CN107083987A - 防治井下采空区煤炭自燃的氮气阻化汽雾制备方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了防治井下采空区煤炭自燃的氮气阻化汽雾制备方法及系统，系统包括供水管路、注氮管路、阻化剂储液罐、吸液软管、阻化剂添加装置、螺旋雾化装置、观测孔及灌注管路；阻化剂添加装置利用高速水射流汽化原理进行阻化剂的精确定量添加，该方法保障了阻化剂的稳定可靠添加，克服了常规添加方式受压力浮动影响大，系统不稳定的缺陷；在井下具有极强的本质安全性，整套阻化汽雾制备装置具有体积小、重量轻、操作简单、可靠性高的特点，组装、移动及维修非常方便，大幅简化了井下氮气阻化汽雾制备工艺的操作，提高了阻化汽雾灭火技术的现场适用性，产生的大流量阻化汽雾非常适合于治理井下采空区煤炭自燃隐蔽火源。
Description
技术领域
本发明为防治井下采空区煤炭自燃的氮气阻化汽雾制备方法及系统，涉及一种煤矿井下防灭火用阻化汽雾制备方式，属于煤矿安全技术领域，尤其适用于治理井下由煤炭自燃引起的大空间采空区高位隐蔽火源。
背景技术
在煤炭开采过程中，由煤炭自燃引发的矿井火灾是主要自然灾害，煤炭自燃是具有自燃倾向性的煤，在有适宜的供氧量、有蓄热氧化的环境和时间的条件下，发生物理化学变化的结果；采空区是煤层开采后，在工作面后方形成的塌陷空区，属于半开放空间，遗煤多且呈破碎状，漏风通道多，热量易于积聚，是发生煤炭自燃的重要区域，采空区煤炭自燃具有火区分布范围广、发展速度快、漏风通道多、火源点隐蔽和易复燃等特点，同时有快速动态变化和超大空间立体火区的特性。
为防治采空区煤炭自燃，目前，国内外多采用均压、堵漏、灌浆、惰气、胶体等防灭火技术和材料，这些技术对保障煤矿安全生产起到了重要作用，但也存在不足。均压调节实施周期长，且对工作面顺槽顶煤自燃、上分层采空区自燃、煤柱自燃预防作用效果有限；堵漏工作量大，回弹率多，材料成本高，高温分解并释放出有害气体；灌浆不能向高处堆积，无法均匀覆盖煤体、易形成“拉沟”，而且渗流范围小，扩散能力弱，只能治理小空间低位火源点，对大面积采空区隐蔽火源治理效果极差；惰气难以形成封闭空间，且惰气随漏风逸散，不易滞留在采空区，因而单独注惰气灭火周期长，灭火降温能力弱；胶体流量小，成本高，扩散范围小，高分子胶体还易产生有毒气体(如NH3)，危害工人身心健康。阻化汽雾是指阻化液雾化后，汽雾阻化剂以漏风风流为载体将阻化剂液送到易自燃煤体的表面，延长煤的氧化进程，从而达到阻止或延缓煤炭自燃的目的，在一些缺乏黄土、注浆困难的矿区，阻化汽雾技术具有广阔的应用前景。阻化剂是一些吸水性很强的有机盐类，如氯化钙(CaCl2)、氯化镁(MgCl2)等，当它们附着在煤粒的表面时，吸收空气中的水份,在煤粒表面形成含水液膜，从而阻止了煤与氧的接触，起到了隔氧阻化作用。煤炭经阻化剂处理后，阻化剂吸附在煤炭的表面,形成一层能抑制氧气和煤接触的保护膜，阻止了氧气和煤结构上的活动链环羧基发生反应，使煤炭与氧气的亲合能力降低，但并不和煤、氧等物质结合，因此可视其为负催化作用。
目前，研究者们围绕两相汽雾的制备，提出了多种形式的汽雾发生装置或工艺系统。