采空區液態二氧化碳灌注工藝優選及應用

岳小棟

(山西省工程職業技術學校, 山西 大同 037006)

采空區遺煤自燃是威脅煤礦安全生產,造成煤礦重特大事故的主要災害之一[1],其本質是煤炭與氧氣發生氧化反應的結果。煤自燃程度取決于環境氧化條件、煤的化學活性及煤炭顆粒尺寸等[2]。漏風供氧是采空區遺煤自燃的主要原因之一[3],可以從隔絕供氧的角度出發防治采空區遺煤自燃。目前采空區遺煤自燃的防治手段包括,均壓通風、黃泥灌漿、注阻化劑和注惰氣等。其中,阻化劑技術具有惰化煤體表面活性結構、阻止煤炭氧化和吸熱降溫,并使煤體長期處于潮濕狀態等優點,但也存在覆蓋范圍有限、阻化效果差和腐蝕井下設備等缺陷;均壓防治技術效果好,能實現有效防滅火的目的,但需要經常調節風壓,控制難度大[4];采空區注漿具有包裹煤體、隔絕煤與氧氣接觸、吸熱降溫、工藝簡單和成本較低等優點,但由于受到流動性制約,不能覆蓋采空區高位遺煤;采用氮氣防滅火則需要考慮采空區開放式注氮氣所達到的治理效果并不明顯等問題[5]。然而,CO2防滅火因其窒息氧化作用、冷卻降溫作用和惰化抑爆作用,使得采空區遺煤可以優先吸附CO2,從而抑制煤的氧化,具有降低采空區氧含量和溫度、阻爆性能好等特點,逐漸得到推廣與應用[6-9]。液態CO2具有純度高、密度大、汽化吸熱和成本低等特性,能夠快速惰化整個采空區,抑制煤氧復合反應。雖然一些學者在CO2防滅火方面開展了大量研究工作并取得了一定成果[10-14],但CO2防滅火是一個復雜的系統工程,缺乏比較完整的對比研究和總結分析,特別是對于液態CO2灌注工藝的選擇方法缺乏合理性。

張集煤礦綜采放頂煤開采方式在開采時遺煤多、煤質松散,給采空區自然發火創造了良好條件,增加了自燃危險性[15]?；趶埣V1415(3)工作面實際情況,結合當前采空區液態CO2防滅火灌注的工藝特點,通過對灌注裝置、管路選擇、降溫效果、適用范圍和工藝難度5個因素進行綜合分析,系統地對灌注工藝進行研究,從而建立適宜的灌注工藝選擇體系。通過設計現場灌注方案,結合數值模擬優選灌注參數,進行工藝現場應用和效果分析,為液態CO2灌注工作提供參考。

1 采空區CO2防滅火技術對比

惰性氣體是一種常用的礦井防滅火手段。CO2由于其密度大、吸附能力強、純度大等優點,相較于氮氣在防滅火工作中更有優勢。氣態CO2應用廣泛,具有操作簡單、技術要求較低的特性,但也存在降溫效果不好等缺點。固態CO2雖然降溫效果好,但存在運輸困難、不易保存、受地形條件影響大、適用范圍較窄等缺點,制約了固態CO2的使用和推廣。相較于氣態和固態,液態CO2由于其良好的降溫效果、易于保存和運輸等特點,成為了更加具有優勢的選擇。液態CO2的安全運輸是采空區CO2防滅火技術的關鍵環節之一。高濃度液態CO2是很強烈的窒息物,因此液態CO2輸送和儲存對設備要求較高,需要采用專門的運輸設備。

2 采空區液態CO2灌注工藝分析

液態CO2防滅火工藝主要有長距離管路直注式輸送、地面液態CO2氣化灌注、井下移動式灌注3種。從灌注裝置、管路選擇、降溫效果、適用范圍和工藝難度5個角度對3種灌注工藝進行對比,如表1所示。

表1 液態CO2灌注工藝對比Table 1 Comparison of liquid CO2 injection processes

2.1 長距離管路直注式輸送

利用長距離管路將大型槽罐車內的液態CO2直接灌注輸送至井下,而后通過井下預埋管路將液態CO2輸送至采空區火災防控區域。該技術能夠保證進入到采空區內部的液態CO2處于低溫狀態,出口位置溫度可低至-15℃。液態CO2能夠以較低溫狀態進入采空區,此時液態CO2在壓力和溫度影響下氣化吸熱,迅速降低采空區灌注口附近一定范圍內的溫度,同時灌注口附近CO2保持三相態,能夠延長液態CO2對采空區內部的降溫時效。

