液态二氧化碳在矿井防灭火中的应用

　　CO₂气体已被广泛应用于各种火灾的治理，它能在较短的时间内控制和扑灭气体、液体、固体和电气火灾。它具有灭火能力强、速度快、使用范围广、对环境不会造成污染等特点。CO₂气体在矿井煤层火灾的治理中也起到了积极的作用。我国东北和山西等矿区都曾使用CO₂气体治理过煤层火灾。但由于其CO₂气体的生产成本和应用工艺问题，使得该技术不能象氮气防灭火技术那样进行广泛使用。本文通过对液态CO₂的灭火性能和应用工艺和使用成本进行研究分析，结合南屯煤矿的实际情况，成功地将液态CO₂防灭火技术运用于煤层自燃火灾的防治，带来了较好的社会和经济效益。

 

　　1 液态CO₂的防灭火性能

 

　　CO₂常温、常压下是无色略带酸味的窒息性气体。它在不同的压力、温度条件下有3种形态。熔点为-56.6℃（0.52 MPa），临界温度为31.3℃，临界压力为7.28 MPa，CO₂具有升华特性，升华点为-78.5℃（0.1 MPa）。在低温加压下CO₂气体可变为液态，利用蒸发潜热，可做成雪片状固体，进一步冷却加压可制成干冰（固体碳酸）。气态CO₂相对于空气的比重为1.529，密度为1.976 kg/m³（0℃，0.1 MPa），液态CO₂的密度随温度的变化而变化较大，-20℃时，其密度是1.01 kg/L。在温度为15℃、0.1 MPa下，1 t液态CO₂体积膨胀约640倍。

 

　　液态CO₂灭火时，CO₂从储存系统中喷放出来，压力会骤然下降，使CO₂迅速由液态转变为气态。CO₂比空气的密度大，在熄灭底部火灾时，可快速沉入底部而挤出O₂，在火区内扩散并充满其空间，使火区内O₂浓度急速下降，使火区因缺氧而窒息，灭火效果较好。液态CO₂汽化吸收大量的热，随温度的不同而不同。注入液态CO₂温度低，不仅仅具有氮气对火区惰化和抑爆能力，而且可以吸收大量的热，降低火区温度，因此，其防灭火性能独特。

 

　　2 液态CO₂防灭火系统及应用工艺

 

　　液态CO₂防灭火系统由地面液态CO₂槽车、输气管、水液汽化器、流量计等构成。液态CO₂由专门的运输设备从化工厂运到矿井，采用在地面将液态CO₂直接汽化成CO₂气体的方法，经由注浆管路输送到灭火地点，选择适合的释放口位置注入到火区（见图1）。

 

图1 注液态二氧化碳工艺流程示意图

 

　　该液态CO₂压注系统具有稳定性好、操作简便、连续可调等优点，符合现场的实际应用。地面低温运输槽车每车最大可储运150 t液态CO₂；液态CO₂的温度在-18～-20℃左右；出口压力可以达到2 MPa；产气量为800～1 000 m³/h；输送距离可达5 km，能实现大流量压注液态CO₂迅速熄灭火区的效果。

 

　　2.1 液态CO₂的储运

 

　　空分设备生产出来的液态CO₂，必须用低温液体贮槽等专用设备贮存，这种低温贮槽通常是双层容器。目前我国生产的低温贮槽可分为固定型、移动型及运输车辆型。从化工厂向矿井运输液态CO₂，主要有2种设备：一是专用的低温槽车。槽车主要由贮槽、经改装后的汽车、操作箱、低温液体泵、增压气和金属软管组成，其中贮槽采用真空粉末绝热，或高真空多层绝热，蒸发损失小，安全可靠，但是其价格高，体积大，只能在地面运输使用。二是常温高压储气瓶（罐）。由1个承压容器和必要的充装、释放接口及安全装置组成，其结构简单，体积小，可以直接运输到井下着火地点附近释放灭火，使用方便。但是其要求承压高，并且充满率不高（仅为容积的60％），扑灭矿井自燃火灾时，由于液化惰气的用量较大，所以储气瓶（罐）的用量多。充装气瓶时需要将气瓶运到化工厂，运输、吊装过程中不安全因素多，另外，高压储气瓶（罐）作为一种压力容器，日常管理复杂。因此，通常选择低温槽车运输。

 

　　2.2 液态CO₂释放方法

 

