CN108049907B - 一种矿井内用液态co2制冷防灭火一体化系统与方法 - Google Patents

一种矿井内用液态co2制冷防灭火一体化系统与方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种矿井内用液态CO2制冷防灭火一体化系统与方法，通过在区段进风巷中安设CO2蒸发器，高压液态在蒸发器中气化吸热，使CO2蒸发器降温并吸收巷道中的热量，实现井下工作面降温。液态CO2在蒸发器中气化吸收大量热量之后，进入气态CO2输送管道，由CO2压缩机将低压气态CO2压缩成高压液态CO2，由高压液态CO2输送管道输送至井下，实现CO2循环利用。液态CO2在CO2蒸发器中气化吸热降温后形成CO2气体，将部分CO2通过第一CO2释放管路注人采空区(氧化带)，从而抑制采空区煤的氧化自燃，并对采空区有一定降温作用。

Description

一种矿井内用液态CO2制冷防灭火一体化系统与方法
技术领域
本发明涉及矿井防灭火领域，特别涉及一种矿井内用液态CO2制冷防灭火一体化系统与方法。
背景技术
随着近年来煤矿开采深度的加深以及开采机械化程度的提高，我国很多煤矿采掘工作面温度达到35℃以上。矿工持续在高温环境中作业时，将造成人体机能迅速下降；工作效率降低；甚至造成人体中暑；工人机警能力下降造成安全事故，严重影响着矿工的健康与安全并阻碍煤炭的开采。因此，热害的防治成为一个亟待解决的问题。现有工作面降温方法包括：矿井通风、空气压缩式制冷降温、冰块降温、制冷空调等方式，但上述降温系统复杂，投资运行费用较高，且不能持续降温。本设计利用液态CO2气化吸收大量热量，对井下采掘工作面进行降温，设计出一套能对井下持续制冷降温的降温设备。
发明内容
本发明提供一种矿井内用液态CO2制冷防灭火一体化系统与方法，可以解决现有技术中，矿井中工作面内不能持续降温的问题。
本发明提供了一种矿井内用液态CO2制冷防灭火一体化系统，包括液态CO2罐、气态CO2罐、液态CO2输送管道和气态CO2输送管道，所述液态CO2罐和气态CO2罐位于矿井之外；所述液态CO2罐的输出端通过第一截断阀与液态CO2输送管道连接，所述气态CO2罐的输出端通过第二截断阀也与CO2输送管道连接；所述液态CO2输送管道上还从左到右依次设置有增压泵、稳压阀、第一流量传感器、压力变送器、第一温度传感器，所述增压泵、稳压阀、第一流量传感器、压力变送器、第一温度传感器均位于矿井之外；所述第一温度传感器右端的液态CO2输送管道从立井进入矿体内并延伸至区段进风巷，位于区段进风巷中的液态CO2输送管道上安装有若干个CO2蒸发器，所述液态CO2输送管道的末端通过三通管与设置在采空区中的第一CO2释放管路相连，所述第一CO2释放管路上从左到右依次设置有第五截断阀、第二流量传感器，所述第五截断阀和所述第二流量传感器均位于工作面中；所述工作面中还设置有第二温度传感器和CO2溶度传感器；所述液态CO2输送管道的末端还通过三通管与设置在矿井中的气态CO2输送管道的一端相连接，所述气态CO2输送管道的另一端与矿体外的液态CO2输送管道相连，所述气态CO2输送管道的另一端与矿体外的液态CO2输送管道相连处位于第一流量传感器和压力变送器之间；所述气态CO2输送管道位于矿体外的管路上安装有一台CO2压缩机，所述CO2压缩机用于将气态CO2压缩成液体CO2；所述气态CO2输送管道位于矿体外的管路上还设置有第三截断阀，所述第三截断阀位于CO2压缩机的左端；所述气态CO2输送管道位于矿体内的管路上还设置有第四截断阀，所述第四截断阀位于CO2压缩机的右端；所述气态CO2输送管道位于矿体外的管路上还设置有第二CO2释放管路，所述第二CO2释放管路位于CO2压缩机和第四截断阀之间，所述第二CO2释放管路上设置有第六截断阀；所述第一截断阀、第二截断阀、增压泵、稳压阀、第一流量传感、压力变送器、第一温度传感器、第三截断阀、第四截断阀、第五截断阀、第二流量传感器、第二温度传感器、CO2溶度传感器分别与计算机信号相连。
