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        采空區(qū)自燃火災(zāi)演化及干冰相變惰化防控成套技術(shù)裝備

        2021-11-03 10:36:10景珂寧
        同煤科技 2021年5期

        研發(fā)起止時(shí)間:2019.6~2021.4

        完成單位:晉能控股煤業(yè)集團(tuán)有限公司、中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)、晉能控股山西科學(xué)技術(shù)研究院有限公司、大同煤炭職業(yè)技術(shù)學(xué)院

        成果水平:國(guó)際先進(jìn)

        1 項(xiàng)目背景

        該項(xiàng)目于2021年4月通過(guò)了中國(guó)煤炭工業(yè)協(xié)會(huì)組織的科技成果鑒定,研究成果為國(guó)際先進(jìn)水平。

        大同礦區(qū)發(fā)生過(guò)多次自然發(fā)火事故,發(fā)火地點(diǎn)多為綜采工作面和綜放工作面的采空區(qū),而綜放工作面在停采搬家期間發(fā)火頻次尤為明顯,此前采用注水、限風(fēng)等防滅火技術(shù),但是注水會(huì)造成工作面漫水、惡化工作環(huán)境,停止注水后溫度會(huì)迅速回升;采取限風(fēng)措施時(shí),工作面風(fēng)量由于現(xiàn)場(chǎng)瓦斯?jié)舛鹊南拗埔膊荒艽蠓鹊亟档?。且由于采空區(qū)分布廣闊、自燃危險(xiǎn)區(qū)域隱蔽性很強(qiáng)等原因,在實(shí)際應(yīng)用中防滅火措施存在一定的盲目性、片面性,取得的防控效果均不理想。因此,如何有效防治停采搬家期間的采空區(qū)自燃火災(zāi),是大同礦區(qū)目前亟需解決的安全難題之一。為此,本項(xiàng)目探討了停采期間采空區(qū)自燃火災(zāi)影響因素,揭示多場(chǎng)耦合時(shí)空演化規(guī)律,停采面溫度觀測(cè),定位高溫區(qū)域。研制干冰相變發(fā)生器,制定惰性氣體注入高溫區(qū)域技術(shù)方案,以發(fā)揮惰性氣體吸熱、隔氧、惰化等作用,達(dá)到有效預(yù)防工作面停采搬家期間采空區(qū)自燃火災(zāi)的目的。項(xiàng)目研究成果能有力保障工作面搬家安全,對(duì)于大同礦區(qū)各礦井安全生產(chǎn)具有重要意義。

        2 研究?jī)?nèi)容

        (1)研究二氧化碳與氧氣在煤體中的競(jìng)爭(zhēng)吸附機(jī)制,揭示二氧化碳抑制煤自燃的作用機(jī)理,建立煤溫、氧氣及二氧化碳?xì)怏w等耦合作用下的煤氧化速率模型,提出合理的二氧化碳惰化濃度指標(biāo)。

        (2)基于采空區(qū)自然發(fā)火的多場(chǎng)耦合致因理論,開(kāi)發(fā)三維仿真軟件,研究停采條件下采空區(qū)自然發(fā)火時(shí)空演化規(guī)律,預(yù)測(cè)并圈劃高溫危險(xiǎn)區(qū)域。

        (3)研究開(kāi)發(fā)采空區(qū)溫度觀測(cè)及指標(biāo)氣體收集系統(tǒng),適用于工作面停采搬家期間實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)采空區(qū)、頂煤的溫度及指標(biāo)氣體濃度變化情況,定位高溫點(diǎn)。

        (4)以井下用水為供熱源,研制干冰相變發(fā)生器,實(shí)現(xiàn)干冰穩(wěn)定高效相變成二氧化碳?xì)怏w,達(dá)到現(xiàn)場(chǎng)惰化用氣需求量。

        (5)合理設(shè)計(jì)惰氣注氣方案,研究注氣溫度、壓力、流量、持續(xù)時(shí)間等因素對(duì)高溫煤體惰化效應(yīng)的影響,評(píng)估現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施效果,優(yōu)化注氣方式和工藝參數(shù)。

        3 主要研究成果

        (1)研究了四老溝礦煤樣自燃特性參數(shù)

        通過(guò)測(cè)試分析得出四老溝礦煤樣的自燃等級(jí)為Ⅱ類;通過(guò)煤低溫氧化實(shí)驗(yàn)得出,在溫度較低時(shí),標(biāo)準(zhǔn)耗氧速率增長(zhǎng)緩慢,130~150℃時(shí),標(biāo)準(zhǔn)耗氧速率開(kāi)始增高,150℃左右時(shí),標(biāo)準(zhǔn)耗氧速率變化急速加快,增速明顯增加,開(kāi)始呈指數(shù)型增長(zhǎng)。

