自然发火防治复合惰性气体应用研究范文

摘要：在分析复合惰性气体防灭火系统的基础上，对复合惰性气体在采空区自然发火防治中的应用做出分析，并对其应用效果进行总结，希望能为其他矿井相似工程提供借鉴和参考。

关键词：矿井；复合惰性气体；采空区；自然发火防治

引言

现阶段，中国矿井火灾防治中应用得较为常见的方式主要包括注浆、充砂、阻化剂喷洒、惰性气体注入等，其中惰性气体注入是采空区防灭火应用最为普遍的手段。在惰性气体防灭火方面，N2一直是主要原材料，但由于制造成本较高、纯度不易控制等，使得其在大范围采空区内的应用受到一定限制。针对此，探索更加高效的复合惰性气体防灭火对于提升矿井作业安全性，推动矿井综合效益增加意义重大。

1复合惰性气体防灭火系统分析

1.1系统构成

复合惰性气体防灭火系统主要构成组件包括：制氮机组、液态CO2储液罐、气化装置、混合调压装置及各类阀门仪表等。其中，注氮机组共配设有专业制氮装置5台，通过直径100mm的金属软管并联接入混合调压装置，其设计制氮能力为5000m3/h。液态CO2储液罐主要由承压罐体、电气控制系统和固定装置构成，用于液态CO2的存储与输出。汽化装置分为自热式转换器和强热式辅助转换器两部分，由储液罐对外输出的液态CO2通过自热式转换器的初步汽化，形成气液混合态物质，并再经由连接管路通过强热式辅助转换器实现全面汽化[1]。作业时，CO2连续灌注后，经两级转换器的转化后，进入混合调压装置同高温N2充分混合，实现N2温度降低的同时实现CO2的全面汽化。完全汽化后的复合惰性气体通过地面灌注管路，实现对采空区内火灾隐患点的针对性持续灌注，实现对火灾隐患的有效控制。图1所示即为复合惰性气体系统示意图。

1.2工艺流程分析

a)液态CO2运输车存储罐气密性检测。将液态CO2运输车同地表空气压缩装置相连，并对其存储罐气密性进行检测，确保气体流速不低于20m/s，检测耗时不低于30min，试验压力不低于2.7MPa，同时各个阀门完整无漏；b)液态CO2转存。完成运输车同储液罐的相连后，开启储液罐气阀，等压力表指数开始增大时，开启液体泵和罐车液相阀，向储液罐转存液态CO2。当储液罐溢流阀溢满后，终止充液作业，并依照顺序关闭各阀门后排空管内压力，实现液态CO2转存；c)复合惰性气体灌注。开启储液罐排气阀使其管道内充满CO2的同时实现与罐内的压力平衡，随后开启出液阀实现气、液均匀混合后使其经管道进入两级转换器。当井下需要大量CO2连续注入时，气液两相流CO2将进入混合调压装置，在调压装置内实现低温CO2和高温N2的混合，达成CO2的充分汽化和N2的快速降温。当调压装置内压力达到1.6MPa，充分混合的复合惰性气体便可通过管道向采空区进行灌注[2-3]。

2复合惰性气体在采空区自然发火防治中的应用分析

2.1工程概况

A矿905回采面处于井下二采区中部，选用走向长壁综采工艺，作业面倾向长度200m，走向长度1130m，主采9#煤层，煤层厚度介于5~6.7m，均值5.4m，煤层倾角介于12°~18°，均值16°，属于典型的仰采作业面。该作业面自回采以来，经历近1a的开采，回采接近尾声，但由于前期回采时顶板遗煤偏多，加之顶板垮落不充分，导致停采撤架耗时较大，一定程度上增加了采空区自然发火危险。经现场监测，回采面回风流与瓦斯抽采管内均出现CO并呈现出增加趋势。为有效防范采空区火灾隐患，决定采用向采空区注入复合惰性气体的方式进行防灭火[4]。

2.2复合惰性气体防灭火方案

在905回采面运输巷道内预埋直径108mm的惰性气体注入管道以便于随时向采空区内进行连续的惰性气体注入。结合前期束管监测所得数据，将采空区依照O2浓度的不同进行划分，则其“氧化带”宽度范围为16~105m，宽度均值86m。鉴于905回采面属于仰采作业面，则在复合惰性气体防灭火中CO2将覆盖底板遗煤并发挥吸热降温的功效[5]。图2所示即为作业面相对位置示意图。

2.3参数计算

防灭火作业所需CO2质量解算公式如式(1)所示：m=kV(1+μ)/qp，(1)式(1)中，m为所需CO2质量，kg；k为采空区垮落前后体积比，取值0.8；V为采空区垮落前氧化带体积，m3；μ为CO2损失率，取值30%；q为惰性气体置换采空区气体效率，取值70%；p为15℃时大气压力，Pa。依照式(1)计算分析，905回采面采空区氧化带体积为66880m3，将其置换所需CO2质量为155t。

3效果分析

自应用复合惰性气体注入905采空区进行防灭火操作以来，通过在距离905回采面采空区入口35m、65m和95m的3处不同位置布设的束管监测可知，3处区域O2体积分数均出现显著降低，分别降低至4.8%、2.9%和2.2%，同时回风流CO体积分数降幅超过90%以上，上隅角温度自32℃降低至26℃，彻底消除了采空区自然发火的可能性[6]。

4结语

随着矿井回采深度的增加和井下作业复杂性的不断增加，煤矿井下回采作业中采空区自然发火现象越加普遍，如何实现对火灾的有效防治，成为保障矿井生产安全的必要举措。矿井管理者应高度重视相关问题，在生产实际中，立足实际，组织专业人手，开展针对性探究，总结具有良好适用性的采空区自然发火防治技术，实现对火灾的有效防治，从而为矿井生产的持续安全开展提供保障。

参考文献：

［1］裴文缘.越南宏泰煤矿注氮防灭火工艺研究［J］.内蒙古煤炭经济，2018(5)：107-108.

［2］饶孜，谢先明.多煤层共采区域通风防火控制技术［J］.煤矿安全，2018，49(7)：62-65.

［3］胡鹏.综放工作面采空区自然发火防控技术应用［J］.江西煤炭科技，2018(4)：167-169.

［4］关雅洁.采空区注惰软件模拟及开发［D］.唐山：华北理工大学，2018.

［5］李仲勋，王义，陈伟.采空区遗煤自然发火规律及防治对策研究［J］.内蒙古煤炭经济，2018(22)：109-110.

［6］赵圣武，郝强强，张思达，等.综放工作面采空区自然发火规律研究［J］.陕西煤炭，2019，38(1)：30-33.

作者：梁强 单位：山东新矿集团有限公司翟镇煤矿胜利项目部