　　将液态CO₂经水液汽化器汽化成CO₂气体向井下输送，在很多情况下，可使用矿井中现有的风管、水管、注浆管或者井下瓦斯抽放管。急需时，上述管路在我国矿井中都不难解决，当矿井现有管路另有他用不能用于灭火或没有独立的管路时，可以备用专门管路。这种沿管路输送CO₂方法比往井下输送液态CO₂方便，可以实现大流量、连续灌注CO₂气体。

 

　　2.3 液态CO₂的释放口的选择

 

　　向火区注CO₂气体时，为减不耗CO₂气体量，快速灭火，要根据火区的条件、火源的位置，选择最佳CO₂释放口位置，原则是使CO₂气体在火区内用最短的路线到达火点，冲淡火区O₂含量，窒熄火源。向采空区注CO₂防灭火的方法一般有2种：打钻注CO₂和埋管注CO₂。前种方法是利用火区附近的巷道向火区打钻，利用钻孔向火区注入CO₂。后一种方法是将注CO₂管路埋设在工作面进风顺槽或靠近火区其它巷道，根据火源的位置，CO₂气释放口可布置在作面下隅角，或切眼下、上部注CO₂。

 

　　3 现场应用

 

　　兖州矿业集团南屯煤矿受自然发火威胁较重，受接续影响，沿空掘进和相邻工作面连续采煤使防灭火问题最更为空出。注氮防灭火技术防治采空区的自然发火是南屯煤矿应用较为成熟的防灭火技术之一，取得过良好的防灭火效果。但受设备、气体纯度及成本的影响，经济效益较差，逐渐暴露了许多弊端。主要体现在：①南屯煤矿制氮机现有制N₂纯度只有95％，已不符合“规程”的要求；②N₂气总成本为4.87元/m ³，成本高；③制氮机的关键部件寿命短，维护费用较高。

 

　　兖矿集团鲁南化工厂，距兖矿集团各矿井距离仅几十公里，化工厂具备日产液态CO₂ 20 t的能力，有150 t的低温运输槽车2辆，可保证矿区灭火的需要，且成本较低，经济合理。南屯煤矿西风井工业广场有热电厂的凉水塔，因此，采用水式汽化器较好，有40℃的热水源可以利用，可减少投资，减少运行费用。通过比较分析，具备采用液态CO₂防灭火技术的条件，符合矿井防灭火的要求。

 

　　3.1 火区概况

 

　　73_上19工作面为综放工作面，于2003年1月31日停采。因生产接续较为紧张，其相邻工作面73_上21工作面的上顺槽一直距73_上19工作面掘进，于2003年5月12日形成工作面正常通风系统，该顺槽共有3处与原73_上19工作面的硐室沟通，曾出现采区气体外泄现象。分析认为，73_上19工作面采空区存在着较大的自然发火隐患，如图2所示。

 

　　由于采空区范围大，实施注胶等其它措施直接灭火难度大，因此，采用液态CO₂处理自燃隐患点。利用低温槽车将液态CO₂运至在中央风井注氮机房内，在地面将液态CO₂直接汽化成CO₂气体，通过注浆管路向73_上19采空区隐患地点压注，如图2所示。

 

 

图2 73_上19采空区自然发火点位置示意图

 

　　3.2 灭火效果分析

 

　　2003年11月3日，共向73_上19采空区压注液态CO₂ 20 t，释放后膨胀体积约为13 000m³。为观察整个注液态CO₂过程中浓度变化情况，检查实施效果，利用安全监测系统、束管监测系统、人工采样相结合实时掌握压注过程中火区的气体、温度等参数变化。在注浆管道外侧管路开设直径为25 mm阀门，通过打开阀门利用仪器进行观测。压注过程中对73_上21上顺槽沿空段、与采空区沟通处，包括73_上19切眼板闭、原73_上19切眼硐室、原73_上19上顺联络巷板闭、原73_上19绞车房硐室、73_上21上顺切眼板闭处等地点派专人携带仪器现场监测。监测结果见表1。

 

　　表1 压注前后73_上19采空区内的气体浓度、温度参数对比

 

项目	CO2/％	CH2/％	C2H6/％ ×10-6	N2/%	O2/%	T/℃
压注前 压注后	3.69 32.1	0.01 0.09	0 0	89.0 1.9	6.7 65.2	37.5 26.3

 

　　通过对压注前后73