灌注液态CO2防灭火技术在煤矿井下封闭区域灭火的实践应用

灌注液态 CO2防灭火技术在煤矿井下封闭区域灭火的实践应用

袁博 孙俊杰 张宝富

开滦（集团）唐山矿业公司救护中队 063000

摘 要：

煤矿井下火灾事故是煤矿重大灾害事故之一，危害之大众所周知。本文主要阐述灌注液态CO₂防灭火技术、工艺在井下7250、7270区域巷道灭火的实践应用。

关键词：

液态CO₂；灭火；封闭区域；气体监测

液态CO₂密度随温度变化而改变，-37℃时的密度约为1101kg/m³，汽化热为137kcal/kg，在温度15℃和1个大气压下，1吨液态CO₂体积膨胀约640倍。

一、CO₂防灭火作用原理

在防灭火的工作实践中，惰气是指不参与燃烧反应的单一或混合的窒息性气体，其中可能含有少量的氧气。最常见的防灭火惰气有N₂和CO₂。CO₂防灭火的实质是向封闭区域氧化带内或火区内注入一定流量的CO₂，使其氧含量降到10%或3%以下，从而达到防火、灭火和抑制瓦斯爆炸发生的目的。其作用有：

（一）、减少漏风的作用

从理论上讲，封闭区域注入CO₂后增加了其注入空间内混合气体的总量，能够减少封闭区内外之间的压力差，从而起到减少封闭区外部向内部漏风的作用。

（二）、防止煤的自燃发热和自燃

煤炭自燃的三要素是：煤有自燃倾向性；有连续的供氧条件；热量易于积聚。采取向封闭区氧化带内注入一定流量的CO₂，降低该氧化带内的氧气含量，达到破坏煤炭自燃的一个要素，使其氧含量降到煤的自燃临界值以下，就达到了防止煤炭自燃的目的。

（三）、降温作用

当采用CO₂灭火时，因注入封闭区域的CO₂的温度低于火区的气体温度，加之CO₂在注入火区后的流动范围大，对封闭区来说都有显著的降温作用。

（四）、消除瓦斯爆炸的危险

煤矿井下一旦出现火灾，危害最大的是导致其内混合气体的爆炸。由混合气体爆炸三角形可知，混合气体中氧含量低于12%时就有减小爆炸的可能性。从这一理论出发，向火区注入CO₂后使其氧含量降低，而且只要氧含量低于10%时，就能大大地减少爆炸的可能性。

（五）、降低燃烧强度

当火灾已经发生，向火区内注入一定流量（大于漏风量）的CO₂，使该区内的氧含量由21%逐渐降低到10%以下，火灾就会逐渐自熄。

二、液态CO₂灌注工艺及流程

汽化水箱

CO₂防灭火主要采取封闭区域现场灌注方式，自化工厂运来的液态CO₂罐车，在地面灌注到2m³液态灌内运至井下封闭区域现场，通过高压管路连接到气化器入口后予以减压、加温转化为气态，转化后的CO₂经过稳压器后由预先敷设好的管路压入井下密闭内火区，从而达到防灭火的目的。液态CO₂灌内压力必须保证在1MPa以上，管路连接必须是牢固可靠，远距离输送时稳压器必须放置终端（密闭前）。

示意图：

封闭区灌注

管路CO₂

管路CO₂

液态CO₂

稳压器

汽化器

稳压器

三、7250外因火灾防灭火实践

2019年3月20日，9时许，公司老生产区域7250回风上山巷道发生火灾事故。

（一）、形成火灾原因初步分析

由于气候原因，这期间由于气候干冷，井下各个巷道非常干燥，每年10月份至次年的3月份是井下火灾高发期，尤其是老生产区域的巷道，更容易发生火灾事故。

这次火灾事故，初步判定为外因火灾事故。7250巷道为棚式支护，插背乱料均为桦树，经过多年风化已经糟朽，局部呈粉末状；巷道底鼓严重，多处行人困难；生产区域离7250副巷较近，受采动影响板炮频繁发生，对7250副巷造成很大压力，对棚子与卡揽连接造成压力，棚子之间互相揣袖，造成摩擦打火引燃插背乱料，导致火灾事故形成。初期着火位置在过7250风门上山大约130米左右，当救护队10点多到达现场侦查发现，火源范围大约7-8米。

（二）、直接灭火

受现场灭火条件影响，错过了火灾初期用水直接灭火的最佳灭火时期。现场组织用水、用泡沫灭火，在经过两天三夜的直接灭火，灭火的效果不理想，从起初火源位置大概只推进30多米。

