CO2滅火技術在開灤集團公司的應用實踐

周鳳增

(開灤集團公司,河北唐山063000)

摘　要:介紹了CO2滅火機理及其在開灤集團公司某礦2937工作面滅火過程中的應用實踐,并闡述了其有效性和不足之處。

關鍵詞:CO2;滅火;實踐

中圖分類號:TD75+3.3　　　文獻標識碼:B　　　文章編號:1003-496X(2006)05-0023-04

　　開灤(集團)有限責任公司是國有特大型煤炭企業,企業始建于1878年,至今已有120多年的開采歷史。開灤(集團)公司所屬礦區,地質構造復雜,各礦之間瓦斯分布差別較大,目前所屬11個礦業公司中,唐山、趙各莊礦業公司為高瓦斯和瓦斯突出礦井,林西、呂家坨礦業公司深部為高瓦斯區域,范各莊、荊各莊、林南倉、錢家營、東歡坨礦業公司存在局部瓦斯涌出異常區;各礦井煤塵均具有爆炸危險性或較強爆炸危險性;各礦井開采煤層均有煤層自然發火傾向。

多年來,由于采取了多種綜合性的防范措施,開灤集團公司的安全形勢趨于好轉并穩定在較好水平。“一通三防”工作也取得令人矚目的成績。在防治自燃火災方面,由于采取灌漿、均壓、灌注凝膠以及高分子材料等技術手段,2000年以來的自燃火災次數與“九五”相比明顯減少。但是,不容忽視的事實是,由于管理漏洞造成的自燃火災間或有之。

2005年先后有兩個礦發生火災事故。由于采取滅火措施得當,方化險為夷。不斷引進和使用的滅火新技術,使我們受益匪淺,使用二氧化碳發生器滅火就是一例。

1　CO2性能機理

(1)CO2的火區抑爆性機理。CO2氣體具有良好的抑爆性,效果好于N2。其原理是在可爆氣體中混入CO2惰性氣體,可以阻礙活化中心的形成,當CO2達到一定濃度時,它大量吸收可爆氣體初期氧化反應所生成的熱量,同時不斷擴大氧分子與可燃氣體分子接觸的阻礙作用,從而使可爆氣體顯示惰爆性。

隨著CO2濃度的增加,混合可爆氣體的下限微有增加,而爆炸上限則迅速減少。當CO2氣體與可爆氣體混合比例達一定值時,即CO2濃度達到23% ,混合可爆氣體的爆炸上限與下限重合,可爆氣體失去爆炸性。

同時,隨著CO2濃度升高O2濃度相應的地降低,當O2濃度降至14.6%以后,火區進入失爆狀態。當火區惰化并處于失爆狀態下,即使瓦斯濃度達到爆炸界限范圍內也不會發生瓦斯爆炸現象。

(2)CO2的火區滅火機理。CO2滅火主要有2種作用:①窒熄滅火。火區內灌注CO2后,隨著CO2濃度升高,O2濃度相應的地降低,當O2濃度<11.5%時,明火即可撲滅,同時火區因缺氧而窒息滅火。在火區內,由于著火點溫度很高,周圍氣體通過輻射吸熱,造成局部氣體密度變小,形成氣體對流,灌注CO2后,因CO2密度大在對流作用下向著火點流動,使得火區周圍CO2濃度變大,加快滅火;②吸附阻燃。井下空氣如N2、CO2、O2、CH4、CO等氣體成分中,燃燒的煤炭對CO2的吸附能力最強,優先吸附CO2氣體,從而隔斷了氧氣的供給途徑,有效地阻止煤炭繼續燃燒,其阻燃效果特別明顯。

(3)CO2惰氣滅火特點。①CO2滅火適應于內、外因火災,即可撲滅由人為或其它事故引起的火災,又可撲滅由自燃引起的火災,特別是適用撲滅采空區隱蔽火災。以灌漿滅火方法撲滅采空區火災時,因灌漿恐難以達到火源位置,所以該法滅火往往失效,CO2等惰氣滅火就不會存在以上問題;②CO2滅火的無污染性。用CO2滅火特別適用于電器設備和精密、昂貴儀器的火災,滅火后不會對儀器設備造成污染性的損失。

