自然發火防治復合惰性氣體應用研究范文
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摘要：在分析復合惰性氣體防滅火系統的基礎上，對復合惰性氣體在采空區自然發火防治中的應用做出分析，并對其應用效果進行總結，希望能為其他礦井相似工程提供借鑒和參考。
引言
現階段，中國礦井火災防治中應用得較為常見的方式主要包括注漿、充砂、阻化劑噴灑、惰性氣體注入等，其中惰性氣體注入是采空區防滅火應用最為普遍的手段。在惰性氣體防滅火方面，N2一直是主要原材料，但由于制造成本較高、純度不易控制等，使得其在大范圍采空區內的應用受到一定限制。針對此，探索更加高效的復合惰性氣體防滅火對于提升礦井作業安全性，推動礦井綜合效益增加意義重大。
1復合惰性氣體防滅火系統分析
1.1系統構成
復合惰性氣體防滅火系統主要構成組件包括：制氮機組、液態CO2儲液罐、氣化裝置、混合調壓裝置及各類閥門儀表等。其中，注氮機組共配設有專業制氮裝置5臺，通過直徑100mm的金屬軟管并聯接入混合調壓裝置，其設計制氮能力為5000m3/h。液態CO2儲液罐主要由承壓罐體、電氣控制系統和固定裝置構成，用于液態CO2的存儲與輸出。汽化裝置分為自熱式轉換器和強熱式輔助轉換器兩部分，由儲液罐對外輸出的液態CO2通過自熱式轉換器的初步汽化，形成氣液混合態物質，并再經由連接管路通過強熱式輔助轉換器實現全面汽化[1]。作業時，CO2連續灌注后，經兩級轉換器的轉化后，進入混合調壓裝置同高溫N2充分混合，實現N2溫度降低的同時實現CO2的全面汽化。完全汽化后的復合惰性氣體通過地面灌注管路，實現對采空區內火災隱患點的針對性持續灌注，實現對火災隱患的有效控制。圖1所示即為復合惰性氣體系統示意圖。
1.2工藝流程分析
a)液態CO2運輸車存儲罐氣密性檢測。將液態CO2運輸車同地表空氣壓縮裝置相連，并對其存儲罐氣密性進行檢測，確保氣體流速不低于20m/s，檢測耗時不低于30min，試驗壓力不低于2.7MPa，同時各個閥門完整無漏；b)液態CO2轉存。完成運輸車同儲液罐的相連后，開啟儲液罐氣閥，等壓力表指數開始增大時，開啟液體泵和罐車液相閥，向儲液罐轉存液態CO2。當儲液罐溢流閥溢滿后，終止充液作業，并依照順序關閉各閥門后排空管內壓力，實現液態CO2轉存；c)復合惰性氣體灌注。開啟儲液罐排氣閥使其管道內充滿CO2的同時實現與罐內的壓力平衡，隨后開啟出液閥實現氣、液均勻混合后使其經管道進入兩級轉換器。當井下需要大量CO2連續注入時，氣液兩相流CO2將進入混合調壓裝置，在調壓裝置內實現低溫CO2和高溫N2的混合，達成CO2的充分汽化和N2的快速降溫。當調壓裝置內壓力達到1.6MPa，充分混合的復合惰性氣體便可通過管道向采空區進行灌注[2-3]。
2復合惰性氣體在采空區自然發火防治中的應用分析
2.1工程概況
A礦905回采面處于井下二采區中部，選用走向長壁綜采工藝，作業面傾向長度200m，走向長度1130m，主采9#煤層，煤層厚度介于5~6.7m，均值5.4m，煤層傾角介于12°~18°，均值16°，屬于典型的仰采作業面。該作業面自回采以來，經歷近1a的開采，回采接近尾聲，但由于前期回采時頂板遺煤偏多，加之頂板垮落不充分，導致停采撤架耗時較大，一定程度上增加了采空區自然發火危險。經現場監測，回采面回風流與瓦斯抽采管內均出現CO并呈現出增加趨勢。為有效防范采空區火災隱患，決定采用向采空區注入復合惰性氣體的方式進行防滅火[4]。
2.2復合惰性氣體防滅火方案
在905回采面運輸巷道內預埋直徑108mm的惰性氣體注入管道以便于隨時向采空區內進行連續的惰性氣體注入。結合前期束管監測所得數據，將采空區依照O2濃度的不同進行劃分，則其“氧化帶”寬度范圍為16~105m，寬度均值86m。鑒于905回采面屬于仰采作業面，則在復合惰性氣體防滅火中CO2將覆蓋底板遺煤并發揮吸熱降溫的功效[5]。圖2所示即為作業面相對位置示意圖。
2.3參數計算
防滅火作業所需CO2質量解算公式如式(1)所示：m=kV(1+μ)/qp，(1)式(1)中，m為所需CO2質量，kg；k為采空區垮落前后體積比，取值0.8；V為采空區垮落前氧化帶體積，m3；μ為CO2損失率，取值30%；q為惰性氣體置換采空區氣體效率，取值70%；p為15℃時大氣壓力，Pa。依照式(1)計算分析，905回采面采空區氧化帶體積為66880m3，將其置換所需CO2質量為155t。
3效果分析
自應用復合惰性氣體注入905采空區進行防滅火操作以來，通過在距離905回采面采空區入口35m、65m和95m的3處不同位置布設的束管監測可知，3處區域O2體積分數均出現顯著降低，分別降低至4.8%、2.9%和2.2%，同時回風流CO體積分數降幅超過90%以上，上隅角溫度自32℃降低至26℃，徹底消除了采空區自然發火的可能性[6]。
4結語
隨著礦井回采深度的增加和井下作業復雜性的不斷增加，煤礦井下回采作業中采空區自然發火現象越加普遍，如何實現對火災的有效防治，成為保障礦井生產安全的必要舉措。礦井管理者應高度重視相關問題，在生產實際中，立足實際，組織專業人手，開展針對性探究，總結具有良好適用性的采空區自然發火防治技術，實現對火災的有效防治，從而為礦井生產的持續安全開展提供保障。
參考文獻：
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［2］饒孜，謝先明.多煤層共采區域通風防火控制技術［J］.煤礦安全，2018，49(7)：62-65.
［3］胡鵬.綜放工作面采空區自然發火防控技術應用［J］.江西煤炭科技，2018(4)：167-169.
［4］關雅潔.采空區注惰軟件模擬及開發［D］.唐山：華北理工大學，2018.
［5］李仲勛，王義，陳偉.采空區遺煤自然發火規律及防治對策研究［J］.內蒙古煤炭經濟，2018(22)：109-110.
［6］趙圣武，郝強強，張思達，等.綜放工作面采空區自然發火規律研究［J］.陜西煤炭，2019，38(1)：30-33.
作者：梁強 單位：山東新礦集團有限公司翟鎮煤礦勝利項目部