较佳地，所述CO2蒸发器的个数为三个。
本发明和现有技术相比，其优点在于：
本发明提供的一种矿井内用液态CO2制冷防灭火一体化系统，将降温和防灭火相结合，在进行井下降温的同时，将适量CO2注入采空区，对采空区进行降温并抑制煤的氧化，对采空区煤自燃进行防治。该系统配有紧急灭火系统，当采空区发生自燃后，该系统启动紧急灭火系统，及时对煤自燃进行治理，防止因煤自燃造成的巨大经济损失及安全事故。
附图说明
图1为本发明提供的一种矿井内用液态CO2制冷防灭火一体化系统结构示意图；
图2为三通管连接示意图；
图3为液态CO2输送管道释放端装置图。
附图标记说明：
1、液态CO2罐；2、气态CO2罐；3、第一截断阀；4、第二截断阀；5、增压泵；6、稳压阀；7、第一流量传感器；8、第三截断阀；9、CO2压缩机；10、压力变送器；11、第一温度传感器；12、液态CO2输送管道；13、CO2蒸发器；14、第四截断阀；15、第五截断阀；16、第二流量传感器；17、第一CO2释放管路；18、区段进风巷；19、第二温度传感器；20、CO2溶度传感器；21、工作面；22、采空区；23、区段回风巷；24、气态CO2输送管道；25、第六截断阀；26、第二CO2释放管路；27、三通管。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的一个具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。
如图1-2所示，本发明实施例提供了一种矿井内用液态CO2制冷防灭火一体化系统，包括液态CO2罐1、气态CO2罐2、液态CO2输送管道12和气态CO2输送管道24，液态CO2罐1和气态CO2罐2位于矿井之外，液态CO2罐为系统提供液态CO2，气态CO2罐为系统提供气态CO2；液态CO2罐1的输出端通过第一截断阀3与液态CO2输送管道12连接，第一截断阀用于控制液态CO2的输出，气态CO2罐2的输出端通过第二截断阀4也与CO2输送管道12连接，第二截断阀用于控制气态CO2的输出；液态CO2输送管道12上还从左到右依次设置有增压泵5、稳压阀6、第一流量传感器7、压力变送器10、第一温度传感器11，增压泵用于向管道内提供高压液态CO2，稳压阀用于向输送管道中提供稳定压力的液态CO2，第一流量传感器用于监测液态CO2的输出量，第一温度传感器用于液态CO2输送管道内温度，增压泵5、稳压阀6、第一流量传感器7、压力变送器10、第一温度传感器11均位于矿井之外；第一温度传感器11右端的液态CO2输送管道12从立井进入矿体内并延伸至区段进风巷18，位于区段进风巷18中的液态CO2输送管道12上安装有若干个CO2蒸发器13，液态CO2输送管道12的末端通过三通管27与设置在采空区22中的第一CO2释放管路17相连，第一CO2释放管路17上从左到右依次设置有第五截断阀15、第二流量传感器16，第五截断阀15和第二流量传感器16均位于工作面21中，工作面与矿井内的区段回风巷23贯通；工作面21中还设置有第二温度传感器19和CO2溶度传感器20；液态CO2输送管道12的末端还通过三通管27与设置在矿井中的气态CO2输送管道24的一端相连接，气态CO2输送管道24的另一端与矿体外的液态CO2输送管道12相连，气态CO2输送管道24的另一端与矿体外的液态CO2输送管道12相连处位于第一流量传感器7和压力变送器10之间；气态CO2输送管道24位于矿体外的管路上安装有一台CO2压缩机9，CO2压缩机9用于将气态CO2压缩成液体CO2；气态CO2输送管道24位于矿体外的管路上还设置有第三截断阀8，第三截断阀8位