| 郝慧君：浅析煤矿井下一氧化碳来源 及治理对策 | |||
| 煤炭资讯网 | 2022/4/16 13:45:43论文、言论 | ||
摘要：煤矿井下一氧化碳异常是发生煤层自燃的先兆，将会严重威胁矿井安全生产工作，本文基于近期部分煤矿频发的一氧化碳超限报警事故进行原因调查与分析解决，可供有同样情况矿井借鉴交流。 在煤矿井下，CO是引起瓦斯爆炸的主要气体之一。一氧化碳既有还原性，又有氧化性，能发生剧烈氧化反应（燃烧反应）、歧化反应等；同时具有毒性，较高浓度时能使人出现不同程度中毒症状，危害人体的脑、心、肝、肾、肺及其他组织，甚至电击样死亡，目前煤矿井下一氧化碳气体最高允许值不能超过0.0024%，也就是24个ppm。 一、煤矿井下一氧化碳主要来源： 1、煤体自身层隙、裂隙中的一氧化碳随采动释放以及煤体的缓慢氧化也会释放一氧化碳； 2、井下出现火区(外因火灾)或瓦斯、煤尘爆炸时，一氧化碳浓度会迅速上升；另外直接用水灭火，灼热的炭与水蒸气发生水煤气反应，也会有大量一氧化碳生成； 3、单轨吊车、矿用轮胎式防爆装载机或者无轨胶轮车等装备由于采用柴油机作为动力，且经常运行于井下封闭受限空间，空气流通不如地面通畅，导致排放的尾气十分容易引起一氧化碳集聚污染； 4、采掘工作面的爆破作业：传统火工品爆破作业后会生成大量一氧化碳，这部分一氧化碳是导致一氧化碳传感器超限报警的主要诱因，也是困扰大部分煤矿井下安全生产的一大难题。 二、治理对策分析及合理化设想 1、煤体采动过程中，层隙、裂隙中释放出的一氧化炭，量一般不会太大，可以通过调节增大风量来避免超限报警；在采掘作业过程中，煤体的缓慢氧化很难避免，这一过程不仅会降低煤炭热值，还会释放大量一氧化碳，并使巷道温度升高，加剧煤体的缓慢氧化，形成恶性循环。对于这一情况，我们可以从以下几点着手治理： （1）对暴露在空气中的煤壁进行喷浆处理，加强支护强度的同时，将煤体封闭隔绝，使煤体处于缺氧状态，最大限度的阻断了其与氧气的接触，进而避免其缓慢氧化； 弊端：常用的喷浆揹施包括喷射混凝土和化学材料，其中化学材料多为聚氨酯泡沫。传统的混凝土材料喷涂巷道，作业操作困难，喷浆流量小，水泥、砂子等材料的运输量大，不易于井下施工，而且喷浆后的巷道不仅容易出现离层，还容易风化龟裂，后期维护困难；使用化学材料进行喷浆作业，成本昂贵，只适用于局部封堵，大范围应用较困难，而且采用化学材料喷浆还会对地下水资源造成一定的污染。 （2）增加洗巷频次，在清除巷帮煤尘避免发生煤尘爆炸的同时实现了巷道的降温增湿，较低温度的水在流经煤体时，吸收了煤壁氧化产生的热量，可以减缓煤升温的速度和降低周围介质的温度，使煤的氧化因聚热条件的破坏而延缓或终止，从而实现减少释放一氧化碳的过程； 弊端：频繁洗巷易导致工作面或巷道低洼处形成积水坑。因此，在加强洗巷工作的同时，也要制定相应的排水措施。 （3）加强井下通风配风管理的同时向回采工作面注入惰性气体，如氮气。充注氮气后，采空区内的氧气浓度下降，氮气部分地替代氧气进入到煤体裂隙表面，与煤的微观表面进行交换吸附，从而使得煤表面对氧气的吸附量减少，在很大程度上抑制或减缓了煤的氧化作用，另外大量的氮气可使采空区内形成正压，从而使得采空区的漏风量减少，使遗煤处于缺氧环境中而不易氧化，最终实现减少一氧化碳生成的目的。 