液态二氧化碳在矿井防灭火中的应用

液态二氧化碳在矿井防灭火中的应用CONTENTS目录01矿井防灭火技术概述02液态二氧化碳防灭火技术原理03液态二氧化碳防灭火系统组成04工程应用技术规范CONTENTS目录05典型事故案例分析06安全管理与风险防控07应用案例与效果评估08技术发展趋势与展望01矿井防灭火技术概述矿井火灾的危害与防治意义

人员生命安全威胁矿井火灾会产生高温、有毒烟气，如2024年5月20日兴安煤矿二氧化碳窒息事故造成5人遇难、4人受伤，直接导致人员伤亡。

经济财产重大损失火灾不仅破坏井下设备设施，还会影响生产连续性，兴安煤矿事故直接经济损失达958.87万元，同时面临罚款及生产中断等间接损失。

引发次生灾害风险火灾可能引发瓦斯、煤尘爆炸等次生灾害，扩大事故影响范围，如煤炭自燃产生的CO等气体达到一定浓度易引发爆炸，威胁矿井整体安全。

保障煤矿安全生产的核心环节有效防治矿井火灾是落实“安全第一，预防为主、综合治理”方针的必然要求，能降低事故发生率，确保煤矿生产系统稳定运行，维护矿工生命健康与企业可持续发展。传统防灭火技术对比分析惰性气体防灭火技术主要包括氮气和二氧化碳，通过降低火区氧气浓度至8%以下实现灭火。氮气常态浓度97%-98%，降温效果差，灭火周期长；液态二氧化碳因气化吸热和强吸附性，灭火效率更优，煤对其吸附量是氮气的10倍。阻化剂防灭火技术通过喷洒阻化剂（如氯化钙、氯化镁等）覆盖煤体表面，抑制煤氧复合反应。但需持续喷洒，对采空区深部及复杂空间覆盖不均，且可能对设备造成腐蚀。胶体防灭火技术利用高分子材料形成凝胶封堵裂隙、包裹煤体，兼具降温与隔绝氧气作用。但制备工艺复杂，成本较高，且在高温下易失效，对大面积火区处理效率有限。三相泡沫防灭火技术由水、发泡剂和惰性气体组成，可堆积覆盖火源，兼具降温、惰化和封堵功能。但泡沫稳定性受环境影响大，在漏风通道易破裂，需持续补充，操作难度较高。惰性气体防灭火技术发展现状主流惰性气体介质应用情况当前煤矿惰性气体防灭火以氮气和二氧化碳为核心介质，其中液态二氧化碳因气化吸热（346.1kJ/kg）和强吸附性（煤体吸附量为氮气的10倍），在降温惰化性能上更具优势，已成为高瓦斯矿井和自燃发火煤层的优先选择。技术规范与协同应用要求国家《煤矿防灭火技术规范》明确规定开采易自燃煤层必须建立注惰性气体系统，要求惰性气体浓度不低于97%，并需与泡沫等技术协同使用，以解决单一气体覆盖范围有限的问题，如二氧化碳泡沫覆盖面积较纯气态应用可扩大3.8倍。装备体系与技术创新方向现有装备体系包含制氮机组（产气量≥1000m³/h）、液态CO₂储运罐（工作压力2.16MPa）、智能调控系统及多参数监测仪，技术发展趋向智能化与自动化，如GIS定位与自动配比功能集成，同时高效安全性能提升和绿色可持续成为重要研发方向。行业应用覆盖率与典型案例截至2021年，国内煤矿注惰系统覆盖率较2015年提升37个百分点，77%的井工煤矿采用该技术。典型案例包括珙泉煤矿使用KRM-1200型装置治理2272采空区自燃，快速消除C₂H₄等指标气体；徐庄矿通过液态CO₂直注技术使工作面CO浓度降至安全值以下。02液态二氧化碳防灭火技术原理液态二氧化碳的物理化学特性

基本物理性质液态二氧化碳在常温常压下为气态，无色略带酸味，分子量44.01g/mol，沸点-78.5℃，临界温度31.3℃，临界压力7.28MPa。

密度与膨胀特性液态二氧化碳密度随温度变化较大，-20℃时密度约1.01kg/L；在15℃、0.1MPa下，1t液态二氧化碳汽化后体积膨胀约640倍，可快速充满封闭空间。