        圖1 不同濃度CO2下煤樣標(biāo)準(zhǔn)耗氧速率變化圖

        圖2 不同濃度CO2下煤樣CO生成速率變化圖

        (2)研究了二氧化碳抑制煤自燃的作用機(jī)理

        二氧化碳對(duì)煤自燃起抑制作用,而不同濃度二氧化碳對(duì)煤自燃所起的作用不同。吸附實(shí)驗(yàn)表明,煤對(duì)二氧化碳的吸附能力遠(yuǎn)大于氮?dú)夂脱鯕?;煤的低溫氧化?shí)驗(yàn)表明,二氧化碳可以有效惰化煤自燃火災(zāi),在通風(fēng)允許的最大二氧化碳濃度范圍內(nèi),二氧化碳濃度越高,惰化效果越明顯。

        (3)開(kāi)發(fā)了停采條件下采空區(qū)自燃火災(zāi)演化仿真軟件

        提出了采空區(qū)氣體流場(chǎng)、氧濃度場(chǎng)、氣體溫度場(chǎng)和煤巖固體溫度場(chǎng)相耦合的自燃火災(zāi)演化理論,建立了停采條件下采空區(qū)自然發(fā)火數(shù)學(xué)模型,開(kāi)發(fā)了“停采狀態(tài)下采空區(qū)自然發(fā)火仿真系統(tǒng)”,可預(yù)測(cè)停采面采空區(qū)壓力場(chǎng)、氧濃度場(chǎng)和溫度場(chǎng)的分布規(guī)律,圈劃高溫危險(xiǎn)區(qū)域,為制定停采面防滅火措施提供理論依據(jù)。

        (4)研發(fā)了停采面采空區(qū)溫度觀測(cè)系統(tǒng)

        自主研發(fā)了“煤礦停采面溫度觀測(cè)系統(tǒng)”,該系統(tǒng)由多功能釬桿、溫度探頭、保護(hù)線纜、數(shù)據(jù)采集表等組成,可實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)溫度探測(cè)及氣體采樣功能。設(shè)計(jì)了綜放工作面搬家期間定位高溫區(qū)域方案,包括停采面采空區(qū)自然發(fā)火預(yù)測(cè)仿真系統(tǒng)和釬桿式溫度觀測(cè)及氣體收集系統(tǒng)。以數(shù)值仿真預(yù)測(cè)的高溫區(qū)為基礎(chǔ),通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)安裝溫度觀測(cè)系統(tǒng),能觀測(cè)支架頂部及尾梁后部的煤體溫度變化,從而精準(zhǔn)定位停采面高溫區(qū)。

        (5)研制了停采面采空區(qū)干冰相變防滅火系統(tǒng)

        研制了綜放工作面撤架期間使用的干冰相變防滅火系統(tǒng),包括干冰相變發(fā)生器以及適用于具體情況的注氣管路布置工藝。利用模型實(shí)驗(yàn),研究了干冰相變發(fā)生器的各項(xiàng)性能指標(biāo)、影響因素以及相變速率的控制方法;通過(guò)地面樣機(jī)測(cè)試,研究了發(fā)生器工作時(shí)相變氣體的壓力、產(chǎn)量及溫度等參數(shù)。結(jié)果表明,通過(guò)合理布置換熱管路、控制進(jìn)回水溫差,所研制的干冰相變發(fā)生器,其單臺(tái)的二氧化碳出氣量達(dá)到0.5 m3/min,持續(xù)注氣時(shí)間超過(guò)8小時(shí),出氣溫度維持在6~8℃,能滿足現(xiàn)場(chǎng)的用氣及降溫需求,且系統(tǒng)工作期間不使用電源。

        (6)形成了綜放面搬家期間采空區(qū)防火技術(shù)裝備體系

        根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果布置“煤礦停采工作面溫度觀測(cè)系統(tǒng)”,通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)溫度觀測(cè)準(zhǔn)確定位停采面高溫區(qū),安裝干冰相變惰化防滅火系統(tǒng),向高溫區(qū)煤體注入CO2氣體,并實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)注氣區(qū)煤體溫度和指標(biāo)氣體的變化,優(yōu)化注入方式和參數(shù)。工業(yè)試驗(yàn)結(jié)果表明,數(shù)值仿真結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)溫度觀測(cè)的方區(qū),通過(guò)干冰相變惰化裝備可有效降低采空區(qū)溫度,達(dá)到精準(zhǔn)防控遺煤自燃火災(zāi)的目的。

        圖3 綜放面搬家期間采空區(qū)防火技術(shù)裝備

        4 應(yīng)用效果

        項(xiàng)目采取了現(xiàn)場(chǎng)溫度觀測(cè)尋找高溫區(qū)域然后注低溫二氧化碳?xì)怏w防治煤自燃的方式,在四老溝礦3-5#煤層8101-1停采面的成功應(yīng)用。大大抑制了停采面自然發(fā)火情況,為類似條件下礦井的安全高效撤架提供了技術(shù)支撐。項(xiàng)目成果經(jīng)中國(guó)煤炭協(xié)會(huì)鑒定達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。研究成果對(duì)大同礦區(qū)類似條件下礦井自然發(fā)火防治具有較強(qiáng)的借鑒意義和參考價(jià)值,推廣應(yīng)用前景廣闊。

        (供稿:晉能控股山西科學(xué)技術(shù)研究院有限公司同大科技研究院 景珂寧)

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