CO2滅火技術(shù)在開灤集團(tuán)公司的應(yīng)用實(shí)踐

周鳳增

(開灤集團(tuán)公司,河北唐山063000)

摘　要:介紹了CO2滅火機(jī)理及其在開灤集團(tuán)公司某礦2937工作面滅火過程中的應(yīng)用實(shí)踐,并闡述了其有效性和不足之處。

關(guān)鍵詞:CO2;滅火;實(shí)踐

中圖分類號(hào):TD75+3.3　　　文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:B　　　文章編號(hào):1003-496X(2006)05-0023-04

　　開灤(集團(tuán))有限責(zé)任公司是國有特大型煤炭企業(yè),企業(yè)始建于1878年,至今已有120多年的開采歷史。開灤(集團(tuán))公司所屬礦區(qū),地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜,各礦之間瓦斯分布差別較大,目前所屬11個(gè)礦業(yè)公司中,唐山、趙各莊礦業(yè)公司為高瓦斯和瓦斯突出礦井,林西、呂家坨礦業(yè)公司深部為高瓦斯區(qū)域,范各莊、荊各莊、林南倉、錢家營、東歡坨礦業(yè)公司存在局部瓦斯涌出異常區(qū);各礦井煤塵均具有爆炸危險(xiǎn)性或較強(qiáng)爆炸危險(xiǎn)性;各礦井開采煤層均有煤層自然發(fā)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(tuán)公司的安全形勢(shì)趨于好轉(zhuǎn)并穩(wěn)定在較好水平?！耙煌ㄈ馈惫ぷ饕踩〉昧钊瞬毮康某煽?。在防治自燃火災(zāi)方面,由于采取灌漿、均壓、灌注凝膠以及高分子材料等技術(shù)手段,2000年以來的自燃火災(zāi)次數(shù)與“九五”相比明顯減少。但是,不容忽視的事實(shí)是,由于管理漏洞造成的自燃火災(zāi)間或有之。

2005年先后有兩個(gè)礦發(fā)生火災(zāi)事故。由于采取滅火措施得當(dāng),方化險(xiǎn)為夷。不斷引進(jìn)和使用的滅火新技術(shù),使我們受益匪淺,使用二氧化碳發(fā)生器滅火就是一例。

1　CO2性能機(jī)理

(1)CO2的火區(qū)抑爆性機(jī)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(dāng)CO2達(dá)到一定濃度時(shí),它大量吸收可爆氣體初期氧化反應(yīng)所生成的熱量,同時(shí)不斷擴(kuò)大氧分子與可燃?xì)怏w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(dāng)CO2氣體與可爆氣體混合比例達(dá)一定值時(shí),即CO2濃度達(dá)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(shí),隨著CO2濃度升高O2濃度相應(yīng)的地降低,當(dāng)O2濃度降至14.6%以后,火區(qū)進(jìn)入失爆狀態(tài)。當(dāng)火區(qū)惰化并處于失爆狀態(tài)下,即使瓦斯?jié)舛冗_(dá)到爆炸界限范圍內(nèi)也不會(huì)發(fā)生瓦斯爆炸現(xiàn)象。

(2)CO2的火區(qū)滅火機(jī)理。CO2滅火主要有2種作用:①窒熄滅火?；饏^(qū)內(nèi)灌注CO2后,隨著CO2濃度升高,O2濃度相應(yīng)的地降低,當(dāng)O2濃度<11.5%時(shí),明火即可撲滅,同時(shí)火區(qū)因缺氧而窒息滅火。在火區(qū)內(nèi),由于著火點(diǎn)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(duì)流,灌注CO2后,因CO2密度大在對(duì)流作用下向著火點(diǎn)流動(dòng),使得火區(qū)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(duì)CO2的吸附能力最強(qiáng),優(yōu)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(xù)燃燒,其阻燃效果特別明顯。

(3)CO2惰氣滅火特點(diǎn)。①CO2滅火適應(yīng)于內(nèi)、外因火災(zāi),即可撲滅由人為或其它事故引起的火災(zāi),又可撲滅由自燃引起的火災(zāi),特別是適用撲滅采空區(qū)隱蔽火災(zāi)。以灌漿滅火方法撲滅采空區(qū)火災(zāi)時(shí),因灌漿恐難以達(dá)到火源位置,所以該法滅火往往失效,CO2等惰氣滅火就不會(huì)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(shè)備和精密、昂貴儀器的火災(zāi),滅火后不會(huì)對(duì)儀器設(shè)備造成污染性的損失。