于CO2压缩机9的左端；气态CO2输送管道24位于矿体内的管路上还设置有第四截断阀14，第四截断阀14位于CO2压缩机9的右端；气态CO2输送管道24位于矿体外的管路上还设置有第二CO2释放管路26，第二CO2释放管路26位于CO2压缩机9和第四截断阀14之间，第二CO2释放管路26上设置有第六截断阀25；第一截断阀3、第二截断阀4、增压泵5、稳压阀6、第一流量传感7、压力变送器10、第一温度传感器11、第三截断阀8、第四截断阀14、第五截断阀15、第二流量传感器16、第二温度传感器19、CO2溶度传感器20分别与计算机信号相连。
进一步地，CO2蒸发器13的个数为三个。
工作步骤：
步骤一、布设液态CO2输送管道：将液态CO2输送管道从立井、平硐或斜井进入矿体内并延伸至区段进风巷，并在液态CO2输送管道位于矿体外的一端安装用于供压力高于3MPa～4MPa的气体或液体进入其内的增压泵。液态CO2输送管道位于矿体一端与第一CO2释放管路相连，第一CO2释放管路另一端埋于采空区。
步骤二、布设CO2蒸发器及气态CO2输送管道：在井下区段进风巷中的液态CO2输送管道上安设多个CO2蒸发器，液态CO2输送管道末端与气态CO2输送管道，气态CO2输送管道另一端与矿体外的液态CO2输送管道相连。气态CO2输送管道位于矿体外管道上安设一台CO2压缩机，CO2压缩机用于将气态CO2压缩成液态CO2。
步骤三、各管路及装置安装好后，向液态CO2输送管道中注入气态CO2进行升压：计算机打开第二截断阀、增压泵、稳压阀，将压力高于3～4MPa的气态CO2注入液态CO2输送管道中，当管道内压力大于4MPa时，关闭第二截断阀、增压泵、稳压阀。十分钟后计算机检测管道内压力是否下降。若管道内压力未发生变化，则管道气密性良好，计算机提示正常输送，否则发出泄漏预警。当正常输送时，计算机将第二截断阀、第四截断阀、增压泵、稳压阀打开，继续向液态CO2输送管道中注入气态CO2，当管路内压力大于4MPa时，关闭第二截断阀、增压泵、稳压阀；十分钟后，计算机检测管道内压力是否下降，当管路内压力未下降时，计算机提示输送正常，进行下一步操作。当管路内压力下降，计算机提示泄漏预警。
步骤四、向液态CO2输送管道中注入液态CO2：计算机依次打开第一截断阀、增压泵、稳压阀、第五截断阀，向输送管道中注入液态CO2。
步骤五、CO2循环利用：十分钟后计算机依次关闭第一截断阀、第五截断阀、增压阀、稳压泵，然后打开第三截断阀和CO2压缩机。CO2压缩机将气态CO2输送管道中的CO2压缩成液态CO2，通过液态CO2输送管道再次输送至区段进风巷。
步骤六、采空区中注入CO2：计算机每隔八小时打开第一截断阀、增压阀、稳压泵，向液态CO2输送管道中注入适量液态CO2，同时打开第五截断阀，向采空区中注入适量气态CO2，对采空区降温并抑制煤自燃，防止采空区发生火灾。
当采空区发生煤自然时若不及时采取灭火措施，可能造成井下巨大经济损失及人员伤害。本系统设有液态CO2紧急灭火系统，当采空区发生灭自然时，系统能采取紧急灭火措施，对井下火区进行灭火，防止火灾进一步发展，造成矿井灾害。
紧急灭火系统：
当井下采空区发生火灾时，启动液态CO2紧急灭火系统；
1)关闭第三、第四截断阀、CO2压缩机；
2)打开第一截断阀、增压泵、稳压阀，将大量液态CO2注入液态CO2输送管道；
3)打开第五截断阀，将大量气液混合CO2注入采空区进行降温灭火；
4)当采空区火灾得到有效控制后，关闭第五、第一截断阀、增压泵、稳压阀，开启第三、第四截断阀、CO2压缩机，进行CO2循环制冷；
5)每隔一个小时将第五截断阀开启，并向液态CO2输送管道中补充适量液态CO2，将适量CO2注入采空区，防止煤复燃。
井下安全系统