2.2 地面液態CO2氣化灌注

利用地面氣化裝置(自熱式、強熱式升溫裝置)將液態CO2氣化,狀態為氣態或氣液兩相流。液態CO2氣化吸熱,氣化后的CO2一般保持在0℃～5℃。相較于液態,氣態CO2有更高的溫度。在某些不具備將液態CO2運輸至井下的礦井中,采用地面液態CO2氣化,再通過原有氣體運輸管路將其運輸至采空區內部火災防控區域,是相對簡單高效的做法。此工藝能夠起到惰化采空區的作用,同時在降溫方面效果有限。該方法的缺點是CO2冷卻作用相對較小,輸送管路較長;優點是沿管路輸送CO2比向井下灌注液態CO2更易于操作,且流量大,因而通常采用這種方法。

2.3 井下移動式灌注

利用槽罐車運輸液態CO2至井口附近,將其內CO2灌注至便于運輸和移動的小型儲罐中,利用井下原有軌道將小型儲罐運送至井下需要防滅火的區域。利用井下管路或鉆孔,將液態CO2有針對性地輸送至采空區內需要防滅火的區域。井下移動式灌注液態CO2的技術參數包括體積分數、設計壓力、工作壓力、單罐最大容積和單罐總重等,詳細的技術參數如表2所示。通常而言,壓注到井下的CO2以三相混合態居多,液態CO2從-20℃的溫度注入火區內,蒸發吸熱,降溫效果好,冷卻火區的能力大,滅火效果好。缺點是需要使用專用的低溫設備將液態CO2運輸至井下,灌注流量受限。

表2 井下移動式灌注液態CO2技術參數Table 2 Parameters of mobile underground liquid CO2 injection process

綜上可知,地面固定式灌注方式雖然具有很多優點,但是在面對深煤層、長距離的灌輸過程中對灌注設備和管路有更高要求,且由于長距離輸送,液態CO2到達采空區會完全氣化,弱化了液態CO2降溫吸熱的能力。移動式井下灌注方式則可以利用井下管路,將液態CO2有針對性地輸送至采空區需要防滅火的區域,具有更好的靈活性。同時,壓注到井下的CO2以各項混合態為主,由于蒸發吸熱的特性,降溫效果更好,冷卻防滅火區域能力大,效果更好。

3 井下移動式液態CO2灌注系統

井下移動式液態CO2灌注系統主要包括數據采集模塊、數據傳輸模塊、數據處理模塊和灌注模塊。數據采集模塊由氣體濃度傳感器和檢測束管組成,實時監測采空區內部氣體成分,同時將檢測結果反饋給操作系統。數據傳輸模塊包括數據編碼器和PLC數據傳輸系統,在井下復雜且長距離的信息傳輸環境中,選擇PLC傳輸系統保證數據傳輸穩定性,同時編碼器可以將檢測器檢測的數據進行格式轉換,方便信息傳輸。數據處理模塊包括監測主機、數據轉換器和灌注參數優化系統,檢測主機的作用是將現場的數據進行整合和處理,利用灌注參數優化系統,通過預先建立的模型,計算現場條件下合適的參數和工藝。灌注模塊包括灌裝CO2、灌注管路、流量控制裝置和定時器等,其作用就是執行監測主機釋放的信號,利用流量控制裝置和定時器的組合,保證灌注量和灌注壓力的自動控制,利用灌注管路將灌裝CO2以計算好的流量灌注至采空區內部。

第一次灌注時,首先向數據處理模塊當中輸入初始值,數據處理模塊通過數值模擬計算出初始灌注參數,然后將初始灌注參數輸出至灌注控制裝置中,當灌注開始后,由CO2濃度傳感器實時檢測采空區內部CO2體積分數變化。灌注過程中實時進行監測,通過數據采集模塊獲得采空區CO2氣體體積分數數據,經過PLC數據傳輸模塊,送至數據處理模塊。通過數據格式轉換器,將數據處理成系統可識別的數據,利用參數優化系統計算所需的灌注量和灌注時間。通過PLC數據傳輸模塊將優化后的參數傳輸至灌注控制裝置中,通過調節控制裝置內部的閥門大小和定時器所定時間長短實現控制液態CO2灌注條件的目的。

