液态碳酐相变降温惰化防灭火技术实践

薛再君,完颜晓亮,李向阳,刘宗林,杜瀚林

(1.华亭煤业集团有限责任公司,甘肃 平凉 744100;2.中煤科工集团沈阳研究院有限公司,辽宁 抚顺 113122;3.煤矿安全技术国家重点实验室,辽宁 抚顺 113122)

0 引言

易自燃煤层综放工作面开采过程中漏风供氧难以控制,导致煤自然发火现象严重。惰性气体难以带走热量且容易逸散;注胶、灌浆作用范围小,难以准确直达火源位置;泡沫阻化剂价格高昂,腐蚀性强,作用空间有限。液态碳酐可直接向采空区压注,随着压力瞬间降至常压,其发生相变并吸收较多热量,同时形成大量的低温气态碳酐,持续扩散至高温区域,使高温点或火点迅速降温,加速了火源熄灭。液态碳酐兼具降温、惰化、阻燃和阻爆性能,更有利于煤自然发火的防治。

国内外学者对碳酐抑制煤自燃机理进行了大量的研究。其中,部分学者将反向色谱获取的数据以Van’t Hoff方程为计算模型对过程中的吸附热进行定量计算,通过等温吸附实验对Argonne Premium地区煤样研究,选取Clausius-Clapeyron方程对实验数据分析从而对吸附热进行计算[1-4]。建立了五龙矿综放采空区遗煤自燃的三维数值模型,得到了与现场情况基本相符的速度场、浓度场、自燃“三带”划分及遗煤升温过程[5-8]。以枣泉矿为研究背景,对巷道顶部松散煤体的自然发火问题进行研究,构建了包括巷道顶部松散煤体和巷道在内的煤自燃三维数学物理模型[9-11]。DURMAZ T、LI Z B、WEN H等[12-14]构建了基于温度变化的采空区动态,发现液态碳酐在采空区降温方面相比于固态碳酐具有明显优势。

以液态碳酐压注防灭火技术为背景的研究中缺少大范围空间内液态碳酐注入高温区域后气体、温度等物理场的实时监测,而由于现场条件复杂、干扰因素较多,仅依据上隅角、工作面等位置的自燃指标气体变化并不能准确地对液态碳酐的灭火效果进行评价。鉴于此,以鄂尔多斯矿区某矿综放工作面为研究对象,重点研究液态碳酐注入采空区发生相变的前后过程中温度与气体浓度的变化及分布,以期对“长距离”条件下液态碳酐相变防灭火技术的实践提供借鉴。

1 碳酐相态理论

碳酐呈现气态的理论条件为当碳酐温度大于-56.6 ℃且压力处于所对应温度饱和压力以下;碳酐可呈现固态的理论条件为温度在-56.6 ℃以下;同时,温度为-78.5～-56.6 ℃时,固态碳酐可直接升华为气态。当储存、输送设备压力为0.52～7.83 MPa且其内部温度为-56.6～31 ℃时,压力处于所对应温度饱和压力以上,碳酐将以液态的形式存在。碳酐相态理论参数见表1,碳酐相态图如图1所示。

表1 碳酐相态理论参数

2 物性参数及性能比较

2.1 液态碳酐物性参数

液态碳酐的密度值和汽化潜热量与其温度呈负相关性。膨胀体积(25 ℃、0.10 MPa状态下)与液态碳酐温度呈现负相关性,而饱和蒸汽压则相反。不同温度液态碳酐物性参数变化趋势如图2所示,具体对照见表2。

图2 不同温度液态碳酐物性参数变化趋势

表2 不同温度液态碳酐物性参数对照

2.2 液氮与碳酐防灭火性能比较

气态碳酐与空气密度比为1.53,是氮气与空气密度比的1.6倍,当注入采空区时,相比于氮气,汽化后的液态碳酐能够更好地覆盖采空区遗煤。气态碳酐更易被煤体表面吸附,由表3可知,单位质量煤对气态碳酐的吸附量是48 L/kg,其对氮气的吸附量是8 L/kg,前者为后者的6倍,能更好地抑制煤体自燃;碳酐相比于氮气在阻燃性能及阻爆性能方面均具有明显优势。

