鄒德龍 王 巖 趙海波 崔宏磊

(煤科集團(tuán)沈陽(yáng)研究院有限公司)

目前，二氧化碳致裂裝置已取得了煤礦使用的安全許可，在煤礦中的應(yīng)用日趨廣泛[1-3]。大多數(shù)礦井在應(yīng)用該裝置時(shí)，未對(duì)其安全性進(jìn)行深入研究，僅明確了該裝置具有防爆、不會(huì)產(chǎn)生火花引起爆炸等特性，往往忽視了二氧化碳作為惰性氣體，一旦發(fā)生泄露與擴(kuò)散易使人窒息，嚴(yán)重時(shí)會(huì)致人死亡[4-7]。由于煤礦井下生產(chǎn)條件復(fù)雜，二氧化碳致裂裝置很可能受到強(qiáng)烈撞擊、墜落而導(dǎo)致二氧化碳泄漏，大量二氧化碳泄露后可迅速由液態(tài)轉(zhuǎn)為氣態(tài)在巷道中擴(kuò)散，極易威脅礦工的生命安全。本研究以華亭煤礦為例，對(duì)二氧化碳致裂裝置泄漏對(duì)礦工以及煤礦企業(yè)的安全威脅程度進(jìn)行詳細(xì)分析。

1 工程概況

亭南煤礦位于陜西省咸陽(yáng)市長(zhǎng)武縣亭口鎮(zhèn)，礦井核實(shí)生產(chǎn)能力為5 Mt/a，目前準(zhǔn)備回采ZF207工作面[8-12]。 ZF207工作面沿方位角0°布置，設(shè)計(jì)長(zhǎng)200 m，回采長(zhǎng)度為2 260 m。礦井唯一可采煤層為4#煤層，煤層傾角為0°～8°，平均4°，煤層厚度為13.6～21.2 m，平均為18 m，上分層回采厚度為7 ～8 m，平均回采厚度達(dá)7.5 m。工作面采用U型通風(fēng)方式，配風(fēng)量約為1 000 m3/min。運(yùn)輸順槽斷面為矩形，尺寸為5.5 m×3.1 m(長(zhǎng)×寬)。工作面運(yùn)輸順槽圍巖采用爆破鉆孔卸壓方式，目前準(zhǔn)備在該處使用二氧化碳致裂技術(shù)來(lái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的卸壓工藝。

2 二氧化碳致裂技術(shù)概述

低濃度的二氧化碳可以興奮呼吸中樞，高濃度二氧化碳可以抑制和麻痹呼吸中樞。二氧化碳雖然沒(méi)有毒性，但由于二氧化碳的彌散能力強(qiáng)于氧氣，從而使得二氧化碳很容易從肺泡彌散至血液造成呼吸性酸中毒。煤礦井下空氣中氧氣并不充足，當(dāng)二氧化碳濃度超過(guò)正常值時(shí)，會(huì)誘發(fā)工作人員呼吸加快、缺氧、呼吸中樞麻痹等，嚴(yán)重者會(huì)致人死亡。窒息時(shí)可造成肺水腫、腦水腫、代謝性酸中毒、電解質(zhì)紊亂、休克、缺氧性腦病等。

液態(tài)二氧化碳致裂器實(shí)物及組成結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。致裂器由主管、充氣頭(起爆頭)、排氣頭、加熱棒、爆破片、泄能片、止飛器等組成。本研究以MZL200-1147/63型液態(tài)二氧化碳致裂器為研究對(duì)象，該型致裂器長(zhǎng)1.47 m，主管長(zhǎng)度1.415 m，外徑63 mm，內(nèi)徑50 mm，泄能片極限壓力為400 MPa，致裂器主管中充裝了質(zhì)量為20 kg的液態(tài)二氧化碳，液態(tài)二氧化碳充裝壓力為25 MPa。

圖1 二氧化碳致裂器實(shí)物及結(jié)構(gòu)

3 泄漏風(fēng)險(xiǎn)分析

3.1 泄漏場(chǎng)景分析

根據(jù)二氧化碳致裂器的結(jié)構(gòu)及體積，井下泄漏場(chǎng)景分為小口泄漏(孔徑為5 mm，年失效頻率fs為2.2×10-6)和中口泄漏(孔徑為25 mm，年失效頻率fs為1.0×10-6)。

3.2 二氧化碳泄漏擴(kuò)散模型選擇

本研究選用Pasquill-Gifford模型擴(kuò)散方程對(duì)二氧化碳致裂器泄漏擴(kuò)散進(jìn)行描述，在該方程中，持續(xù)性的釋放源可視作煙羽擴(kuò)散，瞬時(shí)性的釋放源可視為煙團(tuán)擴(kuò)散。本研究二氧化碳治理裝置以一組100根為研究對(duì)象，可視其有穩(wěn)定的釋放源泄漏物質(zhì)在大氣中進(jìn)行擴(kuò)散，可采用Pasquill分類(lèi)方法[13]確定大氣穩(wěn)定度，大氣穩(wěn)定度分為A、B、C、D、E、F 6類(lèi)，A類(lèi)表示氣象條件極不穩(wěn)定，B類(lèi)表示氣象條件中等程度不穩(wěn)定，C類(lèi)表示氣象條件弱不穩(wěn)定，D類(lèi)表示氣象條件的穩(wěn)定性處于穩(wěn)定和不穩(wěn)定之間，E類(lèi)表示氣象條件弱穩(wěn)定，F(xiàn)類(lèi)表示氣象條件中等程度穩(wěn)定[14-16]。