4 實例分析及應用

4.1 礦井概況

張集礦地理位置如圖1所示,礦井位于鳳臺縣城西20 km處,行政區劃分隸屬于鳳臺縣張集鄉。礦井東西走向長約12 km,南北傾斜寬約9 km,面積約71 km2。全井田劃分為4個分區(中央區、北區、西區和東區),采用“分區開拓、分別集中出煤”的布置方式。根據瓦斯基礎資料收集數據,1415(3)工作面回采區域內13-1煤層原始瓦斯壓力為0.4～0.6 MPa,原始瓦斯含量為2.3～4.8 m3/t,平均可解吸瓦斯含量為2.65 m3/t。工作面13-1煤屬Ⅱ類自燃,自然發火期為3～6個月,煤塵具有爆炸危險性,抑制煤塵爆炸最低巖粉量為75%。

圖1 地理位置Fig.1 Geographic location

4.2 現場灌注方案

張集礦1415(3)工作面井下運輸條件較好,且井下安裝有現成的注氮管路。提前鋪設液態CO2灌注管路,管路直徑應為50 mm,材料選用耐壓強度較高、耐低溫的高壓鋼管,管路鋪設方式為埋管鋪設。采空區CO2安全調控系統示意圖,如圖2所示。灌注裝置是由液態CO2灌注系統組成的,灌注系統主要由地面的液態CO2大型槽罐車、礦用移動式小型儲罐和氣體輸送管路構成。液態CO2由專用的液態CO2槽車運至礦井,并逐次灌注到容量為2.00 t和1.26 t的小型儲罐當中,然后通過井下軌道運輸至需要防滅火的區域附近,利用井下的氣體輸送管路將液態CO2輸送至采空區內部。

圖2 采空區CO2安全調控系統示意圖Table 2 Diagram of CO2 safety control system in goaf

1415(3)工作面灌注液態CO2管路布置如圖3所示。從1415(3)運輸順槽向采空區鋪設管路,圖3中用藍色線條表示。圖4為CO2灌注現場圖。采用束管埋管方法,采集回采工作面采空區內氣體并進行色譜分析,了解氣體成分、含量隨工作面推進的變化情況。在工作面布置CO2傳感器從而實時監測灌注過程中采空區CO2體積分數的變化。隨著工作面的推進,采空區氣體(CO、O2等)含量分布發生變化。根據氣體含量變化,自動調控裝置會對CO2注入量進行調節。液態CO2溫度為-26℃～-30℃,礦用移動式液態CO2防滅火裝置出口壓力為0.8～2.0 MPa,出口流量為0.5～4.0 t/h。

圖3 液態CO2管路現場布置Fig.3 On-site pipelines layout for liquid CO2

圖4 井下灌注現場Fig.4 Underground injection site

4.3 灌注數值模擬分析

4.3.1埋管深度和灌注量分析

為了掌握灌注后采空區氣體流場分布情況,根據灌注位置高度,選擇距離底板1 m的剖面作為研究對象。利用Fluent軟件建立采空區模型,根據井下實測風速進行數據設置,而后進行數值模擬,獲得該剖面O2體積分數分布云圖,得出采空區氧化“三帶”分布情況,如圖5所示。

圖5 灌注前O2體積分數分布云圖Fig.5 Cloud map of O2 volume fraction distribution before injection

根據采空區“三帶”分布情況,設置了液態CO2灌注工況模擬(深度30,60,90 m;灌注流量250,500,750,1 000 m3/h),分析液態CO2灌注對上隅角CO2涌出和氧化帶寬度的影響,如圖6所示。

圖6 上隅角CO2涌出體積分數Fig.6 CO2 emission volume fraction in the upper corner

由圖6可知,在埋管深度一定的條件下,上隅角CO2體積分數隨著灌注流量的增加而增加。當埋管深度為30 m,CO2灌注量為750 m3/h和1 000 m3/h時,上隅角有CO2涌出風險。根據模擬結果和氧氣濃度法對采空區進風巷側、距進風巷30 m處和回風巷側3個位置處的氧化帶寬度進行測算,結果見表3所示。

1)在埋管深度為30 m時,隨著CO2灌注量的增加,同一區域的氧化帶寬度減小。其中,采空區靠近進風巷側氧化帶的寬度在灌注前后的變化幅度最大,為46.39 m。當進風巷氧化帶在灌注量超過500 m3/h時,變化幅度開始變小。受灌注量影響,3個位置處的氧化帶寬度變化量最大值分別是0.55 m、12.01 m和12.16 m,分別發生在灌注流量為250～500 m3/h、500～750 m3/h和250～500 m3/h時。

