7541压注二氧化碳管理

姚桥煤矿7541工作面防灭火技术的应用

煤炭自燃是矿井重要灾害之一。当采空区浮煤具备良好的漏风供氧和蓄热条件时，会造成采空区浮煤自燃，危及工作面的正常回采，烧损设备、冻结大量的煤炭资源，甚至会导致井下火灾和瓦斯爆炸等事故的发生，造成大量人员与财产的损失，给矿井安全生产带来隐患。 1、采煤工作面概况

7541工作面位于东七采区下部，工作面走向长度763米，倾向长度185.5米，煤层倾角2-14o，自然发火期为1-3个月，属中硬煤层。该工作面共发现断层14条，均为正断层，走向为北东向和北西向，落差大于2m的断层有3条，对回采影响较大，即f605∠70o H=7.0m, f605-1∠55o H=7.0m, f606∠50o H=3.5m;工作面整体形态为宽缓向斜构造，向西倾伏，北翼倾角3-14o，南翼倾角2-8o，受f605、f605-1断层的影响，在掘进期间确定断层与切眼之间7、8#煤层联采，材料道联采长度约为200米，溜子道联采长度约为380米

东七皮带下山东七东轨七道回下风山下山东7541 轨七 道 顺 槽放水巷7 5 4 1停采设计东 七 下 部 车 场 50-6 东轨7541 运道 输 顺 槽线大巷-650 东皮带大巷

通风系统：工作面采用U形通风方式，计划配风量924m3/min,材料道为进风巷，沿煤层底板布置、溜子道为回风巷，工作面为下行

风；新鲜风流向：地面→新副井→-650东轨道大巷→东七轨道上山→7541材料道甩道→7541材料道→工作面；乏风流向：工作面→7541溜子道→东七防火通道→东七回风上山→东三回风下山→新东四回风上山→-200总回风巷→东二风井→地面。 2、回采期间防灭火

2.1回采期间生产及气体变化情况

7541工作面于2011年9月16日开始动煤机跑空刀正式回采， 9月22日早班除1—12#架及两道顶板未冒落其余支架上方顶板全部跨落，到9月23日早班材料道已推进12.7米，机头推进5米时下隅角开始出现一氧化碳气体10ppm。 10月17日当料道推46米，溜子道推进32米时下偶角一氧化碳气体增加到30ppm，通风科采取常规注浆措施，因工作面一直处于俯采状态无法达到预期目的，10月27日当材料道推进57米，溜子道推进53米时下偶角一氧化碳气体升至120ppm。气体上升期间采取利用注浆管向采空区添加凝胶等措施；11月5日下偶角一氧化碳气体400ppm，转载机尾处更是高达1000ppm，回风流45ppm夜班对上下偶角喷涂罗克休进行封堵，11月6日早班开始利用东一风井向7541采空区压注二氧化碳惰性气体，经过连续3天的压注下隅角气体降低到120ppm，回风流中降到11ppm，同时采煤三队加快推进速度，尽量将火区甩到窒息带。在以后的年底、春节停产和甩面期间下隅角气体一直保持在150ppm以下。 2.2 7541综放面发火的主要原因 2.2.1 工作面布置：

受f605、f605-1断层的影响，在掘进期间确定断层与切眼之间7、8#煤层联采，材料道联采长度约为200米，溜子道联采长度约为380米。7#煤平均厚度为5.4米，8#煤平均厚度米，7、8煤之间夹矸在1-2米，当割煤高度2.5米时，双煤层联合回采期间放煤高度达8米。 2.2.2 推进速度慢：

1、7541工作面自9月16日开始回采至11月5日气体急剧升高，50天时间材料道推进76米，溜子道推进65米，每天进尺不足1.5米，受煤层厚度影响。

2、受机电设备影响：回采初期机电设备故障多，特别是后部溜子链轮和链条之间的配合不合适，经常发生跳链现象，并且后部溜子经常压死，频繁采用低速运煤。 2.2.3采空区遗留煤炭多：

由于工作面属7、8#煤联合回采，放煤厚度最高达8米，且有1-2米夹矸，放煤时很容易将夹矸误认为7#顶板，致使采空区留有大量煤炭，给煤炭自然发火留下隐患。 2.2.4常规防灭火措施难以奏效：

由于工作面自切眼向外为俯采，倾角基本保持在3--4o虽在回采前在切眼内沿倾斜方向布置75米注浆管但注浆效果仍不理想，无法进行大面积的覆盖，对发火点不起作用。 2.2.5煤质容易氧化：

由于2011年12月22日停产前最后一刀未放煤，元月1号恢复生产时，支架后方的煤温普遍较高，即使煤流到转载机时仍达到35

摄氏度左右；前部溜子在100架处一堆碎煤，在开启前溜时煤堆内部温度高达45摄氏度，触摸烫手；通过这两起现象，说明7541工作面的煤炭自燃情况特别严重，短短10天在通风通畅的条件下破碎煤体内部温度便会达到50摄氏度，所以7541煤质特别容易发生自燃，如果具备条件自然发火期应当在15-20天。 2.2.6先期压注二氧化碳技术不够成熟：

由于之前都是采取封闭式压注二氧化碳措施，即在工作面停止生产甚至封闭后进行压注，并且管路沿线各个路口都必须设置警戒，7541工作面回风沿线严禁人员施工，在10月30日早班9:50—19:30分利用10个小时时间向采空区压注二氧化碳8.2吨，由于涉及到的人员较多和影响7541进度就没有继续压注，同时压注的流量也控制不好。

