使用液態(tài)二氧化碳對(duì)礦井煤層火災(zāi)進(jìn)行防治，需解決的關(guān)鍵問題是應(yīng)用工藝。

1）系統(tǒng)及工藝構(gòu)成

液態(tài)CO₂防滅火系統(tǒng)由地面液態(tài)CO₂槽車、汽化器、控制裝置（流量、壓力、溫度）和輸氣管等構(gòu)成。液態(tài)CO₂由專門的運(yùn)輸設(shè)備從化工廠運(yùn)至礦井，在地面將液態(tài)CO₂直接汽化成CO₂氣體（或氣液兩相流），經(jīng)注漿管路輸送到滅火地點(diǎn)，選擇適合的釋放口位置注入到火區(qū)（見圖1）。

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系統(tǒng)工作流程：從運(yùn)送二氧化碳槽車上壓出的液體經(jīng)過壓力調(diào)節(jié)，流量控制后進(jìn)入汽化器，汽化器置入水箱內(nèi)，水箱內(nèi)的水由電加熱，汽化器吸收熱量以后，將其管內(nèi)流動(dòng)的液體變成氣體，經(jīng)過儲(chǔ)氣罐和流量、壓力、溫度等控制裝置通過注漿管路送到用氣地點(diǎn)。系統(tǒng)裝備見圖2，工作流程見附圖。

系統(tǒng)主要參數(shù)如下：

①運(yùn)輸（由廠家負(fù)責(zé)）：地面低溫運(yùn)輸槽車每車最大可儲(chǔ)運(yùn)20噸液態(tài)CO₂；

②出口壓力：>0.6Mpa；

③產(chǎn)氣量：1000~2000m³/h；

④出口溫度：>-10℃；

⑤輸送距離：>5km；

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⑥系統(tǒng)尺寸：4m×4m×3.5m。

該液態(tài)CO₂防滅火系統(tǒng)具有穩(wěn)定性好、操作簡(jiǎn)便、連續(xù)可調(diào)等優(yōu)點(diǎn)，符合現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際應(yīng)用。地面低溫運(yùn)輸槽車每車最大可儲(chǔ)運(yùn)20噸的液態(tài)CO₂；液態(tài)CO₂溫度在-18~-20℃左右；出口壓力最高可達(dá)2Mpa；系統(tǒng)產(chǎn)氣量為1000~2000m³/h；輸送距離可達(dá)10km，能實(shí)現(xiàn)大流量壓注液態(tài)CO₂迅速熄滅火區(qū)的效果。

2）液態(tài)二氧化碳的來(lái)源和儲(chǔ)運(yùn)

液態(tài)二氧化碳的來(lái)源一般是礦井附近的化工廠，當(dāng)?shù)V井需要時(shí)，用專門的運(yùn)輸設(shè)備從化工廠運(yùn)到礦井，再用不同的方式輸送到滅火地點(diǎn)。液態(tài)二氧化碳的貯存系統(tǒng)可分為高壓和低壓兩種，高壓系統(tǒng)的貯存壓力為5.17Mpa，貯存器中二氧化碳的溫度與貯存地點(diǎn)的環(huán)境溫度有關(guān)，因此，容器必須能夠承受最高預(yù)期溫度時(shí)所產(chǎn)生的壓力；低壓系統(tǒng)的貯存壓力為2.07Mpa，貯存容器內(nèi)的二氧化碳滅火劑溫度利用絕緣和制冷手段被控制在-18℃~ -20℃。

從化工廠向礦井運(yùn)輸液態(tài)二氧化碳主要有兩種設(shè)備，一是專用的低溫槽車，槽車主要由貯槽、經(jīng)改裝后的汽車、操作箱、低溫液體泵、增壓氣和金屬軟管組成，其中貯槽采用真空粉末絕熱，或高真空多層絕熱，蒸發(fā)損失小，安全可靠，但是其價(jià)格高，體積大，只能在地面運(yùn)輸使用。二是常溫高壓儲(chǔ)氣瓶（罐），由一個(gè)承壓容器和必要的充裝、釋放接口及安全裝置組成，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，可以直接運(yùn)輸?shù)骄轮鸬攸c(diǎn)附近釋放滅火，使用方便，但是其要求承壓高，并且充滿率不高（容積的60%），撲滅礦井自然火災(zāi)時(shí)，由于惰氣用量較大，所以儲(chǔ)氣瓶（罐）的用量多。充裝氣瓶時(shí)需要將氣瓶運(yùn)到化工廠，運(yùn)輸、吊裝過程中不安全因素多，另外，高壓儲(chǔ)氣瓶（罐）作為一種壓力容器，日常管理麻煩。

