液態碳酐相變降溫惰化防滅火技術實踐

薛再君,完顏曉亮,李向陽,劉宗林,杜瀚林

(1.華亭煤業集團有限責任公司,甘肅 平涼 744100;2.中煤科工集團沈陽研究院有限公司,遼寧 撫順 113122;3.煤礦安全技術國家重點實驗室,遼寧 撫順 113122)

0 引言

易自燃煤層綜放工作面開采過程中漏風供氧難以控制,導致煤自然發火現象嚴重。惰性氣體難以帶走熱量且容易逸散;注膠、灌漿作用范圍小,難以準確直達火源位置;泡沫阻化劑價格高昂,腐蝕性強,作用空間有限。液態碳酐可直接向采空區壓注,隨著壓力瞬間降至常壓,其發生相變并吸收較多熱量,同時形成大量的低溫氣態碳酐,持續擴散至高溫區域,使高溫點或火點迅速降溫,加速了火源熄滅。液態碳酐兼具降溫、惰化、阻燃和阻爆性能,更有利于煤自然發火的防治。

國內外學者對碳酐抑制煤自燃機理進行了大量的研究。其中,部分學者將反向色譜獲取的數據以Van’t Hoff方程為計算模型對過程中的吸附熱進行定量計算,通過等溫吸附實驗對Argonne Premium地區煤樣研究,選取Clausius-Clapeyron方程對實驗數據分析從而對吸附熱進行計算[1-4]。建立了五龍礦綜放采空區遺煤自燃的三維數值模型,得到了與現場情況基本相符的速度場、濃度場、自燃“三帶”劃分及遺煤升溫過程[5-8]。以棗泉礦為研究背景,對巷道頂部松散煤體的自然發火問題進行研究,構建了包括巷道頂部松散煤體和巷道在內的煤自燃三維數學物理模型[9-11]。DURMAZ T、LI Z B、WEN H等[12-14]構建了基于溫度變化的采空區動態,發現液態碳酐在采空區降溫方面相比于固態碳酐具有明顯優勢。

以液態碳酐壓注防滅火技術為背景的研究中缺少大范圍空間內液態碳酐注入高溫區域后氣體、溫度等物理場的實時監測,而由于現場條件復雜、干擾因素較多,僅依據上隅角、工作面等位置的自燃指標氣體變化并不能準確地對液態碳酐的滅火效果進行評價。鑒于此,以鄂爾多斯礦區某礦綜放工作面為研究對象,重點研究液態碳酐注入采空區發生相變的前后過程中溫度與氣體濃度的變化及分布,以期對“長距離”條件下液態碳酐相變防滅火技術的實踐提供借鑒。

1 碳酐相態理論

碳酐呈現氣態的理論條件為當碳酐溫度大于-56.6 ℃且壓力處于所對應溫度飽和壓力以下;碳酐可呈現固態的理論條件為溫度在-56.6 ℃以下;同時,溫度為-78.5～-56.6 ℃時,固態碳酐可直接升華為氣態。當儲存、輸送設備壓力為0.52～7.83 MPa且其內部溫度為-56.6～31 ℃時,壓力處于所對應溫度飽和壓力以上,碳酐將以液態的形式存在。碳酐相態理論參數見表1,碳酐相態圖如圖1所示。

表1 碳酐相態理論參數

2 物性參數及性能比較

2.1 液態碳酐物性參數

液態碳酐的密度值和汽化潛熱量與其溫度呈負相關性。膨脹體積(25 ℃、0.10 MPa狀態下)與液態碳酐溫度呈現負相關性,而飽和蒸汽壓則相反。不同溫度液態碳酐物性參數變化趨勢如圖2所示,具體對照見表2。

圖2 不同溫度液態碳酐物性參數變化趨勢

表2 不同溫度液態碳酐物性參數對照

2.2 液氮與碳酐防滅火性能比較

氣態碳酐與空氣密度比為1.53,是氮氣與空氣密度比的1.6倍,當注入采空區時,相比于氮氣,汽化后的液態碳酐能夠更好地覆蓋采空區遺煤。氣態碳酐更易被煤體表面吸附,由表3可知,單位質量煤對氣態碳酐的吸附量是48 L/kg,其對氮氣的吸附量是8 L/kg,前者為后者的6倍,能更好地抑制煤體自燃;碳酐相比于氮氣在阻燃性能及阻爆性能方面均具有明顯優勢。