弊端：氮气的密度略小于空气，容易流失。因此，在注氮的同时，要加强巡检，必须保持注氮管路畅通不漏气，才能达到预期效果。 2、对于井下火区（外因火灾）或者煤尘、瓦斯爆炸引起的一氧化碳超限问题，我们可以从以下几点着手进行治理。 （1）对于井下火区引起一氧化碳超限主要以预防为主。 ①使用不燃性、阻燃性材料支护填充。如井口房、井架和井口建筑物、进风井筒、回风井筒、平硐、主要生产水平的井底车场、主要巷道的连接处、井下主要硐室和采区变电所等，都尽可能在岩层中开凿或采用不燃性材料进行支护和填充。 ②设置防火门。在进风井口和进风的平硐口都应安设防火门，以防止井口火灾和附近的地面火灾波及到井下；进风井与各生产水平的井底车场的连接处都应设置防火门。要定期检查防火门的质量和灵活性。 ③设置消防材料库。为了迅速有效地扑灭矿井火灾，必须在井口附近设置消防材料库；井下每个生产水平的主要运输大巷中也应设置消防材料库，储备消防器材，并备有消防列车。灭火材料、工具的品种和数量必须满足矿井灭火时的需要。灭火时消耗的材料和工具应及时补足。消防材料库中材料和工具，平时不准挪作他用。井下的水泵房和采区变电所中都要配备足够的灭火器材。电气火灾和油料火灾，不能用水扑灭，而应该采用岩粉或沙子扑灭。发生电气火灾时，应首先拉闸断电。 ④设置消防水池。井下必须修建消防水池，可用上一水平的水仓做消防水池。井下各主要巷道中应铺设消防水管，每隔一定距离要设消防水龙头。 （2）预防外因火灾引起一氧化碳超限的措施有： ①预防明火。井口房和通风机房附近20米内禁止烟火，也不准用火炉取暖。严禁携带烟草、引火物下井，井下严禁吸烟。井口房和井下不准从事电焊、气焊或用喷灯焊接工作，如果一定要在井下进行焊接时，每次必须制定专项安全措施，经会审由矿领导批准并有专人在现场跟班检查和监督，而且要求事先清楚附近的易燃物品，备足消防用水、沙子、灭火器等，并随时检查瓦斯和煤尘浓度。 ②井下硐室内不准存放汽油、煤油或变压器油。井下使用的润滑油、棉纱和布头等必须集中存放，定期送到地面处理。 ③预防爆破作业引火。井下爆破作业只允许根据不同条件使用相应等级的煤矿许用安全炸药。严格执行一炮三检和三人连锁爆破制度，不准放糊跑，严禁用煤块、煤粉、炮药纸等易燃物代替炮泥，且需采用正向装药以免出现明火引发火灾或爆炸。 ④预防电气引火。要正确选用易熔断丝（片）和漏电继电器，以便电流短路、过负荷或接地时能及时切断电源。不准带电检修、搬迁电气设备。 ⑤预防摩擦生火。应做好井下机械运转部分的保养维护工作，及时加注润滑油，保持其良好的工作状态，防止因摩擦生热而引起火灾。 ⑥预防火焰蔓延。井下应使用绝缘电缆或不燃橡套电缆、阻燃输送带。国内外多次发生过带式输送机火灾事故，造成众多人员伤亡和财产损失。其发火原因是：输送带为非阻燃胶带，驱动滚筒与胶带间过度打滑，托辊不转，胶带跑偏与机架摩擦，转换地点积煤过多，胶带被积煤压住造成过载等。为避免带式输送机火灾，必须使用阻燃输送带；必须装设驱动轮防滑保护、烟雾保护、温度保护和堆煤保护装置；必须装设防跑偏装置、过速保护、过电流和欠电压保护、过载保护和输送带脱槽保护等装置；保证安装质量，加强维护、改善装载条件等。