专利号2013102901703公开了一种防治矿井火灾的氮气阻化细水雾制备系统及其防灭火方法，该制备系统首先在阻化液存储罐中配置一定浓度的阻化液，由添加泵将阻化液按照一定的比例添加至水管中形成阻化液，之后在细水雾发生装置内与气体混合形成阻化汽雾，该方法最大的弊端是采用专门添加泵添加阻化液，该方式在煤矿井下存在电器失爆的潜在危险性，易诱发瓦斯(煤尘)爆炸，本质安全性差；专利号2013107049917公布了一种防治煤自燃的胶体阻化惰泡制备装置，包括射流比例混合器装置、一级发泡装置、二级发泡装置以及气体输送装置，通过二次发泡和气体输送装置，解决了远距离采空区高位空间的输送问题，该装置采用的射流比例器仿照了消防上用的射流器，根据需要计算射流比例混合器各部分的尺寸，然后设计定做，不能实现胶体阻化液的定量吸入；专利号2013105747933公布了一种两相阻化细水雾钻孔降温装置，该装置主要针对露天矿高温钻孔进行快速降温、窒息、吸收有害毒气，装置采用比例混合器添加阻化剂，两相雾化喷嘴雾化阻化液，该方式存在阻化剂添加易受系统压力波动的影响、添加不稳定的不足，且煤矿井下水质较差，传统的两相雾化喷嘴极易堵塞，需设计专门的雾化装置；文献“阻化汽雾防火技术在东滩煤矿分层开采工作面的应用”一文中公开了一种阻化汽雾灭火工艺，该阻化汽雾防灭火系统由储液罐、高压泵、过滤器、电器开关、高压胶管、雾化器等组成，储液箱和高压泵安装在平板车上，在采煤工作面架间等间距设三通并与雾化器连接，该工艺采用高压泵添加阻化剂，安全性差，且雾化器直接布置于架间后方，易损坏，系统可靠性低。为此，亟需设计出一种具有更强现场适用性的氮气阻化汽雾制备方法及系统，以满足阻化汽雾治理大空间采空区高位隐蔽火源的要求。
发明内容
本发明的目的是针对煤矿井下采空区煤炭自燃，提供一种氮气阻化汽雾制备方法及工艺系统，以期克服现有阻化汽雾技术在制备工艺操作及现场实施的不足之处。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为一种防治井下采空区煤炭自燃的氮气阻化汽雾制备系统，该系统包括供水管路、注氮管路、阻化剂储液罐、吸液软管、阻化剂添加装置、螺旋雾化装置、观测孔及灌注管路；其中，供水管路和注氮管路直接使用井下采煤工作面已有的注氮管路和供水管路，阻化剂添加装置安装在供水管路上，阻化剂储液罐与阻化剂添加装置通过吸液软管连接，螺旋雾化装置的进口与供水管路和注氮管路连接，螺旋雾化装置的出口与灌注管路连接，在灌注管路上安装有观测孔。
有益效果：本系统的驱动力由井下采煤工作面已有的注氮、供水管路提供，无需额外配备电动泵(如添加泵)等电器设备，在井下具有极强的本质安全性，提高了阻化汽雾灭火技术的现场适用性，制备出的氮气阻化汽雾兼具氮气的窒息性、阻化剂对煤体的阻化防复燃性、水的高效吸热性及汽雾良好的空间扩散性，非常适合于治理井下采空区煤炭自燃隐蔽火源。
优选地，阻化剂添加装置采用射流结构，包括进出口端的快速连接头、喷嘴、混合室及阻化剂吸液口，其中，喷嘴由前端圆柱段、中间渐缩段及出口圆柱段组成，出口圆柱段位于阻化剂吸液口后部和喉管段之前，混合室由喉管段及渐扩段组成，混合室扩散段末端与快速接头连接，吸液软管与阻化剂添加装置通过阻化剂吸液口上的螺纹连接，喷嘴的收缩角α为10～15°，喷嘴的扩散角β为6～12°，装置具有体积小、重量轻、操作简单、可靠性高的特点。
优选地，提出利用高速水射流汽化原理进行阻化剂的精确定量添加方法，该方法利用在一定负压状态下，因水汽化而出现的压力恒定状态的汽蚀现象，设计为阻化剂添加的工况点，对保障阻化剂的稳定可靠添加，克服常规添加方式受压力浮动影响大、系统不稳定具有重要科学与应用价值，大幅简化了井下氮气阻化汽雾制备过程中阻化剂添加的工艺操作。
优选地，螺旋雾化装置由快速连接头、阻化液进口管、基座、固定盘、弯管及螺旋喷头组成，其中，基座焊接在注氮管路外壁，阻化液进口管由固定盘通过螺纹固定在基座上，弯管连接阻化液进口管与螺旋喷头，螺旋喷头呈环腔螺旋结构，外部有多个逐渐减小的喷淋分层界面，内腔为畅通流线型，螺旋喷头与氮气流动方向相反，雾化装置采用内置螺旋喷嘴结构，增大了阻化液扩散雾化效果，装置的组装、移动非常方便，螺旋喷头口径较大，不易发生堵塞。