表3 氮氣與碳酐防滅火特性對照

2.3 固態碳酐與液態碳酐性能比較

1 m3固態碳酐(-78.5 ℃)在0.1 MPa、25 ℃狀態下經過升華可得到789 m3的氣態碳酐,若將固態碳酐直接放置于采空區中,由于其升華速率較慢,實際應用中在短時間內難以達到防滅火所需的充足惰化氣體量。應用固態碳酐相變發生器能持續、穩定地產出氣態碳酐,單臺固態碳酐相變發生器的出氣量可達到0.5 m3/min,出氣溫度可以維持在6～8 ℃,在注入高溫煤體后能快速惰化煤體、降低煤溫,且停止注氣后煤溫回升較慢。

1 m3液態碳酐(-30 ℃)在0.1 MPa、25 ℃狀態下經過汽化可得到約為600 m3的氣態碳酐,汽化速率快,可滿足高流量、較大范圍撲滅井下火區的要求。液態碳酐汽化時的吸熱量與其自身初始狀態有密切關系,其汽化時總吸熱量由汽化潛熱、升溫吸熱2部分組成,以-30 ℃液態碳酐直接壓入采空區為例,其1 kg單位質量汽化潛熱值在293.63～311.75 kJ,液態碳酐汽化后溫度由-30 ℃升至25 ℃,平均等壓比熱容為0.836 kJ/(kg·k),最終1 kg溫度為-30 ℃的液態碳酐在采空區汽化升溫后的總吸熱量在339.61～357.73 kJ。

相比之下,由固態碳酐相變發生器產出的1 kg氣態碳酐注入采空區后,其溫度由出氣溫度升高至25 ℃時,吸收的熱量在14.212～15.884 kJ。因此,液態碳酐在采空區降溫方面相比于固態碳酐具有明顯優勢[14]。

3 相變降溫惰化防火技術示范

3.1 工作面自然發火隱患

某礦021601工作面回采煤層平均厚度9.8 m,煤層為Ⅰ類易自燃煤層。采用綜放開采,采空區內遺煤較多,回撤期間采空區漏風加劇。

3.2 液態碳酐管路輸送條件

采用液態碳酐對采空區實施大面積惰化。在向采空區長距離輸送液態碳酐過程中,為防止其發生結冰及爆震,基于液態碳酐氣化過程中易結冰的三相點理論,設計管路壓力嚴格控制在0.52 MPa以上,管路溫度保持在-56.6～31.3 ℃。

3.3 輸送液態碳酐系統

輸送液態碳酐系統如圖3所示。

圖3 輸送液態碳酐系統

3.4 現場施工過程

將保溫保壓輸送管路鋪設于地面施工鉆孔及井下,鉆孔內管路長度250 m,井下管路長度430 m,保證管內溫度穩定在-30 ℃上下,壓注液態碳酐前對管道內部實施升壓保壓,控制管道內部壓力在1.4 MPa以上,并對壓注壓力及出口壓力進行嚴格控制。

選用耐高壓隔熱保溫2寸管作為超臨界態碳酐輸送管路,在管路上按要求安裝儀器儀表及控制閥門;嚴格檢測施工管路的氣密性;對防火管路進行試壓,將管線壓力緩慢升至1.6～2.2 MPa,保壓處理并全面檢查管路及其組件是否存在泄壓;在確保管路保壓的前提下,向保溫保壓管路中緩慢注入液態碳酐,檢測管路內部壓力及溫度,當管路內壓力值在1.6～2.0 MPa時,將井下控制閥門組件打開,通過調節井上、下閥門,對系統壓力及流量加以控制。注入液態碳酐過程結束后,關閉槽罐車液相控制閥,打開槽罐車氣相控制閥,同時將管路末端控制閥打開,利用氣態碳酐對防火系統整體進行吹掃,將管路內部液態碳酐全部排空。

3.5 大范圍惰化采空區實施方案

實施大范圍相變惰化是021602綜放工作面在回撤前及整個回撤階段防火工作的重點。當工作面回采至距停采線150 m時,每推進25 m在風、機兩巷砌筑一道厚度不少于1 m的隔離墻,隔離墻嚴格按照要求接頂并夯實加固,以減少采空區漏風。由臨近021602工作面回風順槽向021601綜放工作面進風順槽巷中頂板布設3個鉆孔,終孔位置分別位于021602綜放工作面回風順槽沿煤層走向距停采線50 m、100 m、150 m處,當鉆孔布設完成后,將注液態碳酐管路安裝鋪設到鉆孔中,施工鉆孔如圖4所示。