而且火源范围随着风向蔓延很快，而且距着火点8米处巷帮左侧板闭被烧毁，密闭里已经着火，通过灌浆控止住密闭里的火势；由于上顶经过高温后喷水冷却，岩层粉碎，出现掉吊现象，给救灾人员造成不安全因素。距离起火点向上大约30米左右有一小井，巷帮右侧是砖闭，左侧是一小硐，小洞内已着火， 次日6时左右，右侧砖闭坍塌，密闭内视线不清。正硐向上10米左右能够看见明火，救灾人员处理前方明火出现四个不利问题：

①、坍塌密闭口瓦斯浓度不断上升；

②、上顶掉吊严重；

③、呼吸器面罩有雾气、照明不够影响视线，观测困难；

④、水量不足，管路滞后。

上述情况给救援工作造成很大困难，使之难以向前推进。

（三）、封闭灭火

为防止7250、7270、8280区域火趋势进一步发展而导致无法控制，救援指挥部接受救护队、通风区建议，决定进行远距离灭火封闭。封闭后，救护队负责对7250、7270两个地点进行火区监护，并采取永久性封闭并向封闭区域灌注CO

₂为主的防灭火措施：

①、在7250下口采取封闭，对整个砖墙全面喷浆封闭并灌浆，使火区与外界隔绝。

②、在7270下口采取封闭，对整个砖墙全面喷浆封闭并灌浆，使火区与外界隔绝。

③、在8280横管采取封闭，对整个砖墙全面喷浆封闭并灌浆，使火区与外界隔绝。

④、在7044副巷打钻孔，直接打至7250巷道，做好灌注CO₂准备。

⑤、在7044副巷通过预先敷设的管路向7250、7270封闭区内连续不断灌注液态CO₂，并由专职气体监测员每班两次通过气体监测管采取密闭内气体样品进行分析。

（四）、气体监测

7250、7270封闭之后，由救护中队实施灌注液态C0₂工程，经过气体监测分析发现，灌注C0₂后1天时间内，封闭区内CO气体浓度略有上升，最高浓度达10000ppm以上。从封闭后的第2天起，CO气体浓度逐步降低，封闭区内氧气含量随之急剧下降，3天后，经监测发现，封闭区内CO气体浓度降至3000ppm左右，在此情况下，经过气体化验分析灌注CO₂两天后，CO气体浓度急剧下降。

为巩固取得的防灭火成果，在救护队连续对封闭区内灌注液态CO₂ （合计约20m³）6天后，采取气体样品分析。在灌入CO₂期间利用束管检测气体变化情况如下：

注入CO₂1天后的气体变化情况表：

气体类别 取样地点	O2(%)	N2(%)	CO(%)	CO2(%)	CH4(%)	C2 H4(%)	C2 H6(%)
7250下口		59.4084	0.7598	39.5280	0.2718	0.0064	0.0256
7270下口		59.2689	0.7609	39.6739	0.2654	0.0062	0.0247
8280横管		59.1198	0.7489	39.8241	0.2580	0.0062	0.0250

注入CO₂3天后的气体变化情况表：

气体类别 取样地点	O2(%)	N2(%)	CO(%)	CO2(%)	CH4(%)	C2 H4(%)	C2 H6(%)
7250下口		48.9607	0.3210	50.4920	0.1989	0.0042	0.0232
7270下口		48.9626	0.3118	50.5050	0.1956	0.0045	0.0205
8280横管		48.9669	0.3234	50.4889	0.1947	0.0043	0.0218

注入CO₂6天后的气体变化情况表：

气体类别 取样地点	O2(%)	N2(%)	CO(%)	CO2(%)	CH4(%)	C2 H4(%)	C2 H6(%)
7250下口		37.2755	0.0539	62.4820	0.1648	0.0037	0.0202
7270下口		37.1879	0.0520	62.5759	0.1611	0.0033	0.0197
8280横管		37.2699	0.0528	62.4922	0.1626	0.0033	0.0192

四、救援成功经验

（1）利用注入液态CO₂进行灭火时，监测CO浓度在灌注初期略有升高，但随着不断注入，CO含量呈逐渐下降的趋势，说明灭火有效。

（2）利用灌注液态CO₂在短时间内将封闭区域内火灾成功扑灭的实践应用，可供在煤矿井下处理自燃发火和封闭区域火灾事故时借鉴。

（3）灌注液态CO₂（低温有冻伤的风险）在井下安全地点进行操作，需专业有经验的工程技术人员进行组织处理。

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