2　CO2發(fā)生裝置

濃硫酸和碳酸氫銨反應(yīng)能產(chǎn)生大量的、純凈的CO2。CO2發(fā)生器是使上述2種化學(xué)物品充分混合并使其發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)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(fā)生器示意圖,其構(gòu)成包括反應(yīng)器、控制閥、壓力平衡管、安全閥、壓力表等。

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

3　滅火實(shí)踐

開灤集團(tuán)公司某礦2937工作面采空區(qū)于2005年6月19日發(fā)生內(nèi)因火災(zāi)。工作面的通風(fēng)系統(tǒng)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(qū)雖已封閉但未灌漿處理,截至2005年6月, 3個(gè)采面采空區(qū)內(nèi)遺留煤暴露在空氣中的時(shí)間為7~12個(gè)月,均已超出自然發(fā)火期,已具備自然發(fā)火的潛在危險(xiǎn)性;3個(gè)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(nèi)在因素;3個(gè)采面停采線與進(jìn)風(fēng)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(xiàn)縫隙,構(gòu)成數(shù)條并聯(lián)漏風(fēng)通道。通過該漏風(fēng)通道持續(xù)不斷地向停采線老塘區(qū)域供氧,致使停采線遺留浮煤聚熱升溫,最終導(dǎo)致采空區(qū)自然發(fā)火。

隨著火勢(shì)的發(fā)展,老空區(qū)內(nèi)發(fā)生的自燃火災(zāi)逐漸地向漏風(fēng)通道的逆風(fēng)流方向發(fā)展和蔓延,而火災(zāi)氣體則向漏風(fēng)通道的順風(fēng)流方向泄漏。由于漏風(fēng)流逆方向O2濃度較高,必然會(huì)使火勢(shì)逐漸向供風(fēng)源頭方向發(fā)展,于是2005年6月19日在東三面進(jìn)風(fēng)順槽相對(duì)應(yīng)的進(jìn)風(fēng)上山處發(fā)現(xiàn)了明火。

通過對(duì)火區(qū)內(nèi)火災(zāi)態(tài)勢(shì)及瓦斯爆炸危險(xiǎn)性分析,確定用CO2發(fā)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(qū)內(nèi)火災(zāi)態(tài)勢(shì)

火區(qū)回風(fēng)側(cè)采樣點(diǎn)設(shè)在2937采區(qū)12#煤層上石門西正硐臨時(shí)密閉內(nèi)。自6月19日發(fā)現(xiàn)火情之日起至注入CO2惰氣之前,火災(zāi)氣體檢測(cè)結(jié)果如表1、表2所示。

　　由表1、表2數(shù)據(jù)可以看出,所檢測(cè)的標(biāo)志性火災(zāi)氣體CO、C2H4、C2H6濃度均緩慢上升,同時(shí),火災(zāi)氣體溫度亦不斷地增高,說明火區(qū)內(nèi)火災(zāi)態(tài)勢(shì)正在繼續(xù)發(fā)展和蔓延。

3.2　火區(qū)爆炸危險(xiǎn)性分析

該礦火區(qū)氣體的方法有2種:一種是常規(guī)的人工檢測(cè)方法,另一種是氣相色譜儀分析方法,2種方法同時(shí)采用,以確保檢測(cè)工作的萬無一失。自6月19日發(fā)現(xiàn)火情的時(shí)間起至6月24日16:58開始灌注CO2惰氣之前,2種檢測(cè)方法所得到的O2濃度均>12%,已達(dá)到瓦斯爆炸所需的O2濃度要求,只要火區(qū)內(nèi)瓦斯?jié)舛冗_(dá)到爆炸限范圍之內(nèi),就極有可能發(fā)生瓦斯爆炸事故。CH4濃度是否進(jìn)入爆炸濃度范圍,可根據(jù)瓦斯檢測(cè)結(jié)果來判斷。從表1和表2所列的2種檢測(cè)方法所得出的瓦斯檢測(cè)值有較大的差異,雖然數(shù)據(jù)均呈上升趨勢(shì),但CH4濃度相差懸殊,其中,人工檢測(cè)的CH4濃度值為4.1%~6.9%之間,平均5.5%,已進(jìn)入瓦斯爆炸下限的濃度范圍;但是,氣相色譜儀分析結(jié)果最大CH4濃度值僅為2.12%,遠(yuǎn)低于爆炸下限濃度,至少還有50%的安全系數(shù)。顯然,以2種方法檢測(cè)結(jié)果來判斷火區(qū)爆炸危險(xiǎn)性的結(jié)論截然不同,前一種檢測(cè)方法表明具有爆炸危險(xiǎn)性,而后一種檢測(cè)方法卻沒有爆炸危險(xiǎn)性。為了有效地防止瓦斯爆炸,本著對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)采取就高不就低的原則,以人工檢測(cè)方法所得出的CH4濃度作為依據(jù),對(duì)火區(qū)進(jìn)行了瓦斯爆炸的危險(xiǎn)性的鑒別,并得出結(jié)論:該礦2937火區(qū)具有瓦斯爆炸的危險(xiǎn)性。下一步采取注入CO2的措施達(dá)到抑爆滅火的目的。

