采空區(qū)液態(tài)二氧化碳灌注工藝優(yōu)選及應(yīng)用

岳小棟

(山西省工程職業(yè)技術(shù)學(xué)校, 山西 大同 037006)

采空區(qū)遺煤自燃是威脅煤礦安全生產(chǎn),造成煤礦重特大事故的主要災(zāi)害之一[1],其本質(zhì)是煤炭與氧氣發(fā)生氧化反應(yīng)的結(jié)果。煤自燃程度取決于環(huán)境氧化條件、煤的化學(xué)活性及煤炭顆粒尺寸等[2]。漏風(fēng)供氧是采空區(qū)遺煤自燃的主要原因之一[3],可以從隔絕供氧的角度出發(fā)防治采空區(qū)遺煤自燃。目前采空區(qū)遺煤自燃的防治手段包括,均壓通風(fēng)、黃泥灌漿、注阻化劑和注惰氣等。其中,阻化劑技術(shù)具有惰化煤體表面活性結(jié)構(gòu)、阻止煤炭氧化和吸熱降溫,并使煤體長期處于潮濕狀態(tài)等優(yōu)點(diǎn),但也存在覆蓋范圍有限、阻化效果差和腐蝕井下設(shè)備等缺陷;均壓防治技術(shù)效果好,能實(shí)現(xiàn)有效防滅火的目的,但需要經(jīng)常調(diào)節(jié)風(fēng)壓,控制難度大[4];采空區(qū)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(yōu)點(diǎn),但由于受到流動(dòng)性制約,不能覆蓋采空區(qū)高位遺煤;采用氮?dú)夥罍缁饎t需要考慮采空區(qū)開放式注氮?dú)馑_(dá)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(qū)遺煤可以優(yōu)先吸附CO2,從而抑制煤的氧化,具有降低采空區(qū)氧含量和溫度、阻爆性能好等特點(diǎn),逐漸得到推廣與應(yīng)用[6-9]。液態(tài)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(gè)采空區(qū),抑制煤氧復(fù)合反應(yīng)。雖然一些學(xué)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(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程,缺乏比較完整的對(duì)比研究和總結(jié)分析,特別是對(duì)于液態(tài)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(shí)遺煤多、煤質(zhì)松散,給采空區(qū)自然發(fā)火創(chuàng)造了良好條件,增加了自燃危險(xiǎn)性[15]?；趶埣V1415(3)工作面實(shí)際情況,結(jié)合當(dāng)前采空區(qū)液態(tài)CO2防滅火灌注的工藝特點(diǎn),通過對(duì)灌注裝置、管路選擇、降溫效果、適用范圍和工藝難度5個(gè)因素進(jìn)行綜合分析,系統(tǒng)地對(duì)灌注工藝進(jìn)行研究,從而建立適宜的灌注工藝選擇體系。通過設(shè)計(jì)現(xiàn)場灌注方案,結(jié)合數(shù)值模擬優(yōu)選灌注參數(shù),進(jìn)行工藝現(xiàn)場應(yīng)用和效果分析,為液態(tài)CO2灌注工作提供參考。

1 采空區(qū)CO2防滅火技術(shù)對(duì)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(qiáng)、純度大等優(yōu)點(diǎn),相較于氮?dú)庠诜罍缁鸸ぷ髦懈袃?yōu)勢。氣態(tài)CO2應(yīng)用廣泛,具有操作簡單、技術(shù)要求較低的特性,但也存在降溫效果不好等缺點(diǎn)。固態(tài)CO2雖然降溫效果好,但存在運(yùn)輸困難、不易保存、受地形條件影響大、適用范圍較窄等缺點(diǎn),制約了固態(tài)CO2的使用和推廣。相較于氣態(tài)和固態(tài),液態(tài)CO2由于其良好的降溫效果、易于保存和運(yùn)輸?shù)忍攸c(diǎn),成為了更加具有優(yōu)勢的選擇。液態(tài)CO2的安全運(yùn)輸是采空區(qū)CO2防滅火技術(shù)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。高濃度液態(tài)CO2是很強(qiáng)烈的窒息物,因此液態(tài)CO2輸送和儲(chǔ)存對(duì)設(shè)備要求較高,需要采用專門的運(yùn)輸設(shè)備。

