基于防止煤自燃的煤礦防火裝置的設(shè)計(jì)應(yīng)用 *

郝亞兵

(西山煤電(集團(tuán))有限責(zé)任公司通風(fēng)處，山西 太原 030024)

0 引 言

作為煤炭消耗大國之一，我國的煤炭開采量也在逐年急增。我國煤炭存儲(chǔ)量雖大，但其存儲(chǔ)地質(zhì)環(huán)境比較復(fù)雜，工業(yè)開采條件相對不便，隨著開采量越來越大，礦井開采深度和難度不斷增加，開采過程中常常伴隨著很多危險(xiǎn)因素，其中，火災(zāi)發(fā)生的可能性極高，我國一半的礦井存在自燃的可能，煤礦火災(zāi)事故不僅威脅著開采事業(yè)、國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，還嚴(yán)重威脅著開采工作者的生命安全，因此開采作業(yè)中的防火設(shè)施的研究和投入十分重要。筆者研究設(shè)計(jì)一種膠體阻化泡沫制備裝置，通過制備膠體阻化泡沫并將其充分填充至采空區(qū)，得到降低采空區(qū)氧含量，從而降低煤氧結(jié)合[1]，以期解決采空區(qū)煤自燃問題。

1 研究方案

1.1 技術(shù)路線

隨著煤炭開采強(qiáng)度的不斷增長，礦井采空區(qū)面積越來越大，而采空區(qū)正是開采中最易發(fā)生自燃火災(zāi)的區(qū)域。一般采空區(qū)環(huán)境復(fù)雜，面積大，自燃點(diǎn)不易確定，而且由于面積大，很難進(jìn)行填充，火災(zāi)防治效果不理想。文中設(shè)計(jì)思路是采用膠體阻化泡沫防火，將膠體阻化泡沫填充至采空區(qū)，不僅易填充、可達(dá)任何角落，而且可以降低環(huán)境中氧氣含量，可惰化氣體，有較好的防自燃防火效果，因此提出通過設(shè)計(jì)膠體阻化泡沫制備裝置而達(dá)到防治礦井采空區(qū)煤自燃的目標(biāo)。

1.2 總體設(shè)計(jì)

采空區(qū)發(fā)生火災(zāi)時(shí)由于面積大火源點(diǎn)不易找到，通常用的防火材料堆積性不好，難以填充至整個(gè)空間，因此可能到達(dá)不了火源處，也就達(dá)不到火災(zāi)防治作用，因此所設(shè)計(jì)防火材料、裝備必須易堆積、易填充，可達(dá)采空區(qū)整個(gè)空間包括高位空間，且對采空區(qū)空間降氧、惰化和堵漏效果明顯[2]。此文研究設(shè)計(jì)的膠體阻化泡沫制備裝置具備上述特點(diǎn)?？傮w設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 膠體阻化泡沫制備裝置總體設(shè)計(jì)思路圖

工作時(shí)，高壓水進(jìn)入射流比例混合器內(nèi)形成負(fù)壓，膠體阻化液被吸入后與高壓水混合，在一級(jí)、二級(jí)發(fā)泡裝置內(nèi)與氮?dú)庾饔贸浞职l(fā)泡，最終泡沫輸送至采空區(qū)進(jìn)行填充堆積，達(dá)到煤自燃防治作用。

1.3 射流比例混合器

射流比例混合器結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。其利用高速流體獲取能量和質(zhì)量，將其按一定比例混合。已知高壓水進(jìn)口壓力，高壓水流量、吸液量可以確定射流比例混合器其他尺寸及參數(shù)。噴嘴直徑和喉管直徑與壓力成正比，猴嘴距和喉管長與壓力成反比，擴(kuò)散管出口直徑確定時(shí)，其長度與壓力成正比。根據(jù)分析計(jì)算，本文選擇黃銅比例式水泡沫混合器[3]。此外，供水壓力增加時(shí)，噴嘴處負(fù)壓隨之增加，吸附能力將變大，射流比例混合器壓力損失率會(huì)有變化，根據(jù)計(jì)算分析，可以設(shè)定供水壓力在0.8～1.0 MPa之間。

圖2 射流比例混合器結(jié)構(gòu)示意圖

1.4 裝置構(gòu)件的確定

膠體阻化泡沫制備裝置工作中對壓力和流量的精確數(shù)值要時(shí)刻進(jìn)行測定和控制，常用的壓力表和流量計(jì)通常獨(dú)立工作、分別測量，操作難度增加，本文選擇帶有溫差補(bǔ)償?shù)臏u街流量計(jì)，安裝操作簡便且可同時(shí)測流量和壓力。

噴嘴的選擇，工作時(shí)膠體阻化混合液經(jīng)噴嘴噴至發(fā)泡網(wǎng)，需均勻噴灑，文中選擇螺旋噴嘴，材質(zhì)為不銹鋼，噴嘴噴射角60°、外螺紋直徑3/4。發(fā)泡網(wǎng)選用不繡鋼材質(zhì)，網(wǎng)目密度選擇35目/平方英寸。截止閥選用球型礦用截止閥，內(nèi)螺紋、內(nèi)部裝有濾網(wǎng)，尺寸為DN25。快速接頭選用PC螺紋直通型快速接頭，膠管選擇相匹配的高壓膠管。其他構(gòu)件按需選擇，不再贅述。