3.3　CO2用量和H2SO4及(NH4)HCO3的用量計(jì)算(1)C02用量計(jì)算。根據(jù)C02的抑爆、滅火機(jī)理,C02注入量≥V×23%。其中,23%為C02抑爆、滅火濃度;V為火區(qū)空間預(yù)測(cè)體積,m。

(2)H2SO4及(NH4)HCO3的用量計(jì)算(在不考慮漏風(fēng)的情況下)。

根據(jù)化學(xué)反應(yīng)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(fēng)和其它因素影響,實(shí)際準(zhǔn)備量應(yīng)留有富余系數(shù)。

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(jié)束,總共持續(xù)了49 h,。在此期間保持連續(xù)取樣化驗(yàn)。從化驗(yàn)結(jié)果看,注入CO2對(duì)火區(qū)的惰化效果非常明顯,注入結(jié)束前O2濃度已下降至3%左右,此時(shí)CO2含量為42%。但是,當(dāng)連續(xù)注入8 h后其惰花效果方顯現(xiàn)出來,說明受漏風(fēng)影響較大,同時(shí)也說明化學(xué)藥品質(zhì)量不穩(wěn)定、操作不熟練、經(jīng)驗(yàn)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(shí)火區(qū)內(nèi)的02含量急劇下降到了3%,因此CO含量的上升不會(huì)有爆炸的危險(xiǎn)。根據(jù)分析,CO上升的原因可能是CO2經(jīng)過災(zāi)區(qū)內(nèi)熾熱燃料表面分解的結(jié)果。下降是火勢(shì)得到抑制的信號(hào)。

通過以上分析,我們感到火區(qū)已得到抑爆,而且從C2H4濃度的變化上可以明顯看出火勢(shì)已得到抑制并趨于好轉(zhuǎn)。因此,決定從回風(fēng)石門(原來擔(dān)心爆炸不敢進(jìn)入)實(shí)施灌漿進(jìn)一步滅火。

5　幾點(diǎn)體會(huì)

(1)氣體檢測(cè)和化驗(yàn)是關(guān)鍵。一是檢測(cè)火區(qū)內(nèi)災(zāi)害氣體參數(shù)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(zāi)采用2種數(shù)據(jù)對(duì)比使用。用便攜式儀器儀表檢測(cè)數(shù)據(jù)方便快捷,但數(shù)據(jù)可能受空氣高溫、煙塵和濕度的影響誤差較大,可臨時(shí)參考;用色譜儀化驗(yàn)氣樣雖然慢一些但數(shù)據(jù)準(zhǔn)確,可信度高。

(2)各種氣樣檢測(cè)中,CH4是關(guān)鍵指標(biāo),但用便攜式測(cè)試結(jié)果要比色譜儀化驗(yàn)結(jié)果大的多,而且進(jìn)入爆炸范圍。這在當(dāng)時(shí)引起恐慌,也叫人費(fèi)解,到底什么原因?兩者有沒有比例關(guān)系或其它關(guān)系?還需要進(jìn)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(diǎn)應(yīng)在發(fā)生器操作的自動(dòng)化方面做工作,減少員工體力消耗,同時(shí)保證CO2產(chǎn)生和輸送的連續(xù)性。另外在產(chǎn)氣量上,有待進(jìn)一步提高,力爭從設(shè)計(jì)上達(dá)到500~1 000 m3/h。

(4)在發(fā)生器的結(jié)構(gòu)、材質(zhì)、體積和質(zhì)量上應(yīng)進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì),做到方便運(yùn)輸、便于操作。

(5)保證濃硫酸和碳酸氫銨的質(zhì)量非常重要。這次滅火中使用的藥品質(zhì)量不穩(wěn)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(xiàn)場(chǎng)連接等方面,要科學(xué)計(jì)算,要保證質(zhì)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(yōu)點(diǎn)很多,但其遇高溫產(chǎn)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(yè)大學(xué)通風(fēng)與安全專業(yè)畢業(yè),2001年10月中國礦業(yè)大學(xué)北京校區(qū)碩士研究生畢業(yè),現(xiàn)任開灤集團(tuán)公司安全副總工程師,曾發(fā)表論文多篇。

(收稿日期:2006-03-20;責(zé)任編輯:郭瑞年)