为测报和扑灭带式输送机的火灾，必须安装带式输送机火灾测报和灭火系统。 （3）预防煤尘爆炸引起一氧化碳超限的措施 ①减、降尘。减、降尘是指在生产过程中，通过减少煤尘产生量或降低空气中悬浮煤尘含量，以达到从根本上杜绝煤尘爆燃爆炸生成大量一氧化碳的可能性。为达到这一目的，很多矿井采取了以煤层注水为主的多种防尘手段。煤层注水是采煤工作面最重要的防尘措施之一，在回采之前预先在煤层中打若干钻孔，通过钻孔注入压力水，使其渗入煤体内部，增加煤的水分，从而减少煤层开采过程中煤尘的产尘量。另外采掘、钻眼机械都要带水作业，采掘过程中工作面所有喷雾洒水设备都要开启，转载机、破碎机、带式输送机等也要加装喷雾淋水装置。 ②防止煤尘引燃。对一切非生产必须的热源，要坚决禁绝。生产中可能发热的热源，必须严加管理和控制，防止它的发生或限制其引燃引爆煤尘的能力。引燃煤尘的火源有明火、放炮、电火及摩擦火花四种。针对这四种火源，应采取下列预防治理措施： 首先严禁携带烟草和点火物品入井。井口房、通风机房附近20米。不得有烟火或用火炉取暖；井下和井口房内不得从事电、气焊、喷灯焊接以及角磨机切割打磨工作，如果必须在井下主要硐室、主要进风巷和井口房内进行电焊、气焊、和喷灯焊接，角磨机切割机等切割打磨工作，必须制定专项安全技术措施并由矿领导组织会审，且安排现场跟班监管，并遵守《煤矿安全规程》规定；矿灯应完好，否则不得发出，严禁在井下拆开、敲打、撞击矿灯；严格管理井下火区。 其次井下爆破作业都必须使用安全等级符合规定的煤矿许用炸药和煤矿许用电雷管。在使用煤矿许用毫秒延期电雷管时，最后一段的延期时间不得超过130ms。 井下使用的电气设备和机械、供电网络都必须符合最新版《煤矿安全规程》规定。井下不得带电检修、搬迁电气设备（包括电缆和电线）；井下防爆电气设备的运行、维护和修理工作，必须符合防爆性能的各项技术要求。防爆性能受到破坏的电器设备，应立即处理或更换，不得继续使用；井下供电应做到：无“鸡爪子”，“老鼠洞”“羊尾巴”、无明接头；有过电流和漏电保护，有螺栓和弹簧垫，有密封圈和档板，有接地装置，电缆悬挂整齐、防护装置全，绝缘用具全，图纸资料全；坚持使用检漏断电器和局部通风机风电闭锁装置。 最后防止机械摩擦火花引燃引爆煤尘。此外煤尘在特别干燥的条件下可产生静电，放电时产生的火花也能自身引爆。所以要定期对井下巷道进行冲刷洗巷灭尘。 ③隔绝煤尘爆炸。防止煤尘爆炸危害，除采取防尘措施外，还应采取降低爆炸威力、隔绝爆炸范围的措施。如清除落尘。防止沉积煤尘参与爆炸，可有效的降低爆炸威力，使爆炸由于得不到煤尘补充而逐渐熄灭，还可以在巷道内设置隔爆水棚。 （4）预防瓦斯爆炸引起一氧化碳超限的措施 ①防止瓦斯积聚。所谓瓦斯积聚是指局部瓦斯浓度超过2%，体积超过0.5立方米的现象。为了防止瓦斯积聚，每一矿必须从生产技术管理上尽量避免出现盲巷，临时停工地点不准停风，并加强通风系统管理，严格执行瓦斯检查制度，及时安全地处理积聚瓦斯。对于瓦斯异常大量涌出，采用正常通风解决瓦斯问题仍达不到要求时，应提前对瓦斯进行抽放。 ②防止瓦斯引燃。具体要求与前文防止煤尘引燃措施基本相同。 ③防止瓦斯爆炸范围扩大。 