2)在埋管深度為60 m時,采空區靠近進風巷側的氧化帶寬度在灌注前后的變化幅度最大,減小值為45.95 m。當灌注流量超過500 m3/h時,采空區靠近進風巷側氧化帶的寬度不再變化。灌注開始后,受灌注量影響,3個位置處氧化帶寬度變化量最大值分別是0.15 m、2.59 m和13.86 m,分別發生在250～500 m3/h、500～750 m3/h和500～750 m3/h時。

3)在埋管深度為90 m時,由圖5可知,此時進入到窒息帶區域,再注入惰性氣體,已無法起到防滅火作用,故此工況不再進行氧化帶模擬結果分析。

表3 采空區氧化帶模擬結果Table 3 Simulation results of oxidation zone in goaf

4.3.2安全灌注量分析

利用N2注入量的計算公式,可根據氧含量計算CO2注入量,計算公式為:

(1)

式中:QN為CO2注入流量,m3/h;K為系數,取1.2～1.5;Q0為氧化帶漏風量,m3/h;φN為注入CO2體積分數,%;φ1為氧化帶內平均氧體積分數,%;C為氧化帶惰化防火指標。

間歇式壓注CO2時,每次壓注CO2的最多時間用下式計算:

(2)

式中:t為間歇壓注時間,h;V0為氧化帶體積,m3,其計算公式如下:

V0=0.6bhd.

(3)

式中:b為回采面寬度,m;h為采空區有效高度,m;d為采空區深度,m;0.6為冒落系數。

1415(3)工作面長度為168 m,采空區有效高度取3.5 m,采空區深度取60 m;采空區冒落系數取0.6。將這些參數代入式(2)可得,間歇壓注CO2時間為36.74 h。因此,綜合考慮防滅火效果、經濟效益和上隅角CO2不超限等因素,確定埋深30 m時的最佳灌注量為500 m3/h,最佳灌注時間為36.74 h。

4.4 現場灌注結果分析

以11月18日夜班灌注5車為例,分析灌注過程中上隅角CO2體積分數隨時間點的變化,如圖7所示。

圖7 上隅角CO2體積分數隨時間點變化Table 7 Variation of CO2 volume fraction with time in the upper corner

在灌注開始,隨著風流的運移,被風流所攜帶的少量CO2運移至回風巷,導致上隅角CO2體積分數略有上升。隨著時間的推移,CO2體積分數在灌注約20 min后達到第一次峰值。由于灌注氣罐內CO2壓力減小,采空區CO2初始動力相比之前不足,所以第一次峰值后出現CO2體積分數下降趨勢。隨著2:15時刻新氣罐補充灌注液體,注入采空區的CO2推動采空區內沉降的CO2繼續向回風側移動,在50 min后出現第二次CO2體積分數峰值,此次峰值較第一次峰值大。當第三罐液態CO2注入采空區時,氧化帶向著工作面和回風巷偏移,雖然出現CO2體積分數峰值,卻與第二次峰值相比要小。當第四罐液態CO2注入到采空區時,此時采空區大部分區域已經被CO2氣體占據,采空區內部CO2容量達到飽和,所以有一部分CO2從回風側漏出,直到灌注結束之前,CO2體積分數一直保持上升趨勢,且比之前數值都大。

5 結論

1)從灌注裝置、管路選擇、降溫效果、適用范圍和工藝難度5個因素對長距離管路直注式輸送、地面液態CO2氣化灌注和井下移動式灌注3種液態CO2灌注工藝進行對比分析。從滅火效果、經濟效益和安全角度考慮,確定了張集礦1415(3)工作面的最佳選擇是井下移動式灌注液態CO2防滅火工藝。

2)模擬結果顯示,埋深30 m時的最佳灌注流量為500 m3/h,最佳灌注時間為36.74 h。埋管深度一定時,同一區域氧化帶寬度隨著CO2灌注量的增加而減小,采空區靠近進風巷側氧化帶寬度在灌注前后變化幅度最大。當灌注流量超過500 m3/h時,進風巷氧化帶變化幅度開始變小。

3)對數值模擬參數優選結果設計了現場灌注方案,并進行了現場灌注和數據監測。灌注過程中采空區大部分區域能被CO2占據,相應采空區氧化帶分布也向工作面方向偏移,同時上隅角沒有出現CO2超限等安全問題,現場灌注監測數據符合數值模擬結果預期,現場灌注達到了預期效果。