煤礦安全技術(shù)防范
采空區(qū)滯留干冰防止遺煤自燃技術(shù)簡(jiǎn)介
一、采空區(qū)滯留干冰防止遺煤自燃機(jī)理
干冰是二氧化碳的固相狀態(tài)，不透明的塊狀結(jié)晶，呈雪白色，無光澤。在一個(gè)大氣壓下，干冰的溫度為-78.9℃；常溫下，干冰直接升華為二氧化碳?xì)怏w，而不會(huì)變?yōu)橐后w。干冰的密度約為1500~1700kg/m3，由不同的加工方式?jīng)Q定。
干冰降溫作為一種有效的降溫冷卻方法，能夠比其他方法更快的降低周圍溫度，效果明顯，可靠度高。干冰已被廣泛的用于食品冷藏、人工降雨、生物制藥、消防滅火等行業(yè)中。
由于干冰自身的物理化學(xué)性質(zhì)，以及二氧化碳?xì)怏w對(duì)煤物理吸附氧過程的抑制作用，應(yīng)用干冰進(jìn)行遺煤自燃的防治，具有特殊的優(yōu)勢(shì)。干冰防止遺煤自燃的機(jī)理主要體現(xiàn)在冷卻、覆蓋隔氧、吸附惰化三個(gè)方面。
1、干冰冷卻機(jī)理
干冰在常壓的溫度為-78.9℃，其汽化潛熱為573kJ/kg。干冰具有很大的吸熱能力，是一種優(yōu)秀的冷卻劑。干冰的吸熱能力是水冰的2倍，且遠(yuǎn)大于液氮的吸熱能力。干冰由-78.9℃升華為0℃的二氧化碳?xì)怏w時(shí)，其吸取的熱量為636KJ/kg；而液氮由-196℃升華為0℃的氮?dú)鈺r(shí)，吸收的熱量?jī)H為420KJ/kg，僅為干冰吸收熱量的三分之二。因此，同質(zhì)量的干冰和液氮，干冰能夠吸收更多的熱量用于升華，而能更快的降低周圍環(huán)境的溫度。
利用干冰的冷卻作用，將其應(yīng)用于采空區(qū)，防止遺煤自燃的發(fā)生。其主要作用機(jī)理為：
將干冰放入采空區(qū)后，干冰由于自身的升華作用，吸收大量的熱量，使周圍的空氣甚至遺煤的溫度迅速下降，在采空區(qū)中形成以放置干冰的為中心的低溫區(qū)。由于熱交換的作用，低溫區(qū)不斷的吸收周圍環(huán)境的熱量，使低溫的區(qū)域不斷擴(kuò)大。
低溫的氣體在采空區(qū)中滲流擴(kuò)散，低溫氣體會(huì)和發(fā)生氧化的煤產(chǎn)生熱交換，不斷的將煤氧化產(chǎn)生的熱量帶走。干冰的存在使采空區(qū)內(nèi)的遺煤散失掉的熱量大于自身氧化生成的熱量，破壞了遺煤蓄熱升溫的條件，使遺煤的溫度不能因升高而出現(xiàn)高溫點(diǎn)，縮小了采空區(qū)氧化升溫帶的范圍，控制遺煤自然發(fā)火的發(fā)生。
2、干冰覆蓋隔氧機(jī)理
標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，二氧化碳?xì)怏w的密度為1.96g/l，氮?dú)獾拿芏葹?.25g/l，氧氣的密度為1.43g/l。二氧化碳?xì)怏w的密度約是相同條件下氮?dú)饷芏鹊?.5倍，也遠(yuǎn)大于氧氣的密度。在密閉的空間，二氧化碳、氧氣、氮?dú)獾然旌蠚怏w長(zhǎng)期處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，在自身重力的作用下，二氧化碳?xì)怏w會(huì)逐漸下沉降到該空間底部，混合氣體會(huì)出現(xiàn)一定的濃度分層。
采空區(qū)是一個(gè)特殊的空間，由于遺煤氧化升溫，使采空區(qū)劃分為自燃“三帶”，即散熱帶、氧化升溫帶和窒息帶。散熱帶漏風(fēng)量大，漏風(fēng)風(fēng)速大于0.24m/min，煤氧化的產(chǎn)生的熱量被漏風(fēng)帶走；而氧化升溫帶漏風(fēng)量很小，漏風(fēng)風(fēng)速為0.1~0.24m/min，煤氧化產(chǎn)生的熱量大于散失的熱量；窒息帶的漏風(fēng)量幾乎沒有，漏風(fēng)風(fēng)速小于0.1m/min，煤因缺氧而不能氧化升溫。
3、干冰吸附惰化機(jī)理
干冰升華后的二氧化碳釋氣體，在漏風(fēng)流的帶動(dòng)下，通過滲流擴(kuò)散充滿采空區(qū)。由于煤對(duì)二氧化碳的吸附能力和速度都大大優(yōu)于其它氣體，且吸附較穩(wěn)定，隨著壓力升高，其選擇性吸附能力增加。因此，當(dāng)存在一定濃度的二氧化碳時(shí)，二氧化碳會(huì)與氧氣爭(zhēng)奪活性點(diǎn)，勢(shì)必會(huì)影響煤氧吸附過程。
二氧化碳對(duì)煤氧吸附的影響主要體現(xiàn)在物理吸附階段，煤表面有殘余力場(chǎng)需要吸附氣體分子時(shí)，二氧化碳分子會(huì)擠占氧分子而優(yōu)先吸附在煤表面，占據(jù)氧吸附的空位，由于二氧化碳吸附穩(wěn)定，大量的二氧化碳分子被煤吸附，對(duì)煤體形成包裹，使氧吸附量減少，進(jìn)而減少煤氧的化學(xué)吸附和化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致煤體因缺氧而停止氧化，抑制煤氧化自燃的發(fā)生。
二、該技術(shù)的應(yīng)用
本技術(shù)由北京科技大學(xué)研發(fā)，北京戴德清洗服務(wù)有限公司協(xié)作，在山西某礦進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，通過干冰儲(chǔ)存釋放裝置將干冰放置到采空區(qū)后，干冰升華成氣態(tài)二氧化碳，降低采空區(qū)溫度，同時(shí)二氧化碳抑制采空區(qū)浮煤氧化自燃，有效防止采空區(qū)遺煤自燃的發(fā)生。
在該礦多個(gè)工作面進(jìn)行的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)表明，滯留干冰技術(shù)防滅火效果明顯，技術(shù)簡(jiǎn)單易操作，成本低廉，具有較大的應(yīng)用前景。