当液态CO2输送管道发生CO2泄漏后，工作面CO2超标时，计算机发出报警信号，并关闭第一截断阀，第二截断阀、第五截断阀、增压泵、CO2压缩机，并打开第六截断阀，将管路中CO2释放至地面，保证井下安全。
井下降温调节系统。当第二温度传感器检测到工作面温度过高时，计算机发出高温信号，调节第一截断阀，增加液态CO2输送管道中的液态CO2补充量，同时调节第五截断阀，增加采空区中CO2的释放量。
液态CO2制冷防灭火一体化原理。
①各管路及装置安装好后，向液态CO2输送管道中注入气态CO2进行升压：计算机打开第二截断阀、增压泵、稳压阀，将压力高于3～4MPa的气态CO2注入液态CO2输送管道中，当管路内压力大于4MPa时，关闭第二截断阀、增压泵、稳压阀。十分钟后计算机检测管路内压力是否下降。若管路内压力未发生变化，则管路气密性良好，计算机提示正常输送，否则发出泄漏预警。当正常输送时，计算机将第二截断阀、第四截断阀、增压泵、稳压阀打开，继续向液态CO2输送管道中注入气态CO2，当液态CO2输送管道内压力大于4MPa时，关闭第二截断阀、增压泵、稳压阀；十分钟后，计算机检测管道内压力是否下降，当液态CO2输送管道内压力未下降时，计算机提示输送正常，进行下一步操作。当液态CO2输送管道内压力下降，计算机提示泄漏预警。
②向液态CO2输送管道中注入液态CO2：计算机依次打开第一截断阀、增压泵、稳压阀、第五截断阀，向输送管道中注入液态CO2。
③CO2循环利用：十分钟后计算机依次关闭第一截断阀、第五截断阀、增压阀、稳压泵，然后打开第三截断阀和CO2压缩机。CO2压缩机将气态CO2输送管中的CO2压缩成液态CO2，通过液态CO2输送管道再次输送至区段进风巷。
④采空区中注入CO2：计算机打开第一截断阀、增压阀、稳压泵，向液态CO2输送管道中注入适量液态CO2，同时打开第五截断阀，向采空区中注入适量气态CO2，防治采空区煤自燃。
本发明液态CO2制冷防灭火一体化系统，通过在区段进风巷中安设CO2蒸发器，高压液态在蒸发器中气化吸热，使CO2蒸发器降温并吸收巷道中的热量，实现井下工作面降温。液态CO2在蒸发器中气化吸收大量热量之后，进入气态CO2输送管道，由CO2压缩机将低压气态CO2压缩成高压液态CO2，由高压液态CO2输送管道输送至井下，实现CO2循环利用。
液态CO2在CO2蒸发器中气化吸热降温后形成CO2气体，将部分CO2通过第一CO2释放管路注人采空区(氧化带)，从而抑制采空区煤的氧化自燃，并对采空区有一定降温作用。在部分气态CO2释放至采空区后，地面液态CO2储存罐将继续补充液态CO2至高压液态CO2输送管道中。
如图3所示，液态CO2输送管道释放端装置中，17为采空区中第一CO2释放管路，15为第五截断阀，用于控制CO2释放量，27为三通管，连接气态CO2输送管道，13为CO2蒸发器，各装置之间的输送管道长度为50米。
随着工作面的推进，第一CO2释放管路17逐步被采空区填埋，当工作面推移至d位置时，将13-2卸下，将原三通管27卸下安设于b位置并与气态CO2输送管道相连，将第五截断阀15卸下装于原三通管c处，此时d处为第一CO2释放管口。并将第五截断阀关闭。当采空将释放口填入5米深时，将第五截断阀15打开，将适量CO2注入采空区，防治采空区煤自燃。当采煤工作面再一次推移至第五截断阀时，重复上诉步骤。
综上所述，本发明实施例提供的一种矿井内液态CO2制冷防灭火一体化系统，将降温和防灭火相结合，在进行井下降温的同时，将适量CO2注入采空区，对采空区进行降温并抑制煤的氧化，对采空区煤自燃进行防治。该系统配有紧急灭火系统，当采空区发生自燃后，该系统启动紧急灭火系统，及时对煤自燃进行治理，防止因煤自燃造成的巨大经济损失及安全事故。
以上公开的仅为本发明的几个具体实施例，但是，本发明实施例并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种矿井内用液态CO2制冷防灭火一体化方法，其特征在于，包括液态CO2罐(1)、气态CO2罐(2)、液态CO2输送管道(12)和气态CO2输送管道(24)，所述液态CO2罐(1)和气态CO2罐(2)位于矿井之外；