3、综合防灭火措施的实施

7541工作面是目前姚桥矿建矿以来防灭火难度最高、投入最多、耗时最长、采取措施最多同时也是收获防灭火工作经验最多的一个采煤工作面。

3.1合理科学的管路铺设：

采空区防灭火既要保证回采又要采取措施，最直接最有效的方法就是埋管，埋管所有措施都无法达到理想效果，同时埋管的位置和深度要掌握好。

回采前考虑到该工作面防灭火工作压力大且切眼内有12处隐患点，所以提前在两道及切眼内布置注浆管，材料道安装两路，一路为

4寸并在切眼内沿倾向布置75米，另一路为3寸管在出口布置在切眼上口；溜子道自7、8#煤联采处到切眼布置一路2寸管，并在切眼内沿倾向延伸45米，在溜子道的每个隐患点附近留有三通拔哨。（如下图所示）

2寸花管，45米7541设计切眼4寸花管75米3寸管路7541溜子道7541工作面2寸管路7541采空区防灭火管路布置示意图7541材料道4寸管路

回采前措施管埋设示意图

回采期间由于隐患点较多，原有的管路不能满足要求，在工作面回采到30米和90米位置又在材料道埋设两路注浆管，使得埋管出口距工作面的距离均匀分布，并在材料道增加两组三通阀门，对埋管进行控制，可随时针对气体变化情况进行采取措施。考虑到2011年底停产，为保证停产期间能够采取有效措施，在11月14、15日两天在利用7541停产期间材料道和溜子道分别向支架后方埋设4寸和3寸花管共计60米，这两根埋管距原切眼距离分别为112米和98米，埋设时多数认为是多此一举，12月22日7541改系统停产到年底，材料道推进196米，溜子道推进180米，当时工作面距预先埋管82-84米，停产期间利用这两根措施管压注了150吨二氧化碳气体，为停产

期间的防灭火工作提供了有力的保证。（具体管路铺设见下图）

4寸埋管75米7541设计切眼28m36m4m4寸管路4m4m 3寸管路 切眼17#隐患点处2寸管，12月6日脱开20m24m4寸管路 原切眼上口3寸管，12月5日脱开接头36米，（11月14日安装）27511月15日埋设20m38m90m93m 原切眼2寸管，12月21日在15#隐患点下方木垛处脱开27m 4寸管路12月22日停产位置7541溜子道7541工作面 2寸管路12.10装7541材料道4#3#2#1#46m90m采 空 区8m 年底停产期间措施管埋设示意图

3.2采用合理的灭火措施：

7541防灭火采取了多项措施，最直接最有效的措施当属压注CO2

惰性气体，该项措施可以取得常规注浆措施无法达到的效果，并且能够灭、防兼备；一旦下隅角采空区内CO气体达到90-100ppm，就应该立即压注，另外压注期间还要根据采空区预埋的措施管深度及回风流气体浓度来调节压注流量，只有合理的压注方能达到事半功倍的效果。虽然压注CO2惰性气体效果较好，但不宜长期使用，还需要采取常规性的措施如上下隅角封堵、下隅角浮煤喷洒阻化剂等。 3.2.1二氧化碳防灭火：

来源：二氧化碳为化工产品的生成物，价格低廉，可分工业级和食品级两大类，主要成本为运输、储存设备以及经营商的管理等花费，如长期滞销势必会放到大气中。

物理性质： 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1976 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。

灭火性能：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。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。

应用工艺：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，可根据具体情况能够实现大流量、连续灌注CO2气体。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进风隅角，或切眼下、上部注CO2 。

储气罐水液汽化器地面井下注浆管采空区埋管注液态二氧化碳工艺流程示意图

注意事项：

1、合理选择CO2气体的类型：CO2气体可分工业级和食品级两大类，工业级CO2气体也能用于防灭火，但是CO气体浓度较高，汽化后最高可达2000-3000ppm，而食品级一般在200-500ppm，虽然CO气体不助燃但如果将含有较高浓度的CO注入采空区，对采空区气体分析会造成一定的影响。总之压注之前必须进行压注气体化验，氧气浓度不得大于1%，其它气体浓度可作为防灭火分析的依据。

2、合理选择释放口：开放式埋管压注CO2气体，释放口到工作

面的距离要有讲究，距离太远效果达不到要求，太近容易溢出。进风侧一般设置两路，出口距工作面分别为50-60米和80-90米为宜，如果无法保证管口到工作面距离时就要埋设3趟管路，每趟管路间隔30-40米陆续拆开，并增加三通阀门，铺设管路至少要增加1-2组三通阀门，来满足压注的压注的灵活性。

3、合理选择压注流量：地面CO2压注装置是靠阀门控制，可根据阀门的开启大小和压力表控制流量，简单的在阀门手柄上做标记，根据埋管的深度来控制流量，当埋管深度超过100米时每小时压注1.2-1.4吨，70米-100时应控制在1吨/小时。

4、使用注浆管时要注意使用前一定要将管内的浆液用水冲洗干净，为避免向采空区内供O2，压注前先选择就近采空区释放管内空气和水，检查到 CO2气体到达之后再进行压注。

5、监测监护：压注的毕竟是气体，理论上讲在正常回采时包括窒息带都会有气体流动，在采空区压注CO2气体时势必会挤出采空区的空气，所以工作面回风隅角、回风流、支架后方都是监控地点，一旦发现回风流中有害气体超标时应及时停止压注工作。

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