气态密度与覆盖能力气态二氧化碳相对空气比重为1.529，密度1.976kg/m³（0℃，0.1MPa），因其密度大于空气，易在低洼处聚集，惰化覆盖效果显著。

热学特性液态二氧化碳汽化时吸收大量热量，汽化潜热为346.1kJ/kg，能迅速降低火区温度，抑制煤氧复合反应，兼具降温与惰化双重作用。

化学稳定性与安全性二氧化碳不燃不助燃，化学性质稳定，对设备无腐蚀性，灭火后无残留；但高浓度时会导致氧气浓度降低，需注意人员窒息风险。灭火机理：窒息与降温双重作用

窒息作用：快速稀释氧气浓度液态二氧化碳汽化后体积膨胀约640倍（15℃，0.1MPa），可迅速降低火区氧气浓度至12%以下，破坏燃烧条件。如珙泉煤矿2272采空区注CO₂后，氧气浓度降至8%，有效抑制遗煤自燃。

降温作用：吸收大量汽化潜热液态CO₂汽化时吸收346.1kJ/kg热量，能快速降低火区温度。兴安煤矿事故中，泄漏的液态CO₂使管路结霜，环境温度骤降，验证其强降温特性。

吸附阻化：抑制煤氧复合反应煤体对CO₂的吸附能力是氮气的10倍，可优先占据煤表面活性位点，减缓氧化反应。徐庄矿应用表明，注CO₂后采空区CO浓度下降480ppm，乙烯等指标气体消除。与氮气防灭火技术的性能对比灭火效率对比液态二氧化碳因气化吸热（346.1kJ/kg）和强吸附性，降温及惰化效果更优；氮气常态比热小，降温效果差，灭火周期较长。覆盖范围与渗透能力对比液态二氧化碳汽化后可充满复杂空间，适用于采空区深部、高冒区等复杂地点；氮气覆盖范围相对有限，需与泡沫等技术复合使用以弥补不足。安全性与环保性对比两者均为惰性气体，不污染环境；但二氧化碳密度大于空气（相对比重1.529），需警惕局部区域高浓度聚集导致窒息风险，氮气则无此明显沉降特性。经济性对比同等重量下，液态二氧化碳取材容易，价格通常低于氮气；氮气制备需专用制氮机组，初期设备投入及能耗成本相对较高。03液态二氧化碳防灭火系统组成存储与运输设备技术要求

储罐技术参数要求液态二氧化碳储罐需满足工作压力≥2.16MPa，容积通常为20-50m³，且容器充满率不得大于0.95，严禁过量充装，以确保存储安全。

输送管道材质与耐压标准输送管道应采用耐低温材料，如DN50不锈钢管，耐压强度≥1.6MPa，法兰连接需使用符合低温要求的密封件，避免低温脆化破损。

槽车安全操作规范槽车充灌时需设立20m警戒区，充灌前检查制动状态并关闭发动机，充灌后及时离开；装卸搬运应轻装轻卸，严禁铁锤敲打冻结部件。

安全装置与仪表配置储罐及槽车需配备禁油压力表、安全阀、防爆装置（材质为不锈钢、铜或铝且需脱脂去油），使用前应用无油干燥空气或氮气吹扫管路。输送管路系统设计规范管路材质选择标准必须采用耐低温专用材料，如不锈钢，以适应液态二氧化碳的低温特性。严禁使用不符合耐低温要求的普通碳钢材质，如兴安煤矿事故中使用的20#碳钢注浆管路。密封与连接要求法兰连接应使用耐低温密封垫片，禁止使用普通橡胶垫片。管路连接前需进行严格的打压试验，确保密封性能，防止低温脆化破损导致泄漏。耐压强度规范管路系统耐压强度需≥1.6MPa，以满足液态二氧化碳输送的压力要求，保障系统运行安全。管路布置与安装应根据矿井实际情况设计合理的管路走向，避免复杂弯曲。安装过程中需固定牢固，防止振动损坏。灌注前需用无油干燥空气或氮气吹扫管路，去除水分和杂质。监测与控制系统关键组件

气体浓度监测装置用于实时监测采空区及巷道内氧气、一氧化碳、二氧化碳等气体浓度，当氧气浓度低于12%或二氧化碳浓度超过4%时触发报警，为防灭火决策提供数据支持。

温度传感系统通过布置在易发火区域的温度传感器，实时监测煤体温度变化，当温度异常升高时及时预警，以便及早采取防灭火措施。

流量与压力控制设备包括流量控制阀、压力表等，用于精确控制液态二氧化碳的注入流量和压力，确保注入过程稳定，避免因流量过大或压力过高导致管路破裂等问题。

自动报警与联动装置当监测到气体浓度、温度等参数超过设定阈值时，自动发出声光报警信号，并可联动启动液态二氧化碳喷射装置或切断相关区域电源，实现快速响应。04工程应用技术规范采空区注入工艺参数设计注入压力控制标准