优选地，氮气阻化汽雾通过埋管、工作面架间插管或钻孔等形式向采空区内灌注，埋管常采用交替方式，埋管间距30～50m，架间插管沿工作面每隔20m预留三通，插管由三通引出，插管位于掩护梁后端0.5～1m，插管随工作面推进移动，钻孔灌注时，钻场间距20～30m布置，灌注管路出口安装有花管，花管结构为圆柱形网状。
附图说明
图1为本发明防治井下采空区煤炭自燃的氮气阻化汽雾制备方法及工艺系统；
图2为本发明阻化剂添加装置结构剖面图；
图3为本发明螺旋雾化装置示意图；
图4为本发明螺旋雾化装置的固定示意图，(a)为主视图，(b)为俯视图。
图中：1-供水管路；2-注氮管路；3-阻化剂储液罐；4-吸液软管；5-阻化剂添加装置；6-螺旋雾化装置；7-观测孔；8-灌注管路；5-1-快速连接头；5-2-喷嘴；5-3-混合室；5-4-阻化剂吸液口；6-1-由阻化液进口管；6-2-基座；6-3-固定盘；6-4-弯管；6-5-螺旋喷头。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
如图1所示，本发明提出的防治井下采空区煤炭自燃的氮气阻化汽雾制备系统，该系统包括供水管路(1)、注氮管路(2)、阻化剂储液罐(3)、吸液软管(4)、阻化剂添加装置(5)、螺旋雾化装置(6)、观测孔(7)及灌注管路(8)；其中，供水管路(1)和注氮管路(2)直接使用井下采煤工作面已有的注氮管路和供水管路，阻化剂添加装置(5)安装在供水管路(1)上，阻化剂储液罐(3)与阻化剂添加装置(5)通过吸液软管(4)连接，螺旋雾化装置(6)的进口与供水管路(1)和注氮管路(2)连接，螺旋雾化装置(6)的出口与灌注管路(8)连接，在灌注管路(8)上安装有观测孔(7)。
防治井下采空区煤炭自燃的氮气阻化汽雾制备工艺，制备工艺的流程如下：供水管路(1)内的压力水流经阻化剂添加装置(5)，在射流装置内形成负压，将储液罐(3)中的阻化剂经吸液软管(4)自动定量地添加到水管路中，形成预混阻化液，阻化液经阻化液进口管(6-1)流入螺旋雾化装置(6)，并与注氮管路(2)内的氮气充分混合，形成阻化汽雾，阻化汽雾由灌注管路(8)灌注到采空区内的氧化自燃带，观测孔(7)用以考察灌注到采空区内之前的阻化汽雾效果。
如图2所示，阻化剂添加装置(5)的主体为射流结构，射流结构包括进出口端的快速连接头(5-1)、喷嘴(5-2)、混合室(5-3)及阻化剂吸液口(5-4)，其中，喷嘴(5-2)由前端圆柱段、中间渐缩段及出口圆柱段组成，出口圆柱段位于阻化剂吸液口(5-4)的后部和喉管段之前，混合室(5-3)由喉管段及渐扩段组成，混合室(5-3)扩散段末端与快速接头(5-1)连接，吸液软管(4)与阻化剂添加装置(5)通过阻化剂吸液口(5-4)上的螺纹连接，喷嘴(5-2)的收缩角α为10～15°，喷嘴(5-2)的扩散角β为6～12°。
射流装置汽化吸液原理：压力水流经射流装置时，在喷嘴(5-2)内增速减压，在喷嘴(5-2)出口处达到最大速度，由于高速射流的紊动及边界效应，射流边界卷吸周围空气，形成负压腔，阻化剂在外界大气压的作用下被吸入射流装置内，主流体和引射阻化液在喉管内完成质量、能量和动量的交换，最终在扩散段的出口形成具有压力的预混阻化液。在形成高速射流的过程中，射流装置内部将出现特殊的临界工况，其发生在装置内负压降低到液体在该温度下的饱和蒸汽压时，在此状态下，流体将发生相变，首先在射流边界层内，小汽泡在局部区域小范围出现，之后流体本身汽化，流体变为汽液两相流，大量蒸汽泡充满吸液腔和喉管腔，如图2所示，蒸汽泡的产生减小了吸液通道过流断面面积，阻碍了被吸阻化液的进一步流入，阻化剂吸液量达到最大值。