表3 氮气与碳酐防灭火特性对照

2.3 固态碳酐与液态碳酐性能比较

1 m3固态碳酐(-78.5 ℃)在0.1 MPa、25 ℃状态下经过升华可得到789 m3的气态碳酐,若将固态碳酐直接放置于采空区中,由于其升华速率较慢,实际应用中在短时间内难以达到防灭火所需的充足惰化气体量。应用固态碳酐相变发生器能持续、稳定地产出气态碳酐,单台固态碳酐相变发生器的出气量可达到0.5 m3/min,出气温度可以维持在6～8 ℃,在注入高温煤体后能快速惰化煤体、降低煤温,且停止注气后煤温回升较慢。

1 m3液态碳酐(-30 ℃)在0.1 MPa、25 ℃状态下经过汽化可得到约为600 m3的气态碳酐,汽化速率快,可满足高流量、较大范围扑灭井下火区的要求。液态碳酐汽化时的吸热量与其自身初始状态有密切关系,其汽化时总吸热量由汽化潜热、升温吸热2部分组成,以-30 ℃液态碳酐直接压入采空区为例,其1 kg单位质量汽化潜热值在293.63～311.75 kJ,液态碳酐汽化后温度由-30 ℃升至25 ℃,平均等压比热容为0.836 kJ/(kg·k),最终1 kg温度为-30 ℃的液态碳酐在采空区汽化升温后的总吸热量在339.61～357.73 kJ。

相比之下,由固态碳酐相变发生器产出的1 kg气态碳酐注入采空区后,其温度由出气温度升高至25 ℃时,吸收的热量在14.212～15.884 kJ。因此,液态碳酐在采空区降温方面相比于固态碳酐具有明显优势[14]。

3 相变降温惰化防火技术示范

3.1 工作面自然发火隐患

某矿021601工作面回采煤层平均厚度9.8 m,煤层为Ⅰ类易自燃煤层。采用综放开采,采空区内遗煤较多,回撤期间采空区漏风加剧。

3.2 液态碳酐管路输送条件

采用液态碳酐对采空区实施大面积惰化。在向采空区长距离输送液态碳酐过程中,为防止其发生结冰及爆震,基于液态碳酐气化过程中易结冰的三相点理论,设计管路压力严格控制在0.52 MPa以上,管路温度保持在-56.6～31.3 ℃。

3.3 输送液态碳酐系统

输送液态碳酐系统如图3所示。

图3 输送液态碳酐系统

3.4 现场施工过程

将保温保压输送管路铺设于地面施工钻孔及井下,钻孔内管路长度250 m,井下管路长度430 m,保证管内温度稳定在-30 ℃上下,压注液态碳酐前对管道内部实施升压保压,控制管道内部压力在1.4 MPa以上,并对压注压力及出口压力进行严格控制。

选用耐高压隔热保温2寸管作为超临界态碳酐输送管路,在管路上按要求安装仪器仪表及控制阀门;严格检测施工管路的气密性;对防火管路进行试压,将管线压力缓慢升至1.6～2.2 MPa,保压处理并全面检查管路及其组件是否存在泄压;在确保管路保压的前提下,向保温保压管路中缓慢注入液态碳酐,检测管路内部压力及温度,当管路内压力值在1.6～2.0 MPa时,将井下控制阀门组件打开,通过调节井上、下阀门,对系统压力及流量加以控制。注入液态碳酐过程结束后,关闭槽罐车液相控制阀,打开槽罐车气相控制阀,同时将管路末端控制阀打开,利用气态碳酐对防火系统整体进行吹扫,将管路内部液态碳酐全部排空。