2 采空區(qū)液態(tài)CO2灌注工藝分析

液態(tài)CO2防滅火工藝主要有長距離管路直注式輸送、地面液態(tài)CO2氣化灌注、井下移動(dòng)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(gè)角度對(duì)3種灌注工藝進(jìn)行對(duì)比,如表1所示。

表1 液態(tài)CO2灌注工藝對(duì)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(nèi)的液態(tài)CO2直接灌注輸送至井下,而后通過井下預(yù)埋管路將液態(tài)CO2輸送至采空區(qū)火災(zāi)防控區(qū)域。該技術(shù)能夠保證進(jìn)入到采空區(qū)內(nèi)部的液態(tài)CO2處于低溫狀態(tài),出口位置溫度可低至-15℃。液態(tài)CO2能夠以較低溫狀態(tài)進(jìn)入采空區(qū),此時(shí)液態(tài)CO2在壓力和溫度影響下氣化吸熱,迅速降低采空區(qū)灌注口附近一定范圍內(nèi)的溫度,同時(shí)灌注口附近CO2保持三相態(tài),能夠延長液態(tài)CO2對(duì)采空區(qū)內(nèi)部的降溫時(shí)效。

2.2 地面液態(tài)CO2氣化灌注

利用地面氣化裝置(自熱式、強(qiáng)熱式升溫裝置)將液態(tài)CO2氣化,狀態(tài)為氣態(tài)或氣液兩相流。液態(tài)CO2氣化吸熱,氣化后的CO2一般保持在0℃～5℃。相較于液態(tài),氣態(tài)CO2有更高的溫度。在某些不具備將液態(tài)CO2運(yùn)輸至井下的礦井中,采用地面液態(tài)CO2氣化,再通過原有氣體運(yùn)輸管路將其運(yùn)輸至采空區(qū)內(nèi)部火災(zāi)防控區(qū)域,是相對(duì)簡單高效的做法。此工藝能夠起到惰化采空區(qū)的作用,同時(shí)在降溫方面效果有限。該方法的缺點(diǎn)是CO2冷卻作用相對(duì)較小,輸送管路較長;優(yōu)點(diǎn)是沿管路輸送CO2比向井下灌注液態(tài)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(dòng)式灌注

利用槽罐車運(yùn)輸液態(tài)CO2至井口附近,將其內(nèi)CO2灌注至便于運(yùn)輸和移動(dòng)的小型儲(chǔ)罐中,利用井下原有軌道將小型儲(chǔ)罐運(yùn)送至井下需要防滅火的區(qū)域。利用井下管路或鉆孔,將液態(tài)CO2有針對(duì)性地輸送至采空區(qū)內(nèi)需要防滅火的區(qū)域。井下移動(dòng)式灌注液態(tài)CO2的技術(shù)參數(shù)包括體積分?jǐn)?shù)、設(shè)計(jì)壓力、工作壓力、單罐最大容積和單罐總重等,詳細(xì)的技術(shù)參數(shù)如表2所示。通常而言,壓注到井下的CO2以三相混合態(tài)居多,液態(tài)CO2從-20℃的溫度注入火區(qū)內(nèi),蒸發(fā)吸熱,降溫效果好,冷卻火區(qū)的能力大,滅火效果好。缺點(diǎn)是需要使用專用的低溫設(shè)備將液態(tài)CO2運(yùn)輸至井下,灌注流量受限。

表2 井下移動(dòng)式灌注液態(tài)CO2技術(shù)參數(shù)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(yōu)點(diǎn),但是在面對(duì)深煤層、長距離的灌輸過程中對(duì)灌注設(shè)備和管路有更高要求,且由于長距離輸送,液態(tài)CO2到達(dá)采空區(qū)會(huì)完全氣化,弱化了液態(tài)CO2降溫吸熱的能力。移動(dòng)式井下灌注方式則可以利用井下管路,將液態(tài)CO2有針對(duì)性地輸送至采空區(qū)需要防滅火的區(qū)域,具有更好的靈活性。同時(shí),壓注到井下的CO2以各項(xiàng)混合態(tài)為主,由于蒸發(fā)吸熱的特性,降溫效果更好,冷卻防滅火區(qū)域能力大,效果更好。

3 井下移動(dòng)式液態(tài)CO2灌注系統(tǒng)