本发明正是利用射流因水汽化而出现的压力恒定状态的汽化现象，设计阻化剂添加的工况点，该添加方式对保障阻化剂的稳定可靠添加，克服常规添加方式受压力浮动影响大，系统不稳定具有重要科学与应用价值，大幅简化了井下氮气阻化汽雾制备工艺的操作，为保证稳定汽化吸液现象的出现，射流装置的压强比不宜大于1/3。
如图3，螺旋雾化装置(6)由阻化液进口管(6-1)、基座(6-2)、固定盘(6-3)、弯管(6-4)及螺旋喷头(6-5)组成，其中，基座(6-2)焊接在注氮管路(2)外壁，阻化液进口管(6-1)由固定盘(6-3)通过内外螺纹固定在基座(6-2)上，弯管(6-4)连接阻化液进口管(6-1)与螺旋喷头(6-5)；螺旋喷头(6-5)呈环腔螺旋结构，螺旋喷头(6-5)的外部有多个逐渐减小的喷淋分层界面，螺旋喷头(6-5)的内腔为畅通流线型，螺旋喷头(6-5)与氮气流动方向相反，固定盘(6-3)的直径需大于弯管(6-4)与螺旋喷头(6-5)两者长度之和，如图4所示。螺旋雾化装置(6)的阻化液进口管(6-1)通过快速连接头(5-1)与阻化剂添加装置(5)连接。
螺旋雾化装置工作原理：阻化液由进口管(6-1)流入雾化装置(6)，阻化液经弯管(6-4)，由水平方向喷出，阻化液通过环腔螺旋结构的喷头时，与螺旋喷头(6-5)上连续变小的螺旋分层界面剪切碰撞，形成分层雾化液滴螺旋喷出，阻化液雾化粒径小，比表面积大，气液混合强度高，阻力损失小，气液间质能转换快，雾化的阻化液与氮气来流180°接触，增大了阻化液二次雾化效果，可实现大流量阻化液的低阻高效雾化，雾化装置通过固定盘固定在注氮管路内，组装、移动及维修都非常方便，螺旋喷头口径较大，不易发生堵塞，为进一步增大阻化液与氮气的作用效果，多个螺旋喷头或采用并联的设计结构形式。
为保证防治井下采空区煤炭自燃所需足够的氮气阻化汽雾流量，氮气流量不宜低于600m3/h，氮气压力不低于0.2MPa，氮气纯度高于99％，供水压力不低于1MPa，供水量不低于5m3/h，阻化液添加量视火区情况而定，由观测孔处(7)观察到的阻化汽雾需均匀细腻，粒径不宜高于200μm；制备出的氮气阻化汽雾可通过埋管、工作面架间插管、钻孔等形式向采空区内灌注，埋管常采用交替方式，埋管间距30～50m，架间插管沿工作面每隔20m预留三通，插管由三通引出，插管位于掩护梁后端0.5～1m，插管随工作面推进移动，钻孔灌注时，钻场间距20～30m布置，灌注管路出口安装有花管，花管结构为圆柱形网状。
本发明采用井下已有的压力水为驱动力，自动定量添加阻化剂，无需额外配备添加泵等电器设备，在井下具有极强的本质安全性，螺旋雾化装置可实现大流量阻化液的低阻高效制备，提高了阻化汽雾灭火技术的现场适用性，制备出的氮气阻化汽雾兼具氮气的窒息性、阻化剂对煤体的阻化防复燃性、水的高效吸热性及汽雾良好的空间扩散性，大流量氮气阻化汽雾流入采空区后，可对大空间采空区高位隐蔽火源进行快速窒息阻化降温灭火，大幅提高灭火效率。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (8)
1.防治井下采空区煤炭自燃的氮气阻化汽雾制备系统，其特征在于：该系统包括供水管路(1)、注氮管路(2)、阻化剂储液罐(3)、吸液软管(4)、阻化剂添加装置(5)、螺旋雾化装置(6)、观测孔(7)及灌注管路(8)；其中，供水管路(1)和注氮管路(2)直接使用井下采煤工作面已有的注氮管路和供水管路，阻化剂添加装置(5)安装在供水管路(1)上，阻化剂储液罐(3)与阻化剂添加装置(5)通过吸液软管(4)连接，螺旋雾化装置(6)的进口与供水管路(1)和注氮管路(2)连接，螺旋雾化装置(6)的出口与灌注管路(8)连接，在灌注管路(8)上安装有观测孔(7)。