根據(jù)液態(tài)二氧化碳的性質(zhì)和國(guó)家有關(guān)規(guī)程、標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范的要求，常溫高壓儲(chǔ)存，運(yùn)輸時(shí)，其儲(chǔ)存罐的工作壓力不得低于15Mpa，儲(chǔ)存1萬(wàn)m³液態(tài)二氧化碳約投資10萬(wàn)元，制造成本高，并且充裝液態(tài)二氧化碳只能將儲(chǔ)存罐運(yùn)到化工廠充裝。采用低溫小罐儲(chǔ)運(yùn)時(shí)，其運(yùn)輸、釋放都有嚴(yán)格的要求，一旦保溫層損壞極易造成爆炸事故。采用小儲(chǔ)存罐裝運(yùn)液態(tài)二氧化碳到井下火災(zāi)地點(diǎn)附近滅火，顯然充裝、運(yùn)輸、安全管理及儲(chǔ)存罐的日常管理都較麻煩，不宜采用。

根據(jù)亭南煤礦的實(shí)際情況，液態(tài)CO₂可從陜西興平化工廠購(gòu)買，每噸價(jià)格（含運(yùn)費(fèi)）約1000元。

興平化工廠現(xiàn)有車輛低溫運(yùn)輸槽車中液態(tài)二氧化碳在－18~－20℃的壓力為2Mpa，這種壓力和溫度的流體，根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB8163《輸送流體用無(wú)縫鋼管》的規(guī)定，可以直接用礦井現(xiàn)有的注漿或壓風(fēng)管路向滅火地點(diǎn)輸送，但是井下管路常溫是25℃左右，輸入－20℃的二氧化碳后溫度降低45℃，管路將收縮，經(jīng)計(jì)算，溫度降低45℃，350m長(zhǎng)的管路約收縮157mm，如此的伸縮量井筒及鉆孔中的管路難以承受，極有可能被拉斷。應(yīng)采用汽化器將液態(tài)的二氧化碳汽化升溫后，再注入管路系統(tǒng)，較為安全可靠。

3）液態(tài)二氧化碳的注入方法

目前，各國(guó)利用液態(tài)二氧化碳防滅火，采用的注入方法基本上有以下兩種：

①將液態(tài)二氧化碳直接注入火區(qū)

波蘭在地面將液態(tài)二氧化碳裝入專用的礦車貯槽，然后輸送到井下使用地點(diǎn)，再將礦車貯槽接至壓送設(shè)備，液態(tài)二氧化碳通過增壓器（氣瓶）或自身汽化壓力，沿管路壓入火區(qū)。這種方法中，液態(tài)二氧化碳從-20℃的溫度注入火區(qū)內(nèi)，蒸發(fā)吸熱，降溫效果好，冷卻火區(qū)的能力大，滅火效果好，其缺點(diǎn)是：需使用專用的低溫設(shè)備將液態(tài)二氧化碳運(yùn)輸至井下，灌注流量受限。

②將液態(tài)二氧化碳在地面上汽化為二氧化碳?xì)怏w（或氣液兩相流）

將液態(tài)二氧化碳在地面上汽化為二氧化碳?xì)怏w，然后通過將管路將二氧化碳?xì)怏w注入火區(qū)。德、蘇聯(lián)等國(guó)將液態(tài)二氧化碳汽化后，通過直徑為100~150mm的壓氣管路、注水管或泥漿管將氣體注入火區(qū)。這種方法的缺點(diǎn)是：二氧化碳冷卻作用相對(duì)較小，輸送管路長(zhǎng)，其優(yōu)點(diǎn)是：即沿管路輸送二氧化碳比往井下輸送液態(tài)二氧化碳方便，且流量大，因而通常采用這種方法較多。