井下移動(dòng)式液態(tài)CO2灌注系統(tǒng)主要包括數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊、數(shù)據(jù)處理模塊和灌注模塊。數(shù)據(jù)采集模塊由氣體濃度傳感器和檢測束管組成,實(shí)時(shí)監(jiān)測采空區(qū)內(nèi)部氣體成分,同時(shí)將檢測結(jié)果反饋給操作系統(tǒng)。數(shù)據(jù)傳輸模塊包括數(shù)據(jù)編碼器和PLC數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng),在井下復(fù)雜且長距離的信息傳輸環(huán)境中,選擇PLC傳輸系統(tǒng)保證數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定性,同時(shí)編碼器可以將檢測器檢測的數(shù)據(jù)進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換,方便信息傳輸。數(shù)據(jù)處理模塊包括監(jiān)測主機(jī)、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器和灌注參數(shù)優(yōu)化系統(tǒng),檢測主機(jī)的作用是將現(xiàn)場的數(shù)據(jù)進(jìn)行整合和處理,利用灌注參數(shù)優(yōu)化系統(tǒng),通過預(yù)先建立的模型,計(jì)算現(xiàn)場條件下合適的參數(shù)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(shí)器等,其作用就是執(zhí)行監(jiān)測主機(jī)釋放的信號(hào),利用流量控制裝置和定時(shí)器的組合,保證灌注量和灌注壓力的自動(dòng)控制,利用灌注管路將灌裝CO2以計(jì)算好的流量灌注至采空區(qū)內(nèi)部。

第一次灌注時(shí),首先向數(shù)據(jù)處理模塊當(dāng)中輸入初始值,數(shù)據(jù)處理模塊通過數(shù)值模擬計(jì)算出初始灌注參數(shù),然后將初始灌注參數(shù)輸出至灌注控制裝置中,當(dāng)灌注開始后,由CO2濃度傳感器實(shí)時(shí)檢測采空區(qū)內(nèi)部CO2體積分?jǐn)?shù)變化。灌注過程中實(shí)時(shí)進(jìn)行監(jiān)測,通過數(shù)據(jù)采集模塊獲得采空區(qū)CO2氣體體積分?jǐn)?shù)數(shù)據(jù),經(jīng)過PLC數(shù)據(jù)傳輸模塊,送至數(shù)據(jù)處理模塊。通過數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換器,將數(shù)據(jù)處理成系統(tǒng)可識(shí)別的數(shù)據(jù),利用參數(shù)優(yōu)化系統(tǒng)計(jì)算所需的灌注量和灌注時(shí)間。通過PLC數(shù)據(jù)傳輸模塊將優(yōu)化后的參數(shù)傳輸至灌注控制裝置中,通過調(diào)節(jié)控制裝置內(nèi)部的閥門大小和定時(shí)器所定時(shí)間長短實(shí)現(xiàn)控制液態(tài)CO2灌注條件的目的。

4 實(shí)例分析及應(yīng)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(tái)縣城西20 km處,行政區(qū)劃分隸屬于鳳臺(tái)縣張集鄉(xiāng)。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(gè)分區(qū)(中央?yún)^(qū)、北區(qū)、西區(qū)和東區(qū)),采用“分區(qū)開拓、分別集中出煤”的布置方式。根據(jù)瓦斯基礎(chǔ)資料收集數(shù)據(jù),1415(3)工作面回采區(qū)域內(nèi)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(fā)火期為3～6個(gè)月,煤塵具有爆炸危險(xiǎn)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(xiàn)場灌注方案

張集礦1415(3)工作面井下運(yùn)輸條件較好,且井下安裝有現(xiàn)成的注氮管路。提前鋪設(shè)液態(tài)CO2灌注管路,管路直徑應(yīng)為50 mm,材料選用耐壓強(qiáng)度較高、耐低溫的高壓鋼管,管路鋪設(shè)方式為埋管鋪設(shè)。采空區(qū)CO2安全調(diào)控系統(tǒng)示意圖,如圖2所示。灌注裝置是由液態(tài)CO2灌注系統(tǒng)組成的,灌注系統(tǒng)主要由地面的液態(tài)CO2大型槽罐車、礦用移動(dòng)式小型儲(chǔ)罐和氣體輸送管路構(gòu)成。液態(tài)CO2由專用的液態(tài)CO2槽車運(yùn)至礦井,并逐次灌注到容量為2.00 t和1.26 t的小型儲(chǔ)罐當(dāng)中,然后通過井下軌道運(yùn)輸至需要防滅火的區(qū)域附近,利用井下的氣體輸送管路將液態(tài)CO2輸送至采空區(qū)內(nèi)部。

