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亭南煤礦液態(tài)二氧化碳防滅火系統(tǒng)

 

設(shè)計方案

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

亭南煤業(yè)公司亭南煤礦

  西安科技大學(xué)

西安森蘭科貿(mào)有限責(zé)任公司

二OO八年三月六日

 

 

 

 

 

亭南煤礦液態(tài)二氧化碳防滅火系統(tǒng)

設(shè) 計 方 案

煤自燃是煤與氧自發(fā)產(chǎn)生的氧化放熱反應(yīng)，煤自然升溫的實質(zhì)取決于氧化放熱速率和環(huán)境散熱速率的大小，如果氧化放熱速率占優(yōu)勢時，才會發(fā)生自燃現(xiàn)象。因此，通過控制煤的氧化環(huán)境來抑制煤自燃是一種有效的方法。

我國煤礦安全規(guī)程規(guī)定，綜放開采有自燃傾向性的煤層時，要采用以注入惰性氣體為主的綜合防滅火措施。惰氣防滅火技術(shù)的主要目的是為了減少氧含量，降低煤氧化或燃燒的速度，可用于煤礦井下防滅火的惰性氣體主要有氮氣、二氧化碳及燃料燃燒后形成的混合氣體等。

用惰氣阻止煤體氧化和窒息火區(qū)的基本思想比較簡單，在具體使用上主要需考慮兩個方面的問題，一是能否供給防滅火現(xiàn)場有效的惰性氣體；二是在一定時間內(nèi)能否向現(xiàn)場輸送足夠的惰性氣體。早在五六十年代，世界上一些主要采煤國家就嘗試用氮氣來撲滅礦井火災(zāi)獲得成功，隨后，這一防滅火技術(shù)得到了不斷應(yīng)用和發(fā)展。1988年，撫順局采用氮氣防滅火技術(shù)成功地防止了厚煤層綜采放頂煤工作面采空區(qū)的自然發(fā)火，為我國在這一技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用起到了示范作用，目前，我國多數(shù)綜放工作面都采用注氮防滅火技術(shù)來防治采空區(qū)自然發(fā)火。

二氧化碳?xì)怏w已被廣泛應(yīng)用于各種火災(zāi)的治理，它能在較短的時間內(nèi)控制和撲滅氣體、液體、固體和電氣火災(zāi)，具有滅火能力強、速度快、使用范圍廣、對環(huán)境不會造成污染等特點。CO₂氣體在礦井煤層火災(zāi)治理中也起到了積極作用，美國俄亥俄州曾用二氧化碳?xì)怏w惰化方法，防止煤的自燃，我國東北和山西等礦區(qū)也使用CO₂氣體治理過煤層火災(zāi)，但由于CO₂氣體的生產(chǎn)成本和應(yīng)用工藝等問題，使得該技術(shù)的推廣使用受到制約。

隨著綜放采煤工藝的推廣應(yīng)用，CO₂防滅火技術(shù)與注氮防滅火技術(shù)相比，在初期投資、滅火效益等各方面都有其較強的優(yōu)勢，這對防止采空區(qū)煤層自燃火災(zāi)有積極的作用，因而在我國具有廣闊的應(yīng)用前景。

1 惰性氣體的防滅火原理

惰性氣體分子結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，化學(xué)性質(zhì)極不活潑，在常溫、常壓條件下很難與其它物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，即使在井下高溫火區(qū)內(nèi)，也不會與可燃性氣體或可燃性物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。且隨著空氣中惰性氣體含量增加，氧氣含量必然降低，當(dāng)氧氣含量低至5～10％時，可有效抑制煤炭的氧化自燃，氧氣含量降至3％以下時，可完全抑制煤炭等可燃物的陰燃與復(fù)燃。

基于惰性氣體的性質(zhì)及煤的氧化機理，向綜放面采空區(qū)及浮煤帶注入惰性氣體，使其滲入到采空區(qū)冒落區(qū)、裂隙帶及浮煤帶，降低這些區(qū)域的氧含量，形成惰化帶，從而能夠達(dá)到抑制浮煤自燃的目的。

用惰氣防滅火和阻止瓦斯爆炸的過程稱為惰化，惰化后的火區(qū)因氧氣不足而不能燃燒和爆炸。惰氣的防滅火作用是使采空區(qū)等有關(guān)區(qū)域惰化，具體地說，惰性氣體的防滅火作用和特點是：

1）惰氣可以充滿任何形狀的空間并將氧氣排擠出去，從而使火區(qū)中因氧含量不足而將火源熄滅，或者使采空區(qū)中因氧含量不足而使浮煤不能氧化自燃；

2）在有瓦斯和火存在的氣體爆炸危險區(qū)內(nèi)，注入惰氣能夠使可燃可爆性氣體失去爆炸性；

3）向采空區(qū)或火區(qū)中注入大量惰氣后，可以使其采空區(qū)或火區(qū)呈現(xiàn)正壓狀態(tài)，致使新鮮空氣難以漏入；

4）在惰氣滅火過程中，不會損壞或污染機械設(shè)備和井巷設(shè)施，火區(qū)啟封后，可較快地恢復(fù)生產(chǎn)；

5）惰氣防滅火必須與均壓和其它堵漏風(fēng)措施配合應(yīng)用。否則，如果注入惰氣的采空區(qū)或火區(qū)漏風(fēng)嚴(yán)重，惰氣必然隨漏風(fēng)流失，難以起到防滅火作用。