根據(jù)亭南煤礦的實(shí)際情況下，將液態(tài)二氧化碳直接運(yùn)輸?shù)綔缁鸬攸c(diǎn)附近，難度大，注入量小，不易管理。因此，采用將二氧化碳在地面釋放，經(jīng)汽化后通過注漿管路壓注到火區(qū)，運(yùn)輸方便，可以實(shí)現(xiàn)大流量、連續(xù)的灌注二氧化碳。

4）液態(tài)二氧化碳釋放口的選擇

向火區(qū)注CO₂氣體時(shí)，為減少耗CO₂氣體量，快速滅火，要根據(jù)火區(qū)的條件、火源的位置，選擇最佳二氧化碳釋放口位置，選擇原則是使CO₂氣體在火區(qū)內(nèi)用最短的路線到達(dá)火點(diǎn)，沖淡火區(qū)氧氣含量，對(duì)火區(qū)進(jìn)行惰化和降溫。

回采工作面向采空區(qū)注二氧化碳防滅火的方法一般有兩種：打鉆注二氧化碳和埋管注二氧化碳。前種方法是利用火區(qū)附近的巷道向火區(qū)打鉆，利用鉆孔向火區(qū)注入二氧化碳。當(dāng)對(duì)采空區(qū)火點(diǎn)掌握較為準(zhǔn)確時(shí)，還可利用區(qū)段運(yùn)輸集中巷，在火點(diǎn)附近集中巷內(nèi)作一段3～5m的小石門，在石門內(nèi)打鉆孔，通過鉆孔向火區(qū)注入惰氣。后一種方法是將注二氧化碳管路埋設(shè)在工作面進(jìn)風(fēng)順槽或靠近火區(qū)其它巷道，根據(jù)火源的位置，二氧化碳?xì)忉尫趴诳刹贾迷诠ぷ髅孢M(jìn)風(fēng)端頭采空區(qū)，或切眼下部和上部。

壓注二氧化碳用于處理回采工作面采空區(qū)自燃發(fā)火時(shí)，要認(rèn)真封堵其可能的漏風(fēng)點(diǎn)，通過施工鉆孔向采空區(qū)注二氧化碳時(shí)，采空區(qū)應(yīng)注意觀察二氧化碳的流向，工作面配風(fēng)要能夠沖淡二氧化碳的濃度。

5）液態(tài)二氧化碳的汽化設(shè)備

將液態(tài)二氧化碳轉(zhuǎn)化成氣態(tài)，一般都得使用汽化器，可歸納成以下幾種：

①室溫汽化器：即利用空氣溫度將液態(tài)二氧化碳轉(zhuǎn)化成氣態(tài)。在室溫20℃時(shí)，汽化流量通常為3m³/min。

②蒸汽加熱汽化器：在礦井地面需要具備鍋爐房和蒸汽車，使用蒸汽將液態(tài)二氧化碳轉(zhuǎn)化為氣態(tài)。

③自帶熱能的汽化器：現(xiàn)代化礦井多數(shù)使用這種汽化器，其種類較多，西德使用以下三種：丙烷加熱水浴汽化器，用丙烷燃燒器直接加熱水浴，汽化能力為100m³/min。另外一種是丙烷加熱螺旋汽化器，是利用炳烷直接加熱螺旋管汽化液態(tài)二氧化碳。還有一種是移動(dòng)式間接的油加熱水浴汽化器，是裝在拖車上的水浴式汽化器，本身帶有獨(dú)立的燃燒油的水加熱器。

6）輸氣管

液態(tài)二氧化碳在地面汽化向井下輸送時(shí)，在很多情況下，可使用礦井中現(xiàn)有的風(fēng)管、水管、注漿管或者井下瓦斯抽放管。急需時(shí)，上述管路在我國(guó)礦井中都不難解決，當(dāng)?shù)V井現(xiàn)有管路另有別用時(shí)不能用于滅火或沒有獨(dú)立的管路時(shí)，可以備用專門管路。西德煤礦中備用這樣的管路，直徑為150mm，每節(jié)為20~30m，使用時(shí)必須持牢固，防止抖動(dòng)，一直接到密閉墻或分支管上，并與滅火噴嘴接通。