圖2 采空區(qū)CO2安全調(diào)控系統(tǒng)示意圖Table 2 Diagram of CO2 safety control system in goaf

1415(3)工作面灌注液態(tài)CO2管路布置如圖3所示。從1415(3)運(yùn)輸順槽向采空區(qū)鋪設(shè)管路,圖3中用藍(lán)色線條表示。圖4為CO2灌注現(xiàn)場圖。采用束管埋管方法,采集回采工作面采空區(qū)內(nèi)氣體并進(jìn)行色譜分析,了解氣體成分、含量隨工作面推進(jìn)的變化情況。在工作面布置CO2傳感器從而實(shí)時(shí)監(jiān)測灌注過程中采空區(qū)CO2體積分?jǐn)?shù)的變化。隨著工作面的推進(jìn),采空區(qū)氣體(CO、O2等)含量分布發(fā)生變化。根據(jù)氣體含量變化,自動(dòng)調(diào)控裝置會(huì)對(duì)CO2注入量進(jìn)行調(diào)節(jié)。液態(tài)CO2溫度為-26℃～-30℃,礦用移動(dòng)式液態(tài)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(tài)CO2管路現(xiàn)場布置Fig.3 On-site pipelines layout for liquid CO2

圖4 井下灌注現(xiàn)場Fig.4 Underground injection site

4.3 灌注數(shù)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(qū)氣體流場分布情況,根據(jù)灌注位置高度,選擇距離底板1 m的剖面作為研究對(duì)象。利用Fluent軟件建立采空區(qū)模型,根據(jù)井下實(shí)測風(fēng)速進(jìn)行數(shù)據(jù)設(shè)置,而后進(jìn)行數(shù)值模擬,獲得該剖面O2體積分?jǐn)?shù)分布云圖,得出采空區(qū)氧化“三帶”分布情況,如圖5所示。

圖5 灌注前O2體積分?jǐn)?shù)分布云圖Fig.5 Cloud map of O2 volume fraction distribution before injection

根據(jù)采空區(qū)“三帶”分布情況,設(shè)置了液態(tài)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(tài)CO2灌注對(duì)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?jǐn)?shù)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?jǐn)?shù)隨著灌注流量的增加而增加。當(dāng)埋管深度為30 m,CO2灌注量為750 m3/h和1 000 m3/h時(shí),上隅角有CO2涌出風(fēng)險(xiǎn)。根據(jù)模擬結(jié)果和氧氣濃度法對(duì)采空區(qū)進(jìn)風(fēng)巷側(cè)、距進(jìn)風(fēng)巷30 m處和回風(fēng)巷側(cè)3個(gè)位置處的氧化帶寬度進(jìn)行測算,結(jié)果見表3所示。

1)在埋管深度為30 m時(shí),隨著CO2灌注量的增加,同一區(qū)域的氧化帶寬度減小。其中,采空區(qū)靠近進(jìn)風(fēng)巷側(cè)氧化帶的寬度在灌注前后的變化幅度最大,為46.39 m。當(dāng)進(jìn)風(fēng)巷氧化帶在灌注量超過500 m3/h時(shí),變化幅度開始變小。受灌注量影響,3個(gè)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(fā)生在灌注流量為250～500 m3/h、500～750 m3/h和250～500 m3/h時(shí)。

2)在埋管深度為60 m時(shí),采空區(qū)靠近進(jìn)風(fēng)巷側(cè)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(dāng)灌注流量超過500 m3/h時(shí),采空區(qū)靠近進(jìn)風(fēng)巷側(cè)氧化帶的寬度不再變化。灌注開始后,受灌注量影響,3個(gè)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(fā)生在250～500 m3/h、500～750 m3/h和500～750 m3/h時(shí)。

3)在埋管深度為90 m時(shí),由圖5可知,此時(shí)進(jìn)入到窒息帶區(qū)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(jìn)行氧化帶模擬結(jié)果分析。

表3 采空區(qū)氧化帶模擬結(jié)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(jì)算公式,可根據(jù)氧含量計(jì)算CO2注入量,計(jì)算公式為:

(1)

式中:QN為CO2注入流量,m3/h;K為系數(shù),取1.2～1.5;Q0為氧化帶漏風(fēng)量,m3/h;φN為注入CO2體積分?jǐn)?shù),%;φ1為氧化帶內(nèi)平均氧體積分?jǐn)?shù),%;C為氧化帶惰化防火指標(biāo)。

間歇式壓注CO2時(shí),每次壓注CO2的最多時(shí)間用下式計(jì)算:

(2)

式中:t為間歇壓注時(shí)間,h;V0為氧化帶體積,m3,其計(jì)算公式如下:

V0=0.6bhd.

(3)

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

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

4.4 現(xiàn)場灌注結(jié)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?jǐn)?shù)隨時(shí)間點(diǎn)的變化,如圖7所示。

圖7 上隅角CO2體積分?jǐn)?shù)隨時(shí)間點(diǎn)變化Table 7 Variation of CO2 volume fraction with time in the upper corner

在灌注開始,隨著風(fēng)流的運(yùn)移,被風(fēng)流所攜帶的少量CO2運(yùn)移至回風(fēng)巷,導(dǎo)致上隅角CO2體積分?jǐn)?shù)略有上升。隨著時(shí)間的推移,CO2體積分?jǐn)?shù)在灌注約20 min后達(dá)到第一次峰值。由于灌注氣罐內(nèi)CO2壓力減小,采空區(qū)CO2初始動(dòng)力相比之前不足,所以第一次峰值后出現(xiàn)CO2體積分?jǐn)?shù)下降趨勢。隨著2:15時(shí)刻新氣罐補(bǔ)充灌注液體,注入采空區(qū)的CO2推動(dòng)采空區(qū)內(nèi)沉降的CO2繼續(xù)向回風(fēng)側(cè)移動(dòng),在50 min后出現(xiàn)第二次CO2體積分?jǐn)?shù)峰值,此次峰值較第一次峰值大。當(dāng)?shù)谌抟簯B(tài)CO2注入采空區(qū)時(shí),氧化帶向著工作面和回風(fēng)巷偏移,雖然出現(xiàn)CO2體積分?jǐn)?shù)峰值,卻與第二次峰值相比要小。當(dāng)?shù)谒墓抟簯B(tài)CO2注入到采空區(qū)時(shí),此時(shí)采空區(qū)大部分區(qū)域已經(jīng)被CO2氣體占據(jù),采空區(qū)內(nèi)部CO2容量達(dá)到飽和,所以有一部分CO2從回風(fēng)側(cè)漏出,直到灌注結(jié)束之前,CO2體積分?jǐn)?shù)一直保持上升趨勢,且比之前數(shù)值都大。

5 結(jié)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(gè)因素對(duì)長距離管路直注式輸送、地面液態(tài)CO2氣化灌注和井下移動(dòng)式灌注3種液態(tài)CO2灌注工藝進(jìn)行對(duì)比分析。從滅火效果、經(jīng)濟(jì)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(dòng)式灌注液態(tài)CO2防滅火工藝。

2)模擬結(jié)果顯示,埋深30 m時(shí)的最佳灌注流量為500 m3/h,最佳灌注時(shí)間為36.74 h。埋管深度一定時(shí),同一區(qū)域氧化帶寬度隨著CO2灌注量的增加而減小,采空區(qū)靠近進(jìn)風(fēng)巷側(cè)氧化帶寬度在灌注前后變化幅度最大。當(dāng)灌注流量超過500 m3/h時(shí),進(jìn)風(fēng)巷氧化帶變化幅度開始變小。

3)對(duì)數(shù)值模擬參數(shù)優(yōu)選結(jié)果設(shè)計(jì)了現(xiàn)場灌注方案,并進(jìn)行了現(xiàn)場灌注和數(shù)據(jù)監(jiān)測。灌注過程中采空區(qū)大部分區(qū)域能被CO2占據(jù),相應(yīng)采空區(qū)氧化帶分布也向工作面方向偏移,同時(shí)上隅角沒有出現(xiàn)CO2超限等安全問題,現(xiàn)場灌注監(jiān)測數(shù)據(jù)符合數(shù)值模擬結(jié)果預(yù)期,現(xiàn)場灌注達(dá)到了預(yù)期效果。