系统稳压应控制在1.6～2.0MPa，灌注前需用气相二氧化碳吹扫管路，稳压至1.6～1.8MPa，确保管路密封性。注入流量与时长设定

根据采空区体积计算注入量，通常1m³液态CO₂可汽化为640m³气体（15℃，1个大气压），需结合火区规模分阶段调整流量，避免局部压力骤升。钻孔布置与深度要求

钻孔应穿透至采空区氧化带，深度需覆盖浮煤集中区域，如珙泉煤矿2272采空区灭火中，通过钻孔直达火区核心，有效降低CO浓度并消除C₂H₄等指标气体。安全间隔与协同作业规范

严禁与密闭喷浆等其他作业同时进行，灌注期间需设置20m警戒区，作业人员需佩戴专用防护装备，实时监测氧气及CO₂浓度，确保安全间隔符合《煤矿安全规程》要求。钻孔布置与施工技术要求

01钻孔布置原则依据火区位置与范围设计钻孔，采空区火灾宜从地面布置直达高温区的钻孔；井下局部火区可结合巷道走向设置多组钻孔，确保覆盖所有氧化自燃区域。

02钻孔参数设计钻孔直径通常为50-100mm，孔深需穿透至火区核心区域，间距根据液态CO₂扩散半径确定，一般为5-10m；珙泉煤矿2272采空区灭火中，钻孔终孔位置精准对应遗煤富集区。

03施工工艺要求采用专用钻机施工，钻孔垂直度偏差≤1°，终孔后需进行耐压测试（压力≥2.0MPa）；孔口安装高压阀门及压力表，确保与液态CO₂输送管路可靠连接，防止泄漏。

04特殊区域处理措施高冒区或裂隙发育带钻孔需采用套管加固，必要时注入凝胶封堵孔壁缝隙；对已封闭的盲巷区域，钻孔应避开通风死角，与局部通风机保持安全距离≥10m。注气流程与安全操作要点01标准注气工艺流程注气前需进行管路吹扫，采用气相二氧化碳将系统稳压至1.6～1.8MPa；灌注阶段系统稳压控制在1.6～2.0MPa；结束后再次用气相二氧化碳吹扫管路，确保残留液态CO₂彻底清除。02设备连接与检查要求必须使用专用耐低温管路及密封材料，连接前检查法兰接口垫片完好性，严禁使用橡胶垫片等不耐低温材质。鹤岗兴安煤矿事故中，因违规使用注浆管路橡胶垫片，导致低温脆化泄漏。03作业现场安全管控注气期间严禁平行作业，需设置20米警戒区，非作业人员撤离至逆风方向。作业面必须配备专职瓦检员，每30分钟监测CO₂浓度，当浓度超过1.5%时立即停止作业并撤离。04应急处置与防护措施操作人员必须佩戴隔绝式呼吸器，配备备用气瓶。发现泄漏时立即关闭储罐及分路器阀门，采用70-80℃无油热空气解冻冻结部件，严禁明火或铁锤敲击。05典型事故案例分析兴安煤矿"5·20"二氧化碳窒息事故

事故基本情况2024年5月20日，黑龙江龙煤集团鹤岗矿业公司兴安煤矿发生较大二氧化碳窒息事故，造成5人遇难、4人受伤，直接经济损失958.87万元。该矿核定生产能力270万吨/年，主要开采容易自燃和自燃煤层。

事故直接原因在处置回撤工作面采空区自然发火隐患过程中，违规使用注浆管路灌注液态二氧化碳，管路连接密封橡胶垫片低温脆化、破损，液态二氧化碳泄漏产生高浓度二氧化碳气体，导致作业人员窒息伤亡。

事故暴露出的主要问题一是综合防灭火措施落实不到位，未按规定封闭工作面、撤除传感器、注阻化剂；二是未进行风险辨识，违规使用非专用管路且与喷浆同时作业；三是未按规定安设传感器和检查气体；四是出现征兆未报告且迟报事故。

事故调查处理情况对23名相关责任人员追责问责，其中兴安煤矿12人、鹤岗矿业公司9人、龙煤集团2人分别受到党纪政务处分、行政罚款、吊销资格等处理。兴安煤矿被处185万元罚款并暂扣安全生产许可证。事故直接原因与技术缺陷分析