2　CO2發生裝置

濃硫酸和碳酸氫銨反應能產生大量的、純凈的CO2。CO2發生器是使上述2種化學物品充分混合并使其發生反應產生的CO2氣體具備一定的壓力,而后可控釋放的壓力裝置。圖1為MKY-360型CO2發生器示意圖,其構成包括反應器、控制閥、壓力平衡管、安全閥、壓力表等。

　　主要性能指標:CO2濃度不低于98%;溫度不高于30℃;產氣量不低于360 m3/h;產氣壓力為0~0.55 MPa。

3　滅火實踐

開灤集團公司某礦2937工作面采空區于2005年6月19日發生內因火災。工作面的通風系統示意圖如圖2所示。

　　2937工作面煤炭自燃情況:2937東一面于2004年6月10日停采,東二面于10月13日停采,東三面于11月30日停采。以上采空區雖已封閉但未灌漿處理,截至2005年6月, 3個采面采空區內遺留煤暴露在空氣中的時間為7~12個月,均已超出自然發火期,已具備自然發火的潛在危險性;3個已采面停采線附近遺留浮煤較多,加之煤層中含硫量較高,因而具有煤炭自燃的內在因素;3個采面停采線與進風上山之間雖然留有約15 m寬的煤柱,但隔離煤柱受開采影響及礦壓作用下出現縫隙,構成數條并聯漏風通道。通過該漏風通道持續不斷地向停采線老塘區域供氧,致使停采線遺留浮煤聚熱升溫,最終導致采空區自然發火。

隨著火勢的發展,老空區內發生的自燃火災逐漸地向漏風通道的逆風流方向發展和蔓延,而火災氣體則向漏風通道的順風流方向泄漏。由于漏風流逆方向O2濃度較高,必然會使火勢逐漸向供風源頭方向發展,于是2005年6月19日在東三面進風順槽相對應的進風上山處發現了明火。

通過對火區內火災態勢及瓦斯爆炸危險性分析,確定用CO2發生器滅火,并在保證安全的前提下合理安排其它滅火工作。

3.1　火區內火災態勢

火區回風側采樣點設在2937采區12#煤層上石門西正硐臨時密閉內。自6月19日發現火情之日起至注入CO2惰氣之前,火災氣體檢測結果如表1、表2所示。

　　由表1、表2數據可以看出,所檢測的標志性火災氣體CO、C2H4、C2H6濃度均緩慢上升,同時,火災氣體溫度亦不斷地增高,說明火區內火災態勢正在繼續發展和蔓延。

3.2　火區爆炸危險性分析

該礦火區氣體的方法有2種:一種是常規的人工檢測方法,另一種是氣相色譜儀分析方法,2種方法同時采用,以確保檢測工作的萬無一失。自6月19日發現火情的時間起至6月24日16:58開始灌注CO2惰氣之前,2種檢測方法所得到的O2濃度均>12%,已達到瓦斯爆炸所需的O2濃度要求,只要火區內瓦斯濃度達到爆炸限范圍之內,就極有可能發生瓦斯爆炸事故。CH4濃度是否進入爆炸濃度范圍,可根據瓦斯檢測結果來判斷。從表1和表2所列的2種檢測方法所得出的瓦斯檢測值有較大的差異,雖然數據均呈上升趨勢,但CH4濃度相差懸殊,其中,人工檢測的CH4濃度值為4.1%~6.9%之間,平均5.5%,已進入瓦斯爆炸下限的濃度范圍;但是,氣相色譜儀分析結果最大CH4濃度值僅為2.12%,遠低于爆炸下限濃度,至少還有50%的安全系數。顯然,以2種方法檢測結果來判斷火區爆炸危險性的結論截然不同,前一種檢測方法表明具有爆炸危險性,而后一種檢測方法卻沒有爆炸危險性。為了有效地防止瓦斯爆炸,本著對檢測數據采取就高不就低的原則,以人工檢測方法所得出的CH4濃度作為依據,對火區進行了瓦斯爆炸的危險性的鑒別,并得出結論:該礦2937火區具有瓦斯爆炸的危險性。下一步采取注入CO2的措施達到抑爆滅火的目的。