2.利用权利要求1所述系统进行的防治井下采空区煤炭自燃的氮气阻化汽雾制备方法，其特征在于：制备方法的流程如下：供水管路(1)内的压力水流经阻化剂添加装置(5)，在射流装置内形成负压，将储液罐(3)中的阻化剂经吸液软管(4)自动定量地添加到水管路中，形成预混阻化液，阻化液经阻化液进口管(6-1)流入螺旋雾化装置(6)，并与注氮管路(2)内的氮气充分混合，形成阻化汽雾，阻化汽雾由灌注管路(8)灌注到采空区内的氧化自燃带，观测孔(7)用以考察灌注到采空区内之前的阻化汽雾效果。
3.根据权利要求2所述的防治井下采空区煤炭自燃的氮气阻化汽雾制备方法，其特征在于：阻化剂添加装置(5)的主体为射流结构，射流结构包括进出口端的快速连接头(5-1)、喷嘴(5-2)、混合室(5-3)及阻化剂吸液口(5-4)，其中，喷嘴(5-2)由前端圆柱段、中间渐缩段及出口圆柱段组成，出口圆柱段位于阻化剂吸液口(5-4)的后部和喉管段之前，混合室(5-3)由喉管段及渐扩段组成，混合室(5-3)扩散段末端与快速接头(5-1)连接，吸液软管(4)与阻化剂添加装置(5)通过阻化剂吸液口(5-4)上的螺纹连接，喷嘴(5-2)的收缩角α为10～15°，喷嘴(5-2)的扩散角β为6～12°。
4.根据权利要求2所述的防治井下采空区煤炭自燃的氮气阻化汽雾制备方法，其特征在于：射流装置汽化吸液原理：压力水流经射流装置时，在喷嘴(5-2)内增速减压，在喷嘴(5-2)出口处达到最大速度，由于高速射流的紊动及边界效应，射流边界卷吸周围空气，形成负压腔，阻化剂在外界大气压的作用下被吸入射流装置内，主流体和引射阻化液在喉管内完成质量、能量和动量的交换，最终在扩散段的出口形成具有压力的预混阻化液；在形成高速射流的过程中，射流装置内部将出现特殊的临界工况，其发生在装置内负压降低到液体在该温度下的饱和蒸汽压时，在此状态下，流体将发生相变，首先在射流边界层内，小汽泡在局部区域小范围出现，之后流体本身汽化，流体变为汽液两相流，大量蒸汽泡充满吸液腔和喉管腔，蒸汽泡的产生减小了吸液通道过流断面面积，阻碍了被吸阻化液的进一步流入，阻化剂吸液量达到最大值。
5.根据权利要求4所述的防治井下采空区煤炭自燃的氮气阻化汽雾制备方法，其特征在于：射流装置的压强比不宜大于1/3。
6.根据权利要求2所述的防治井下采空区煤炭自燃的氮气阻化汽雾制备方法，其特征在于：螺旋雾化装置(6)由阻化液进口管(6-1)、基座(6-2)、固定盘(6-3)、弯管(6-4)及螺旋喷头(6-5)组成，其中，基座(6-2)焊接在注氮管路(2)外壁，阻化液进口管(6-1)由固定盘(6-3)通过内外螺纹固定在基座(6-2)上，弯管(6-4)连接阻化液进口管(6-1)与螺旋喷头(6-5)；螺旋喷头(6-5)呈环腔螺旋结构，螺旋喷头(6-5)的外部有多个逐渐减小的喷淋分层界面，螺旋喷头(6-5)的内腔为畅通流线型，螺旋喷头(6-5)与氮气流动方向相反，固定盘(6-3)的直径需大于弯管(6-4)与螺旋喷头(6-5)两者长度之和；螺旋雾化装置(6)的阻化液进口管(6-1)通过快速连接头(5-1)与阻化剂添加装置(5)连接。
7.根据权利要求6所述的防治井下采空区煤炭自燃的氮气阻化汽雾制备方法，其特征在于：螺旋雾化装置工作原理，阻化液由进口管(6-1)流入雾化装置(6)，阻化液经弯管(6-4)，由水平方向喷出，阻化液通过环腔螺旋结构的喷头时，与螺旋喷头(6-5)上连续变小的螺旋分层界面剪切碰撞，形成分层雾化液滴螺旋喷出。
8.根据权利要求7所述的防治井下采空区煤炭自燃的氮气阻化汽雾制备方法，其特征在于：多个螺旋喷头或采用并联的设计结构形式。
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