违规使用非专用灌注管路事故中违规使用原注浆管路（20#碳钢材质，法兰连接，橡胶垫片密封）灌注液态二氧化碳，该管路非专用耐低温管路，导致橡胶垫片在低温下脆化破损，造成液态二氧化碳泄漏。

防灭火措施落实不到位工作面未按规定在45天内进行永久性封闭，回撤期间违规撤除一氧化碳传感器，未按规定对工作面及两巷注阻化剂，采空区遗留大量顶煤，自燃风险增加。

违规平行作业与现场管理缺失在灌注液态二氧化碳过程中，违规安排人员同时进行密闭墙喷浆作业，且现场无通风系统副区长以上干部协调指挥，液态二氧化碳泄漏后迅速气化扩散，导致作业人员窒息伤亡。

气体监测与应急处置失效工作面封闭后未按规定安设一氧化碳传感器，未有效监测巷道内气体情况；出现一氧化碳浓度快速上升并出现乙烯等自然发火征兆后未及时上报，事故发生后存在迟报情况。责任认定与教训启示事故责任主体及处理结果兴安煤矿12人（矿长、总工程师等）、鹤岗矿业公司9人（董事长、总经理等）、龙煤集团2人（安监局监察处长等）共计23人被追责，涉及党纪政务处分、罚款、吊销资格等；兴安煤矿被暂扣安全生产许可证并罚款185万元。企业主体责任落实不到位兴安煤矿未按规定45天内封闭工作面、违规撤除一氧化碳传感器、未注阻化剂；回撤工作面未风险辨识，违规使用注浆管路灌注液态CO₂且与喷浆平行作业，迟报事故。管理监督责任缺失鹤岗矿业公司同意违规作业，未发现防灭火措施不落实问题；龙煤集团安全检查不认真，4月23日未发现传感器撤除问题，未吸取双阳煤矿"11·28"事故教训。深刻教训与行业警示必须严格执行防灭火规程，强化风险辨识与隐患排查；严禁违规使用非专用设备及平行作业；加强气体监测与应急处置，杜绝迟报瞒报；上级单位需切实履行监管职责，确保安全措施落地。06安全管理与风险防控作业人员安全防护标准

个体防护装备要求作业人员必须佩戴隔绝式自救器，其有效防护时间应不低于45分钟；接触液态二氧化碳区域需穿戴防低温手套、护目镜及防寒服，防止-78.5℃低温冻伤。

气体监测与报警规范作业面需实时监测氧气浓度（≥19.5%）、二氧化碳浓度（≤1.5%）及一氧化碳浓度（≤24ppm），设置声光报警装置，报警值需符合《煤矿安全规程》要求，监测数据每30分钟记录一次。

作业许可与监护制度实行“一人一许可”制度，作业前必须办理受限空间作业票，明确作业负责人、监护人和应急联络人；灌注区域20米内设置警戒区，严禁无关人员进入，监护人员需全程在岗并保持通讯畅通。

应急撤离与急救措施作业现场需设置清晰的撤离路线标识，每班作业前进行应急演练；配备4台以上120急救设备及冻伤专用药品，一旦发生窒息或冻伤，立即启动“撤人-报警-急救”流程，确保30分钟内送达医疗点。气体监测与预警系统配置

监测参数与标准依据《煤矿安全规程》，需实时监测氧气（O₂）、二氧化碳（CO₂）、一氧化碳（CO）等关键气体。其中CO临界值应不高于10ppm，氧气浓度需维持在19.5%-23.5%之间，二氧化碳浓度超限值为1.5%。

传感器布设要求采空区、回撤工作面及密闭墙周边应按规定安设气体传感器。如工作面回采及封闭后需装设CO传感器，距回风口110米内盲巷需配备多参数监测设备，确保覆盖所有作业区域及潜在泄漏点。

预警机制与响应系统需具备实时数据传输与自动报警功能，当气体浓度超限时立即发出声光报警，并触发应急响应流程。例如，兴安煤矿事故中因未按规定设置传感器及报警值（CO报警值设为24ppm，超规程标准），导致未能及时发现隐患。

设备选型与维护选用耐低温、抗干扰的专用传感器，定期校验确保数据准确性。灌注液态CO₂期间，需安排专人使用便携式气体检测仪频繁巡检，每日至少检查2次，确保监测设备与人工检测双重保障。应急处置预案与演练要求

应急预案核心要素预案需明确液态二氧化碳泄漏报警阈值（如CO₂浓度≥4%立即启动）、应急指挥体系、人员撤离路线（参考兴安煤矿事故撤离路线）、自救器佩戴规范及现场气体检测流程（每30分钟监测O₂、CO₂浓度）。