3.3　CO2用量和H2SO4及(NH4)HCO3的用量計算(1)C02用量計算。根據C02的抑爆、滅火機理,C02注入量≥V×23%。其中,23%為C02抑爆、滅火濃度;V為火區空間預測體積,m。

(2)H2SO4及(NH4)HCO3的用量計算(在不考慮漏風的情況下)。

根據化學反應方程式:

2(NH4)HCO3+H2SO4=(NH4)2SO4+2H20+2CO2↑

估算V=400 m3

H2SO4用量: Y=98×0.23×400/(22.4×2)=201.25 kg

(NH4)HCO2: X=186×0.23×400/(22.4×2)=382 kg

考慮漏風和其它因素影響,實際準備量應留有富余系數。

4　注入CO2后的效果分析

注入CO2由6月24日17:00開始,26日18:00結束,總共持續了49 h,。在此期間保持連續取樣化驗。從化驗結果看,注入CO2對火區的惰化效果非常明顯,注入結束前O2濃度已下降至3%左右,此時CO2含量為42%。但是,當連續注入8 h后其惰花效果方顯現出來,說明受漏風影響較大,同時也說明化學藥品質量不穩定、操作不熟練、經驗不足等問題的影響也較大。O2、CO2和CO的濃度變化曲線如圖3、圖4、圖5所示。

6月25日1:00注CO2生效26日18:00停注CO2開始灌漿(粉煤灰),O2急劇下降說明CO2的抑爆效果非常明顯。

　　6月25日1:00注CO2生效26日18:00停注CO2開始灌漿,與O2變化一致。

　　CO濃度于6月25日1:00迅速上升(由1到2,爾后又迅速下降。在注入CO2氣體生效后,在CO上升的同時火區內的02含量急劇下降到了3%,因此CO含量的上升不會有爆炸的危險。根據分析,CO上升的原因可能是CO2經過災區內熾熱燃料表面分解的結果。下降是火勢得到抑制的信號。

通過以上分析,我們感到火區已得到抑爆,而且從C2H4濃度的變化上可以明顯看出火勢已得到抑制并趨于好轉。因此,決定從回風石門(原來擔心爆炸不敢進入)實施灌漿進一步滅火。

5　幾點體會

(1)氣體檢測和化驗是關鍵。一是檢測火區內災害氣體參數的儀器儀表要選好;二是取樣位置和取樣的方式方法要正確。這次火災采用2種數據對比使用。用便攜式儀器儀表檢測數據方便快捷,但數據可能受空氣高溫、煙塵和濕度的影響誤差較大,可臨時參考;用色譜儀化驗氣樣雖然慢一些但數據準確,可信度高。

(2)各種氣樣檢測中,CH4是關鍵指標,但用便攜式測試結果要比色譜儀化驗結果大的多,而且進入爆炸范圍。這在當時引起恐慌,也叫人費解,到底什么原因?兩者有沒有比例關系或其它關系?還需要進一步分析探討。

(3)雖然用這種方式方法滅火獲得成功,但其工藝亟待完善。重點應在發生器操作的自動化方面做工作,減少員工體力消耗,同時保證CO2產生和輸送的連續性。另外在產氣量上,有待進一步提高,力爭從設計上達到500~1 000 m3/h。

(4)在發生器的結構、材質、體積和質量上應進一步優化設計,做到方便運輸、便于操作。

(5)保證濃硫酸和碳酸氫銨的質量非常重要。這次滅火中使用的藥品質量不穩定在一定程度上影響了滅火效果。

(6)在輸送管路管徑的選擇確定及其現場連接等方面,要科學計算,要保證質量。否則,不僅影響

效果而且存在安全隱患。輸送管路管徑盡量要大一些。

(7)盡管CO2滅火優點很多,但其遇高溫產生CO的問題不能小視。

　　作者簡介:周鳳增(1963-),1988年7月中國礦業大學通風與安全專業畢業,2001年10月中國礦業大學北京校區碩士研究生畢業,現任開灤集團公司安全副總工程師,曾發表論文多篇。

(收稿日期:2006-03-20;責任編輯:郭瑞年)