3、对以柴油发动机为动力的单轨吊车、装载机、无轨胶轮车尾气排放引起的一氧化碳超限问题，可以考虑从如下几点着手治理： （1）完善燃料的燃烧过程 柴油机为动力的单轨吊车等机械设备内燃机的燃烧进程直接影响其尾气中一氧化碳的含量，保障燃烧过程的完善，真正实现室、油、气的高度匹配，是促使尾气中一氧化碳含量不超标的关键措施。 ①采用控制排放系统来针对喷油系统的喷油进行控制，能够在主喷油时刻使得喷油系统增加喷油量，从而有效减少扩散燃烧时间；此外通过提升喷油压力，增强燃料雾化效果不仅能够有效提升空气的利用率，保障燃烧进行得更为快速、彻底，同时由于针对喷雾质量进行了有效的优化，能够从本质方面减少一氧化碳气体的排放量； ②优化柴油燃烧室的结构，由于燃烧室的实际集合参数、形状不同，最后的燃烧过程与排放过程也会存在明显的差异性。因此，在进行燃烧室优化的过程中，应当尽可能采用排放相对较低的燃烧系统。由于二次涡流可以进一步推动主燃烧室当中的混合器形成与燃烧，有效减少局部高温缺氧的情况，其CO排放量也明显低于直喷式； ③优化进气系统，应用组合活塞、多气门技术、可变涡流进气系统以及谐振进气系统能够有效减少单轨吊机车的废气排放量。 ④优化排气系统，设计可更换U型螺旋式双层排气筒，U型排气管底部为氯化亚铜吸收液，上部管壁设计为蜂巢状，并在双层管壁间加入霍加拉特等一氧化碳吸收剂或其它清洁剂，尽可能吸收尾气中一氧化碳气体。 （2）改进燃料或寻求替代燃料 ①向燃料中添加催化助燃剂，使油料尽可能充分燃烧。助燃可有效降低燃烧活化能，使油品中不可燃的胶质也能充分燃烧，从而达到降低一氧化碳气体排放的功效。 ②使用替代燃料或混合燃料。现阶段，柴油的替代用燃料主要包含生物柴油、碳酸二甲酯DMC）、二甲醚 DME）、乙醇、甲醇、氢气、液化石油气CPG）以及液化天然气CNG）等。二甲醚 DME）是最近几年以来最受关注的柴油机代用燃料，其具有良好的自燃性，能够当作单燃料来替代柴油，可以达成发动机柔和、高效压缩燃烧的目的，并且其具备与柴油机相当的经济性能与动力性能，更为关键的优势在于二甲醚DME）可以彻底解决尾气问题，废气排放超低，有害气体的排放数量仅仅只有燃烧原始柴油的7成左右。 （3）改变动力来源。 以晋能控股煤业集团朔州煤电王坪煤业公司为例，随着我矿采深加大、采场延伸，运输线路不断拉长，柴油单轨吊机车只能满足采区内材料周转需要，不仅能耗高、尾气污染严重，需风量大，而且在迎头一百米内的物料运输仍然采用人工搬运方式。我们可以对柴油单轨吊进行改造升级，利用现有单轨吊运输系统，搭载加装一台75KW的矿用防爆电机作为动力源，将电气控制、单轨吊原液压驱动融为一体，这样就可以从根本上解决尾气中一氧化碳超限问题。 4、对于井下火工品爆破产生的炮烟引起一氧化碳气体超限问题，可以从以下几方面着手治理： （1）首先根据作业地点煤岩性质，合理设计炮眼布置、科学计算火工品使用量，尽可能做到不超量使用，并且尽可能采取多打眼放小炮的方式作业，延长每两次起爆的时间间隔，在爆破作业时加大工作面风量。其次要严格落实炮眼封堵制度，按规定封堵长度将炮眼堵死封实，让炸药尽可能充分燃烧反应，将一氧化碳气体生成量降到最低； （2）利用化学试剂吸收火工品爆炸反应生成的一氧化碳气体： ①在目前使用的水泡泥基础上，将原有灌装物自来水改成氯化亚铜水溶液。