在井下汽化時(shí)，礦車貯槽直接將液態(tài)二氧化碳輸送到火區(qū)附近巷道內(nèi)，再用一段專用管從礦車貯槽接至火區(qū)。該管需是銅鋁管或不銹鋼管，管徑為50~70mm，在管外加纏絕熱保護(hù)層，以保持低溫，冷卻火區(qū)。還有的用雙層無(wú)縫鋼管，外管徑為50mm，內(nèi)管徑為25mm，兩管之間抽真空，每根10m左右。

在亭南煤礦可使用井下的注氮管網(wǎng)來(lái)實(shí)現(xiàn)CO₂的輸送，將液態(tài)CO₂經(jīng)水液汽化器汽化成CO₂氣體（或氣液兩相流）向井下輸送。

①開始向火區(qū)注惰氣前，必須用惰氣沖洗整個(gè)管道，并用氧氣鑒定器不斷測(cè)定管道排氣中的氧氣濃度，只有當(dāng)排氣中不含有氧氣時(shí)，才能向火區(qū)注惰氣。

②在火區(qū)排氣過程中，回風(fēng)側(cè)CO和瓦斯?jié)舛葘⒃黾?，因此事先?yīng)切斷回風(fēng)側(cè)一切電氣設(shè)備的電源，并禁止人員通行。

③為控制耗二氧化碳量及回風(fēng)側(cè)CO和瓦斯?jié)舛?，?yīng)根據(jù)需要及火區(qū)熄滅程度調(diào)節(jié)注二氧化碳量。

④CO₂與灼熱材料接觸時(shí)，可能放出氧氣，在這種情況下能產(chǎn)生大量的CO氣體，1955年捷克一煤礦用CO₂滅火時(shí)，結(jié)果產(chǎn)生CO，致使根據(jù)氣體分析來(lái)確定火災(zāi)造成了困難和差錯(cuò)，因此，利用指標(biāo)氣體確定火區(qū)情況應(yīng)有所變化。

1）所有參加施工人員應(yīng)認(rèn)真學(xué)習(xí)本措施，地面人員操作必須在廠家技術(shù)人員指導(dǎo)下操作。

2）注CO₂前要仔細(xì)檢查注漿管路系統(tǒng)，包括管路聯(lián)接是否完好，閘閥是否已經(jīng)開啟，發(fā)現(xiàn)問題及時(shí)匯報(bào)處理。

3）第一次運(yùn)行前，必須對(duì)地面惰氣防滅火裝置試運(yùn)轉(zhuǎn)，并經(jīng)礦組織驗(yàn)收合格后方可投入使用。

4）為防止管路漏氣，注惰前先灌水作打壓試驗(yàn)，即關(guān)閉出口閥門，在地面緩慢灌水，在主井下井口安排專人觀察壓力表示值，壓力1-2MPa整個(gè)管路不漏水為準(zhǔn)。試驗(yàn)過程中必須保持通訊聯(lián)系暢通，防止管路承壓過大損壞。

5）實(shí)施連續(xù)注CO₂施工。實(shí)施注惰時(shí)要及時(shí)記錄、數(shù)量、時(shí)間、操作人員簽字。

6）注CO₂開始運(yùn)行，管路中空氣應(yīng)放空，CO₂濃度達(dá)不到97%不得向密閉內(nèi)壓注，同時(shí)應(yīng)有人注意觀察放二氧化碳口的下風(fēng)側(cè)氧氣濃度。

7）巡查管路人員要注意巷道頂幫情況，巷幫支護(hù)不好地段嚴(yán)禁長(zhǎng)時(shí)間停留。

8）凡管路系統(tǒng)流經(jīng)地點(diǎn)（全風(fēng)壓通風(fēng)地點(diǎn)）其巷道配風(fēng)不少于200m³/min。

9）注CO₂結(jié)束后對(duì)注漿管路檢查，如果管路受到熱脹冷縮的影響而發(fā)生損壞，及時(shí)匯報(bào)并處理。

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