基于防治煤自燃的煤礦防滅火裝置的設(shè)計(jì)分析

＊劉廷方 魏琦 田亮

（陜煤集團(tuán)神木張家峁礦業(yè)有限公司 陜西 719300）

引言

隨著開采深度的不斷增加，導(dǎo)致開采難度也不斷增加，主要表現(xiàn)為火災(zāi)。經(jīng)過不完全統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，我國煤炭很多存在自燃的現(xiàn)象，因此在開采的過程中會發(fā)生火災(zāi)，從而危及開采人員的生命安全，給國家的經(jīng)濟(jì)帶來一定的損害。為此需要對開采作業(yè)的防火措施進(jìn)行探究。為此筆者設(shè)計(jì)了膠體阻化泡沫制備裝置，進(jìn)而可以噴射出膠體阻化泡沫，這樣可以把采空區(qū)域進(jìn)行較好地填充，可以有效地降低氧氣的含量，將減少煤和氧的結(jié)合率，以此可以有效地解決采空區(qū)域的自燃現(xiàn)象。

1.研究方案

(1)技術(shù)路線

當(dāng)前煤炭開采數(shù)量不斷增加，從而大大增多礦井采空區(qū)，經(jīng)過調(diào)查發(fā)現(xiàn)采空區(qū)域是一個極易發(fā)生火災(zāi)的區(qū)域。如果采空區(qū)域出現(xiàn)非常復(fù)雜的情況，那么有可能出現(xiàn)自燃點(diǎn)不確定的現(xiàn)象。與此同時由于面積相對較大，導(dǎo)致不容易進(jìn)行填充，往往極易發(fā)生火災(zāi)。為此選擇膠體阻化泡沫可以大大增強(qiáng)采空區(qū)域的填充效果，這樣可以填充整個采空區(qū)域，與此同時可以大大降低含氧量，可惰化氣體，進(jìn)而可以最大程度的起到防火的效果。

(2)總體設(shè)計(jì)

如果采空區(qū)域發(fā)生了火災(zāi)，而防火方式選擇傳統(tǒng)的形式，那么將直接導(dǎo)致防火效果不佳，并且由于堆積效果不好，進(jìn)而不能更好地找到火源，最終不能較好地起到防火的效果。由此可以看出，防火材料以及裝備必須具有極易填充的效果，并且能夠覆蓋整個區(qū)域，從而降低該區(qū)域的含氧量以及惰化的效果。圖1為總體設(shè)計(jì)圖。

圖1 膠體阻化泡沫制備裝置總體設(shè)計(jì)思路圖

在實(shí)施的過程中，需要將高壓水以一定的比例融合到射流中，這樣可以保證形成較好的負(fù)壓。同時還需要在一級、二級發(fā)泡裝置中設(shè)置氮?dú)?，將其進(jìn)行充分混合，最終在噴射的過程中采空區(qū)域?qū)罅康亩逊e，最終起到防止自燃的效果。

(3)射流比例混合器

圖2是射流比例混合器結(jié)構(gòu)圖，主要借助高速流體來獲取能量。通常射流比例混合器參數(shù)是由如下幾個因素決定的：第一，高壓水進(jìn)口壓力；第二，吸液量；第三，高壓水流量。通常噴嘴直徑與喉管直徑與壓力之間呈現(xiàn)正比。依據(jù)相應(yīng)的計(jì)算發(fā)現(xiàn)，以黃銅比例式水泡沫混合器。當(dāng)供水壓力達(dá)到一定比例時，噴嘴位置處的負(fù)壓也逐漸增加，從而大大增加了吸附能力。

圖2 射流比例混合器結(jié)構(gòu)示意圖

(4)裝置構(gòu)件的確定

必須對膠體阻化泡沫裝置中的流量、壓力值進(jìn)行監(jiān)督，傳統(tǒng)的壓力表以及流量計(jì)具有獨(dú)立工作以及分別測量的特點(diǎn)，可是在工程實(shí)踐的過程中存在一定的問題。為此本文選取有溫度補(bǔ)償?shù)臏u流流量計(jì)，其具有安裝方便、便于同時檢測流量以及壓力值。