火工品引爆瞬间，水炮泥袋中的氯化亚铜水溶液在爆炸气体的冲击作用下能形成一层水幕，不仅可以起到降低爆温、降尘、缩短爆炸火焰延续时间的作用，还可以反应吸收炮烟中的一氧化碳气体。 反应式如下： 2CuCl + 2CO + 2H2O====[Cu2Cl2（CO）2·2H2O] （氯化亚铜水溶液吸收一氧化碳气体、并生成复合物氯化羰基亚铜） ②在不改变药卷与封堵物填装顺序的前提下，在引药前端加入少量铜粉。由于铜及其化合物在高温环境下会与碳、一氧化碳、氧气、高温水蒸气等发生一系列循环反应，该反应过程整体为放热过程，可以一定程度上增加火工品爆炸威力，并且反应可以消耗掉大量一氧化碳，所以加入铜粉可以实现爆炸过程的“一增一减一平衡”（即增强爆破威力、减少硝铵炸药使用量、吸收平衡一氧化碳气体）。反应过程大致如下：
2Cu+O2=2CuO，CO+CuO=Cu+CO2，C+2CuO=2Cu+CO2
（注：该方案思路为山西大同大学化工学院教授谢海博士提供，因条件所限，目前无法进行井下现场试验，故暂无更详实精准数据）。 （3）使用先进的替代工艺，取代传统火工品爆破技术： ①二氧化碳气体爆破。二氧化碳气体在一定的高压下可转变为液态，通过高压泵将液态的二氧化碳压缩至圆柱体容器（爆破管）内，装入破裂片、导热棒和密封圈，拧紧合金帽即完成了爆破前的准备工作。将爆破管和起爆器及电源线携至爆破现场，把爆破管插入钻孔中固定好，连接起爆器电源。当微电流通过高导热棒时，产生高温击穿安全膜，瞬间将液态二氧化碳气化，急剧膨胀产生高压冲击波致泄压阀自动打开，被爆破物品或堆积物受几何级当量冲击波向外迅猛推进，从起爆至结束整个过程只需0.4毫秒，且是低温下运行，不产生任何有害气体，不产生电弧和电火花，不受高温、高热、高湿、高寒影响。最重要的是，在井下进行二氧化碳气体爆破对瓦斯具有稀释作用，无震荡，无粉尘，无一氧化碳气体等有害气体产生，有爆破能量可控、可重复使用、操作维护简单等多种优点。 ②利用液压机具爆破大块孤石。目前常用于巷道掘进，破岩的液压劈裂机械主要有液压劈裂机、劈裂棒。 劈裂机的结构组成与工作原理：劈裂机的结构主要是由液压站、输油管、劈裂枪、契片等组成。按动力站类型可分为：电动型、柴油型、汽油型、气动马达四种。按分裂枪材质可分为：钢制分裂枪与铝合金分裂枪两种。其工作原理为：由液压站供给60Mpa的压力油到劈裂枪上，劈裂枪可产生几十吨的推力，推动契片向两边扩张，扩张力可达几百吨，从而使煤岩从内部劈裂而分离开。 劈裂棒结构组成与工作原理：液压劈裂棒是由高强度材料制成的多组超高压缸体、5~8个活塞顶等部件组成。高压油管连接超高压工作油站，形成一套完整的液压系统。系统通过开裂和复位来实现煤、岩的爆破（破裂）过程。作业前先在爆破目标上打眼，后将劈裂棒放入炮眼，进油时劈裂棒活塞顶部伸出，系统压力可达160兆帕，理论分裂力为5000~11000T，煤岩受活塞顶部力开裂，回油时(复位)活塞顶部回收复位。通常被破碎煤岩抗压强度高，但抗拉强度低。静态爆破是利用其抗拉强度低的特点进行。 使用液压机具进行爆破作业，安全性能高，作业效率高，不会产生任何有毒有害气体，且适用性强，可以在煤矿井下用于巷道掘进或一些特殊爆破作业。
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