寸壓風管，150201膠帶巷道采用專用的4寸無縫鋼管鋪設，利用鉆機從皮順下隅角打設2個D74mm的注二氧化碳孔，孔深10m。

　　3.5注二氧化碳效果

　　因為一氧化碳是采空區自燃發火的標志性氣體，所以用注入二氧化碳前后抽放管路中一氧化碳濃度變化圖來探究二氧化碳的防滅火效果。4月21日3時至13時向采空區加注20t液態二氧化碳，15時30分一氧化碳濃度開始明顯下降，1號泵站瓦斯抽放管路一氧化碳濃度由790×10-6下降至225×10-6;2號泵站瓦斯抽采管路一氧化碳濃度由910×10-6下降至110×10-6。

　　22日上午10時50分至20時10分向采空區第二次注二氧化碳，加注量20t。在加注期間，一氧化碳濃度略有增大，隨后一氧化碳濃度逐漸下降，23日18時，1號泵站瓦斯抽放管路一氧化碳濃度下降至104×10-6;2號泵站瓦斯抽放管路一氧化碳濃度下降至159×10-6。

　　4月24日9時至16時和4月25日11時至18時，分別向采空區進了第三次和第四次二氧化碳加注，兩次共加43.8t。從4月18日至4月25日，工作面累計推進14.8m，通過四次加注后，截止25日23時，1號泵站抽放管路一氧化碳濃度下降至41×10-6;2號泵站抽放管路一氧化碳濃度下降至87×10-6。

　　4月26日14時至20時向綜采空區進了第五次加注二氧化碳，加注液體二氧化碳17t。從4月18日至4月26日，工作面累計推進17.2m，通過五次加注后，截止27日8時，1號泵站瓦斯抽放管路一氧化碳濃度下降至10×10-6;2號泵站瓦斯抽放管路一氧化碳濃度下降至34×10-6。

　　從4月27日到4月28日12:00，抽放管路中的一氧化碳濃度逐漸緩慢下降，1號泵站瓦斯抽放管路中的一氧化碳濃度降至0×10-6，2號泵站瓦斯抽放管路中的一氧化碳濃度降至20×10-6。

　　根據對以上注二氧化碳期間抽放管路中一氧化碳濃度的統計分析可以看出，當注二氧化碳及加注完二氧化碳的短期內，管路中一氧化碳濃度會有所升高，但隨后會逐漸減低，通過多次加注二氧化碳，最終管道一氧化碳濃度由原來的850×10-6降低至20×10-6以下并保持穩定，采空區自燃發火得到了有效果控制。

　　4結語

　　礦用二氧化碳防滅火技術主要是利用二氧化碳比重大于空氣，利于下沉，惰化吸附作用強，抑爆性強，能在一定區域形成二氧化碳氣層，對低位火源具有較好的控制作用，并能壓擠出有害氣體等特點而采取的防滅火技術措施。以上實際應用可以進一步驗證，二氧化碳在防滅火方面確實具有很好的效果，具有較好的應用推廣價值。

　　參考文獻:

　　[1]齊更亮，路拴成.談液態二氧化碳在防治采空區煤炭自燃中的應用[J].煤礦現代化，2009(6):42-43.

　　[2]黃元金.液態二氧化碳在礦井防滅火中的應用[J].山東工業技術，2017(1):102.

　　[3]郝迎格，宋先明，張連峰，等.液態CO2在礦井防滅火中的應用[J].煤礦安全，2005，36(3):21-23.

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