選擇噴嘴時，通常情況下，膠體阻化混合液從噴嘴噴到發(fā)泡網(wǎng)，以便于更好地噴灑。本文選用螺旋噴嘴，其選用的材質(zhì)為不銹鋼，噴嘴的噴射角度設(shè)定為60°。通常發(fā)泡網(wǎng)可以選擇不銹鋼材質(zhì)，網(wǎng)目密度選擇35目/平方英寸。

(5)尺寸設(shè)計(jì)

一般噴嘴與發(fā)泡網(wǎng)兩者之間的參數(shù)大都如下三個可供選擇：第一，15cm；第二，20cm；第三，25cm，以經(jīng)驗(yàn)選擇20cm。與此同時，噴射角度選擇60°，進(jìn)而可以依據(jù)線面的公式即可計(jì)算出發(fā)泡室外觀直徑：

通過上述計(jì)算可以得到發(fā)泡網(wǎng)直徑為60cm。圖3表示對應(yīng)的膠體阻化泡沫制備裝置設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖。

圖3 膠體阻化泡沫制備裝置結(jié)構(gòu)圖

2.應(yīng)用測試

(1)抑制煤氧化試驗(yàn)測試

為了更好地說明實(shí)驗(yàn)效果，需要將原樣煤劃分為兩個部分：第一，保持原樣不變；第二，通過煤進(jìn)行膠體阻化泡沫進(jìn)行處理。在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時，主要涉及如下幾個方面的參數(shù)：第一，耗氧量；第二，氣體組成部分；第三，臨界溫度；第四，放熱量等。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，膠體阻化泡沫阻止煤自燃的作用，圖4為實(shí)驗(yàn)裝置示意圖。

圖4 試驗(yàn)裝置圖

經(jīng)過大量的實(shí)驗(yàn)可以看出，在經(jīng)過泡沫處理后，煤的耗氧量將會顯著下降，而對比著原煤在氧耗突變的溫度達(dá)到80℃，而經(jīng)過處理的突變溫度則在110℃，大大提高了突變溫度。對一氧化碳進(jìn)行測試發(fā)現(xiàn)，對于樣煤而言，其在80℃后明顯增多。而經(jīng)過處理后一氧化碳在100℃后才開始明顯增加，由此可以看出，膠體阻化泡沫能夠更好地對煤氧進(jìn)行結(jié)合，從而大大降低了一氧化碳的含量。而對于二氧化碳而言，經(jīng)過處理后的樣煤其突變溫度從60℃變成90℃。與此同時對甲烷、乙炔、乙烯等氣體進(jìn)行實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，其產(chǎn)量也大大小于樣煤的含量。

(2)工業(yè)測試

在某煤礦7309工作面進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，借助該裝置對采空區(qū)進(jìn)行噴射泡沫，井下高壓水作為動力條件，將膠體阻化泡沫噴射到防火區(qū)域。經(jīng)過測量發(fā)現(xiàn)在工作面上泡沫可以擴(kuò)散到10m的位置，與此同時在管路中溢出量相對較少，堆積性相對較好，基本達(dá)到接頂?shù)臓顟B(tài)。注入膠體阻化泡沫后，一氧化碳與二氧化碳的含量都不斷減少，最后基本達(dá)到0，并趨于穩(wěn)定狀態(tài)。由此可以看出，該裝置可以大大降低煤自燃的幾率。同時動力方面選用井下高壓水以及氮?dú)?，這樣不僅安全可靠而且方便。

3.結(jié)語

在對采空區(qū)域的火災(zāi)情況進(jìn)行調(diào)研發(fā)現(xiàn)，設(shè)計(jì)出交替阻化泡沫制備裝置。首先確定膠體阻化泡沫裝置的總體設(shè)計(jì)圖，再確定各個構(gòu)建的結(jié)構(gòu)以及參數(shù)。接著對該裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)該裝置在防止煤自燃方面發(fā)揮著非常大的作用。最后，將其應(yīng)用到某礦7309工作面，經(jīng)過工程實(shí)踐可以發(fā)現(xiàn)，該裝置安全可靠，便于操作，防治煤自燃方面效果良好，由此可以看出該裝置可以防止井下煤自燃，從而可以大大降低安全事故，因此具有一定的可推廣性。