4 泄漏個(gè)體風(fēng)險(xiǎn)分析

4.1 泄漏質(zhì)量流率計(jì)算

設(shè)液態(tài)二氧化碳致裂器的泄漏半徑為5 mm，致裂器通過(guò)裂口連續(xù)向巷道泄露液態(tài)二氧化碳，泄露開(kāi)始時(shí)裂口上方液體高度設(shè)為0，泄露出的液態(tài)二氧化碳瞬間被氣化成二氧化碳?xì)怏w煙羽，泄漏時(shí)致裂器內(nèi)的液體壓力P為25 106 Pa，外界環(huán)境壓力(井下大氣壓力)P0為0.098×106Pa，運(yùn)輸順槽風(fēng)速約為3 m/s，液二氧化碳密度ρ約為1 000 kg/m3。以致裂器泄露點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)O，下風(fēng)向?yàn)閄軸，其垂直方向?yàn)閅軸，以垂直于巷道底板方向?yàn)閆軸，建立坐標(biāo)系。液態(tài)二氧化碳經(jīng)致裂器上的孔流出，經(jīng)計(jì)算，瞬時(shí)質(zhì)量流率Q=17.1 kg/s。

4.2 泄漏污染物在給定點(diǎn)的濃度計(jì)算

根據(jù)目前工作風(fēng)速(3 m/s)以及煤礦井下風(fēng)流穩(wěn)定性情況，將二氧化碳泄漏時(shí)的風(fēng)流穩(wěn)定條件視作D類(lèi)，即風(fēng)流處于穩(wěn)定性與不穩(wěn)性之間。本研究設(shè)定距離泄漏點(diǎn)100 m范圍內(nèi)，礦工可以意識(shí)到事故發(fā)生，然后迅速撤離躲避危險(xiǎn)，為此假設(shè)礦工分別位于距離泄漏點(diǎn)下風(fēng)側(cè)100，200，300 m處，來(lái)分析不同情況下泄漏的個(gè)體危險(xiǎn)情況。

經(jīng)計(jì)算，距離泄漏點(diǎn)下風(fēng)側(cè)100，200，300 m處的二氧化碳的濃度分別為8%、9%、10%，氯在空氣中的濃度達(dá)到8%時(shí)，人吸入1 min即致死，則礦工在一定時(shí)間內(nèi)接觸一定濃度毒物所造成影響的概率值可通過(guò)下式計(jì)算

Pr=a+b·ln(Cn·t) ，

(1)

式中，a,b,n分別為描述物質(zhì)毒性的常量，a=-7.4，b=1，n=1；C為濃度，分別取80 000×10-6，90 000×10-6，100 000×10-6mg/m3；t為暴露于毒物中的時(shí)間，取1 min。

經(jīng)計(jì)算，3種不同濃度毒素對(duì)應(yīng)的Pr值分別為3.89，4，4.11。通過(guò)查詢(xún)相關(guān)信息可知，3個(gè)死亡概率數(shù)值對(duì)應(yīng)的死亡百分率p均為10%。

4.3 個(gè)體死亡風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算

按泄漏量為100根二氧化碳致裂器(2 t二氧化碳)計(jì)算時(shí)，距泄漏點(diǎn)100，200，300 m處的礦工個(gè)體死亡概率(為年失效頻率與死亡百分率之積)為2.2×10-7<10-6，即個(gè)體風(fēng)險(xiǎn)處于可以接受的范圍內(nèi)。

5 泄漏企業(yè)風(fēng)險(xiǎn)分析

泄露企業(yè)風(fēng)險(xiǎn)可通過(guò)下式進(jìn)行分析

P社會(huì)風(fēng)險(xiǎn)=β社會(huì)風(fēng)險(xiǎn)·p，

(2)

式中，P社會(huì)風(fēng)險(xiǎn)為社會(huì)風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算時(shí)的死亡概率；β社會(huì)風(fēng)險(xiǎn)為社會(huì)風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算時(shí)的死亡概率修正因子，室內(nèi)風(fēng)險(xiǎn)修正因子為0.1，室外風(fēng)險(xiǎn)修正因子為1，本研究取0.1。

經(jīng)計(jì)算，并查詢(xún)社會(huì)風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn)曲線可知，本研究社會(huì)風(fēng)險(xiǎn)處于可接受區(qū)。

6 結(jié) 語(yǔ)

以華亭煤礦為例，通過(guò)采用Pasquill-Gifford擴(kuò)散模型定量分析了二氧化碳致裂裝置發(fā)生泄漏(泄漏半徑為5 mm)時(shí)，ZF207工作面運(yùn)順下風(fēng)側(cè)距離泄漏點(diǎn)100，200，300 m處二氧化碳?xì)怏w的濃度，確定的礦工個(gè)體死亡風(fēng)險(xiǎn)概率為2.2×10-7，屬于可接受個(gè)體風(fēng)險(xiǎn)，此外，結(jié)合社會(huì)風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn)曲線，確定了煤礦企業(yè)所承受的社會(huì)風(fēng)險(xiǎn)處于可接受范圍內(nèi)。

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