1.5 整體尺寸設(shè)計(jì)

根據(jù)選用的螺旋噴嘴的參數(shù)，噴嘴到發(fā)泡網(wǎng)的距離大致為15 cm，20 cm，25 cm，最佳距離取20 cm ，結(jié)合噴射角度60°，計(jì)算發(fā)泡室外觀直徑：

分別計(jì)算得出發(fā)泡室外管直徑為60cm。膠體阻化泡沫制備裝置設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 膠體阻化泡沫制備裝置結(jié)構(gòu)圖

2 應(yīng)用測試

2.1 抑制煤氧化試驗(yàn)測試

準(zhǔn)備適量原樣煤分為兩部分，一部分保持原狀不變，另一部分經(jīng)膠體阻化泡沫處理，對兩者進(jìn)行升溫加熱，通過測定不同溫度下兩者的耗氧率、各種標(biāo)志性氣體的生成量、臨界溫度、放熱量等現(xiàn)象[4]，總結(jié)膠體阻化泡沫在防治煤自燃中的作用。實(shí)驗(yàn)裝置如圖4所示。

圖4 試驗(yàn)裝置圖

通過試驗(yàn)測試發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過泡沫處理的煤樣耗氧速率明顯降低，原煤耗氧率突增的臨界點(diǎn)為80 ℃，而經(jīng)處理的煤樣的耗氧率突增臨界點(diǎn)為110 ℃，使臨界溫度提高30 ℃。同時(shí)對原煤樣CO產(chǎn)生量在80 ℃時(shí)發(fā)生，80℃之后明顯加快，經(jīng)處理的煤樣CO產(chǎn)生量突增臨界點(diǎn)為100 ℃，表明膠體阻化泡沫有效抑制了煤氧結(jié)合，降低了CO產(chǎn)生。CO2產(chǎn)生量突增臨界點(diǎn)由60 ℃提升至90 ℃，此外經(jīng)過處理的煤樣的CH4、C2H4、C2H6的產(chǎn)生量也明顯低于原煤樣，經(jīng)過處理的煤樣的干裂溫度提高了大約20℃。

2.2 工業(yè)測試

設(shè)計(jì)完成后，在某煤礦的7309工作面對所設(shè)計(jì)裝置進(jìn)行了工業(yè)試驗(yàn)，該工作面在回采期間停采了一段時(shí)間，利用停采時(shí)間并選擇環(huán)境適宜的時(shí)間進(jìn)行了實(shí)際測試。

試驗(yàn)時(shí)，利用設(shè)計(jì)的膠體阻化泡沫制備裝置向采空區(qū)壓注泡沫。井下高壓水做為動(dòng)力條件，經(jīng)過圖2所示的各環(huán)節(jié)，產(chǎn)生膠體阻化泡沫并注入至防火區(qū)域。膠體阻化泡沫在工作面橫向擴(kuò)散至約10 m，且管路內(nèi)少有溢出，且具有良好的堆積性，基本接頂。

泡沫注入前，采空區(qū)最初CO濃度維持在穩(wěn)定值，CO2濃度也是小范圍增加，基本穩(wěn)定，某日CO濃度迅速增加，之后CO2濃度隨之增加。在注入膠體阻化泡沫后，CO、CO2濃度迅速減少，最終數(shù)值接近0并保持穩(wěn)定。說明膠體阻化泡沫對防治煤自燃有顯著效果，且泡沫制備裝置設(shè)計(jì)由井下高壓水和N2作為動(dòng)力，安全可靠、便于使用，此外膠體阻化泡沫還同時(shí)具有良好的填充、堆積效果。

3 結(jié) 語

根據(jù)煤礦采空區(qū)火災(zāi)的特點(diǎn)，提出設(shè)計(jì)膠體阻化泡沫制備裝置對采空區(qū)煤自燃進(jìn)行防治。

(1) 根據(jù)采空區(qū)自燃火災(zāi)特點(diǎn)，給出設(shè)計(jì)思路，進(jìn)而提出膠體阻化泡沫制備裝置的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，通過逐一確定各構(gòu)件的型式、結(jié)構(gòu)和參數(shù)，最終得出裝置的結(jié)構(gòu)圖。

(2) 對所設(shè)計(jì)的膠體阻化泡沫制備裝置進(jìn)行試驗(yàn)測試，通過分析特定氣體變化現(xiàn)象，得出本裝置具有良好的防治煤自燃的作用。

(3) 利用某礦7309工作面的停采時(shí)間，對設(shè)計(jì)的膠體阻化泡沫制備裝置進(jìn)一步進(jìn)行了實(shí)際工業(yè)測試，測試表明本裝置安全可靠，簡單易操作，填充堆積有效，防治煤自燃效果良好，在礦井采空區(qū)煤自燃防治方面有良好的應(yīng)用價(jià)值。