圖4 施工鉆孔

井上、下構建注液態碳酐系統,并與壓注管路緊密對接。加注順序為:地面槽車→地面垂直鉆孔→回風下山→輸送液態碳酐管路(DN50)→輸液高壓軟管→021602回風巷壓注液態碳酐管路→021602回風巷鉆孔→021601采空區。分別于工作面推進至距停采線102.4 m、53.6 m時對021601采空區采取壓注液態碳酐防火措施。兩次壓注液態碳酐的管路分別位于距離停采線150 m和100 m處。壓注到采空區的液態碳酐處于采空區自然發火“氧化帶”,間斷性壓注3 d,每天壓注5～8 h。由150 m處鉆孔注入液態碳酐累計191 t,由100 m處鉆孔注入液態碳酐累計207 t。

4 效果分析

氣體、溫度監測數據如圖5～8所示。

圖5 距停采線150 m壓注液態碳酐前后CO濃度變化

圖6 距停采線100 m壓注液態碳酐前后CO濃度變化

圖7 距停采線100 m壓注液態碳酐期間CO濃度變化

圖8 距停采線100 m壓注液態碳酐前后采空區溫度變化

在021601綜放工作面距離停采線102.4 m、63.6 m時分別由距停采線150 m、100 m管路間斷式壓注液態碳酐,每次壓注歷時3 d,并在壓注液態碳酐工作完成后對回風流、工作面、上隅角進行為期12 d的CO氣體濃度監測。監測結果顯示,綜放工作面完成液態碳酐壓注后,3處重點監測區域CO濃度均處于30×10-6以下,回風流處CO濃度均處于15×10-6以下,并處于相對穩定的上下浮動狀態,未見明顯上升趨勢。

在第二次壓注液態碳酐期間,完成了對距離停采線150 m深度的采空區CO氣體濃度監測,監測結果顯示,在未采取防火措施前,隨著臨近工作面回采結束,回采速度放緩,采空區遺煤氧化程度加劇,CO濃度在250×10-6上下波動,采取防火措施后CO濃度降至150×10-6以下并繼續呈現下降趨勢,最終降至70×10-6以下。

在021601綜放工作面距離停采線63.6 m時第二次向采空區壓注液態碳酐,在壓注液態碳酐期間前后,進行為期20 d的采空區溫度實時監測。監測結果顯示,在距離停采線130 m、150 m、170 m這3處測溫點的溫度均呈現明顯的下降趨勢,驗證了液態碳酐對采空區大范圍降溫的可行性,在后續的監測中,隨著測點逐漸進入采空區遺煤氧化窒息帶,測點溫度繼續呈現緩慢下降趨勢。

5 結論

(1)基于碳酐相態理論,分析碳酐呈現固、液、氣三態的理論壓力及溫度范圍;將液態碳酐與液氮、固態碳酐防滅火性能進行對比分析,得出液態碳酐在降溫、惰化性能方面均具有明顯優勢。

(2)設計提出對021601綜放工作面采空區實施長距離壓注液態碳酐的防滅火技術手段,壓注系統中輸送管路應用保壓、保溫技術,保證管內溫度穩定在-30 ℃上下,管道內部壓力在1.4 MPa以上,以防止輸送液態碳酐過程中發生結冰及爆震現象。

(3)針對鄂爾多斯礦區某礦易自燃煤層綜放工作面回撤期間存在的遺煤多、漏風大等防火隱患,對采空區遺煤進行相變惰化,分兩次間斷式壓注液態碳酐,壓注完成后對回風流、工作面、上隅角進行為期12 d的CO氣體濃度監測。監測結果顯示,完成液態碳酐壓注后,上隅角、工作面2處重點監測區域CO濃度均處于30×10-6以下,回風流處CO濃度處于15×10-6以下;同時,在距離停采線130 m、150 m、170 m這3處測溫點的溫度均呈現明顯的下降趨勢,驗證了液態碳酐對采空區大范圍降溫的可行性。