2 液態(tài)二氧化碳的理化性質(zhì)及其惰化降溫作用

二氧化碳分子量為44，在常溫、常壓下是無色略帶酸味的窒息性氣體，它在不同的壓力、溫度條件下有三種形態(tài)，其熔點為－56.6℃（5.2個大氣壓），臨界溫度為－31.3℃，臨界壓力為72.80大氣壓，二氧化碳具有升華特性，升華點－78.5℃（1個大氣壓）。在低溫加壓下，CO₂氣體可變?yōu)橐簯B(tài)，利用蒸發(fā)潛熱，可做成雪片狀固體，進一步冷卻加壓可制成干冰。

氣態(tài)二氧化碳的密度為1.976kg/m³（0℃，1個大氣壓），是空氣密度的1.529倍，液態(tài)二氧化碳的密度與溫度關(guān)系較大，－20℃時的密度為1.01kg/L，在溫度15℃、1大氣壓下，1噸液態(tài)二氧化碳體積膨脹約640倍。

液態(tài)二氧化碳汽化及固態(tài)二氧化碳升華時都吸收大量的熱，固態(tài)二氧化碳升華時吸熱137kcal/kg，干冰的制冷能力約是水冰的2倍，液態(tài)二氧化碳汽化吸熱隨溫度的不同而不同。

由于二氧化碳是一種窒息性氣體，注入火區(qū)后可降低氧氣含量，使火區(qū)因缺氧而窒息。此外，液體二氧化碳和固體二氧化碳在汽化和升華過程中，會吸收大量的熱，使火區(qū)溫度下降，加快火區(qū)的熄滅。因此，液態(tài)CO₂用于煤層火災(zāi)防治除具有惰氣防滅火作用的共性外，還具有下述特點：

1）液態(tài)CO₂滅火時，CO₂從儲存系統(tǒng)中噴放出來，壓力會驟然下降，使CO₂迅速由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài)，CO₂比空氣的密度大，在熄滅底部火災(zāi)時，可快速沉入底部而擠出氧氣，并在火區(qū)內(nèi)擴散充滿其空間，使火區(qū)內(nèi)氧氣濃度急速下降。

2）液態(tài)CO₂內(nèi)沒有氧氣，向煤層自燃高溫火區(qū)內(nèi)壓注時，可完全避免由于注入惰氣時，可能帶入氧氣而造成的不利影響。

3）液態(tài)CO₂汽化吸收大量的熱，注入高溫火區(qū)的CO₂氣體溫度低，不僅具有對火區(qū)惰化和抑爆的能力，而且可以吸收大量的熱，從而降低火區(qū)溫度。

3液態(tài)二氧化碳防滅火性能分析

液態(tài)二氧化碳中無氧氣、溫度低，且對瓦斯有抑爆作用，灌注時系統(tǒng)流量大，易于調(diào)控，能夠?qū)崿F(xiàn)封閉區(qū)域的快速惰化、降溫和抑爆。

該系統(tǒng)與注氮防滅火系統(tǒng)相比具有以下優(yōu)點：

①惰化速度快。對已采完封閉的綜放采空區(qū)，使用注氮防滅火系統(tǒng)約需7～10天，注入氮氣20萬m³才能使封閉區(qū)域內(nèi)的氧氣濃度降至5%以下；而壓注液態(tài)CO₂，僅需用兩個班的時間，注入約2萬m³的CO₂就可達(dá)到該目的，防滅火效率提高約10倍。

②降溫效果明顯。氣化后的CO₂經(jīng)管路輸送至壓注地點后，出口溫度低，通過現(xiàn)場試驗發(fā)現(xiàn)，當(dāng)氣體出口溫度為16℃時，向封閉的采空區(qū)內(nèi)壓注僅4h，其溫度就會降低2～3℃。

③抑爆效果好。CO₂氣體能使發(fā)生瓦斯爆炸的CH₄濃度下限值升高。實驗研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)混合氣體內(nèi)的CO₂濃度達(dá)到20%時，即使氧氣濃度為15%，瓦斯?jié)舛冗_(dá)到9%，也不會發(fā)生氣體爆炸。

④灌注流量大。液態(tài)CO₂的氣體溫度為-20℃左右,僅需很少的熱量就能使其實現(xiàn)迅速氣化（產(chǎn)氣量可輕易達(dá)到1500m³/h以上），而且通過液態(tài)CO₂流量與氣化溫度的控制能夠?qū)崿F(xiàn)氣液兩相輸送，使得其出口溫度更低，輸送氣體流量更大。

⑤系統(tǒng)維護簡單，初期投資小，使用成本相對較低，性價比好。

液態(tài)CO₂可從距銅川約100km的興平化工廠購買，每噸價格（含運費）約1000元，氣化后可產(chǎn)生氣態(tài)CO₂約600m³，成本約1.6元/m³。由于其防滅火效率是注氮的10倍，因此轉(zhuǎn)換為氮氣，其成本僅為0.16元/m³。