应急响应程序发生泄漏时，立即停止灌注作业并关闭储罐阀门；瓦检员佩戴氧气呼吸器检测气体扩散范围，警戒区设置半径不小于20米；调度室10分钟内上报矿长及上级主管部门，严禁迟报（如兴安煤矿事故迟报违规）。

年度演练频次与内容煤矿企业每半年至少组织1次专项演练，模拟液态二氧化碳管路泄漏、人员窒息救援场景；演练需包含兼职救护队快速响应（参考鹤岗矿山救护大队21时45分进入事故现场案例）、伤员转运及气体监测实操。

演练效果评估与改进演练后72小时内形成评估报告，重点检查撤离时间（目标≤15分钟）、通讯畅通率、设备完好率等指标；针对2024年兴安煤矿事故暴露的协同作业风险，需在演练中强化多工种交叉作业应急配合。07应用案例与效果评估徐庄矿工作面防灭火实践

01徐庄矿工作面概况与火灾风险徐庄矿作为重要煤炭生产基地，地质条件复杂，煤层赋存不稳定，开采深度增加导致工作面温度升高，火灾风险加大。历年曾发生多起火灾事故，对矿井安全造成严重影响。

02液态二氧化碳防灭火系统设计要点根据徐庄矿工作面具体情况，采用先进的液态二氧化碳储存、输送和喷射技术，选用高品质储存罐、输送管道和喷嘴等关键设备，确保系统安全、高效、环保运行。

03系统安装调试与监测报警机制严格按照设计方案安装系统，进行调试和检测；安装火灾监测装置和报警系统，实时监测工作面火灾风险，发现火情立即启动液态二氧化碳喷射装置。

04操作维护规程与人员培训措施制定详细操作规程和维护保养制度，对操作人员开展专业培训，确保其掌握系统操作技能和应急处理能力，保障系统安全稳定运行。

05应用效果评估与持续优化定期评估液态二氧化碳防灭火系统运行效果，针对技术应用不足、设备配置不完善等问题，加强人员培训、完善设备配置并全面推广该技术，提高灭火效率。珙泉煤矿采空区灭火效果分析火灾隐患概况2016年3月，珙泉煤矿2273风巷监测到CO浓度异常升高，并检出C2H4气体，表明2272采空区遗煤发生严重氧化自燃。该区域煤层自然发火周期为3至6个月，采空区遗留浮煤及顶底煤未完全开采，防灭火措施不足。灭火技术应用矿方采用KRM-1200型液态二氧化碳防灭火装置，通过高压软管将液态CO2注入防灭火钻孔，直接送入2272采空区火区，利用液态CO2汽化吸热和惰化特性控制火势。关键指标改善灭火后，采空区CO浓度显著降低，C2H2、C2H4等自燃标志性气体完全消除，有效抑制了煤氧复合反应，验证了液态二氧化碳直注灭火技术的快速降温与惰化效果。应用价值总结该案例表明，液态二氧化碳直注技术适用于采空区等复杂空间火灾治理，能迅速降低火区温度、消除指标气体，为类似易自燃煤层矿井防灭火提供了有效解决方案。经济效益与社会效益评估

直接成本节约：灭火效率提升液态二氧化碳灭火速度快，可迅速控制火势，减少火灾导致的设备损坏和生产中断，降低直接经济损失。如珙泉煤矿应用该技术后，快速降低采空区CO浓度，避免了火灾扩大造成的更大损失。

材料成本优势：经济可行同等重量下，液态二氧化碳取材容易，价格相较于氮气等灭火剂更为低廉，可显著降低防灭火材料成本，为煤矿企业节省开支。

安全效益：保障矿工生命安全有效预防和控制矿井火灾，避免因火灾引发的人员伤亡事故。兴安煤矿“5·20”事故警示我们，规范应用防灭火技术能极大降低安全风险，保障井下作业人员生命安全。

环境效益：绿色环保无污染液态二氧化碳灭火后无残留，不会对矿井设备和环境造成污染，符合绿色环保要求，有助于实现煤矿生产的可持续发展。08技术发展趋势与展望智能化注气系统研发方向

智能监测与自适应调控技术集成多参数传感器（O₂、CO、温度、压力），实时监测采空区气体状态，结合AI算法动态调整注气量与压力，实现精准惰化。参考神华宁煤集团注气工艺，系统稳压控制精度可提升至±0.05MPa。管道泄漏预警与定位系统基于光纤传感或声学监测技术，开发低温