3.5 大范围惰化采空区实施方案

实施大范围相变惰化是021602综放工作面在回撤前及整个回撤阶段防火工作的重点。当工作面回采至距停采线150 m时,每推进25 m在风、机两巷砌筑一道厚度不少于1 m的隔离墙,隔离墙严格按照要求接顶并夯实加固,以减少采空区漏风。由临近021602工作面回风顺槽向021601综放工作面进风顺槽巷中顶板布设3个钻孔,终孔位置分别位于021602综放工作面回风顺槽沿煤层走向距停采线50 m、100 m、150 m处,当钻孔布设完成后,将注液态碳酐管路安装铺设到钻孔中,施工钻孔如图4所示。

图4 施工钻孔

井上、下构建注液态碳酐系统,并与压注管路紧密对接。加注顺序为:地面槽车→地面垂直钻孔→回风下山→输送液态碳酐管路(DN50)→输液高压软管→021602回风巷压注液态碳酐管路→021602回风巷钻孔→021601采空区。分别于工作面推进至距停采线102.4 m、53.6 m时对021601采空区采取压注液态碳酐防火措施。两次压注液态碳酐的管路分别位于距离停采线150 m和100 m处。压注到采空区的液态碳酐处于采空区自然发火“氧化带”,间断性压注3 d,每天压注5～8 h。由150 m处钻孔注入液态碳酐累计191 t,由100 m处钻孔注入液态碳酐累计207 t。

4 效果分析

气体、温度监测数据如图5～8所示。

图5 距停采线150 m压注液态碳酐前后CO浓度变化

图6 距停采线100 m压注液态碳酐前后CO浓度变化

图7 距停采线100 m压注液态碳酐期间CO浓度变化

图8 距停采线100 m压注液态碳酐前后采空区温度变化

在021601综放工作面距离停采线102.4 m、63.6 m时分别由距停采线150 m、100 m管路间断式压注液态碳酐,每次压注历时3 d,并在压注液态碳酐工作完成后对回风流、工作面、上隅角进行为期12 d的CO气体浓度监测。监测结果显示,综放工作面完成液态碳酐压注后,3处重点监测区域CO浓度均处于30×10-6以下,回风流处CO浓度均处于15×10-6以下,并处于相对稳定的上下浮动状态,未见明显上升趋势。

在第二次压注液态碳酐期间,完成了对距离停采线150 m深度的采空区CO气体浓度监测,监测结果显示,在未采取防火措施前,随着临近工作面回采结束,回采速度放缓,采空区遗煤氧化程度加剧,CO浓度在250×10-6上下波动,采取防火措施后CO浓度降至150×10-6以下并继续呈现下降趋势,最终降至70×10-6以下。

在021601综放工作面距离停采线63.6 m时第二次向采空区压注液态碳酐,在压注液态碳酐期间前后,进行为期20 d的采空区温度实时监测。监测结果显示,在距离停采线130 m、150 m、170 m这3处测温点的温度均呈现明显的下降趋势,验证了液态碳酐对采空区大范围降温的可行性,在后续的监测中,随着测点逐渐进入采空区遗煤氧化窒息带,测点温度继续呈现缓慢下降趋势。

5 结论

(1)基于碳酐相态理论,分析碳酐呈现固、液、气三态的理论压力及温度范围;将液态碳酐与液氮、固态碳酐防灭火性能进行对比分析,得出液态碳酐在降温、惰化性能方面均具有明显优势。

(2)设计提出对021601综放工作面采空区实施长距离压注液态碳酐的防灭火技术手段,压注系统中输送管路应用保压、保温技术,保证管内温度稳定在-30 ℃上下,管道内部压力在1.4 MPa以上,以防止输送液态碳酐过程中发生结冰及爆震现象。

(3)针对鄂尔多斯矿区某矿易自燃煤层综放工作面回撤期间存在的遗煤多、漏风大等防火隐患,对采空区遗煤进行相变惰化,分两次间断式压注液态碳酐,压注完成后对回风流、工作面、上隅角进行为期12 d的CO气体浓度监测。监测结果显示,完成液态碳酐压注后,上隅角、工作面2处重点监测区域CO浓度均处于30×10-6以下,回风流处CO浓度处于15×10-6以下;同时,在距离停采线130 m、150 m、170 m这3处测温点的温度均呈现明显的下降趋势,验证了液态碳酐对采空区大范围降温的可行性。