所述液态CO2罐(1)的输出端通过第一截断阀(3)与液态CO2输送管道(12)连接，所述气态CO2罐(2)的输出端通过第二截断阀(4)也与CO2输送管道(12)连接；
所述液态CO2输送管道(12)上还从左到右依次设置有增压泵(5)、稳压阀(6)、第一流量传感器(7)、压力变送器(10)、第一温度传感器(11)，所述增压泵(5)、稳压阀(6)、第一流量传感器(7)、压力变送器(10)、第一温度传感器(11)均位于矿井之外；
所述第一温度传感器(11)右端的液态CO2输送管道(12)从立井进入矿体内并延伸至区段进风巷(18)，位于区段进风巷(18)中的液态CO2输送管道(12)上安装有若干个CO2蒸发器(13)，所述液态CO2输送管道(12)的末端通过三通管(27)与设置在采空区(22)中的第一CO2释放管路(17)相连，所述第一CO2释放管路(17)上从左到右依次设置有第五截断阀(15)、第二流量传感器(16)，所述第五截断阀(15)和所述第二流量传感器(16)均位于工作面(21)中；
所述工作面(21)中还设置有第二温度传感器(19)和CO2溶度传感器(20)；
所述液态CO2输送管道(12)的末端还通过三通管(27)与设置在矿井中的气态CO2输送管道(24)的一端相连接，所述气态CO2输送管道(24)的另一端与矿体外的液态CO2输送管道(12)相连，所述气态CO2输送管道(24)的另一端与矿体外的液态CO2输送管道(12)相连处位于第一流量传感器(7)和压力变送器(10)之间；
所述气态CO2输送管道(24)位于矿体外的管路上安装有一台CO2压缩机(9)，所述CO2压缩机(9)用于将气态CO2压缩成液体CO2；
所述气态CO2输送管道(24)位于矿体外的管路上还设置有第三截断阀(8)，所述第三截断阀(8)位于CO2压缩机(9)的左端；
所述气态CO2输送管道(24)位于矿体内的管路上还设置有第四截断阀(14)，所述第四截断阀(14)位于CO2压缩机(9)的右端；
所述气态CO2输送管道(24)位于矿体外的管路上还设置有第二CO2释放管路(26)，所述第二CO2释放管路(26)位于CO2压缩机(9)和第四截断阀(14)之间，所述第二CO2释放管路(26)上设置有第六截断阀(25)；
所述第一截断阀(3)、第二截断阀(4)、增压泵(5)、稳压阀(6)、第一流量传感器(7)、压力变送器(10)、第一温度传感器(11)、第三截断阀(8)、第四截断阀(14)、第五截断阀(15)、第二流量传感器(16)、第二温度传感器(19)、CO2溶度传感器(20)分别与计算机信号相连；
所述矿井内用液态CO2制冷防灭火一体化方法，包括步骤：
步骤一：首先安装好各管路及装置，然后向液态CO2输送管道中注入气态CO2进行升压，同时计算机打开第二截断阀、增压泵、稳压阀，将压力高于34MPa的气态CO2注入液态CO2输送管道中，当管路内压力大于4MPa时，关闭第二截断阀、增压泵、稳压阀，十分钟后计算机检测管路内压力是否下降，若管路内压力未发生变化，则管路气密性良好，计算机提示正常输送，否则发出泄漏预警；当正常输送时，计算机将第二截断阀、第四截断阀、增压泵、稳压阀打开，继续向液态CO2输送管道中注入气态CO2，当液态CO2输送管道内压力大于4MPa时，关闭第二截断阀、增压泵、稳压阀；十分钟后，计算机检测管道内压力是否下降，当液态CO2输送管道内压力未下降时，计算机提示输送正常，进行下一步操作，当液态CO2输送管道内压力下降，计算机提示泄漏预警；
步骤二：向液态CO2输送管道中注入液态CO2，通过计算机依次打开第一截断阀、增压泵、稳压阀、第五截断阀，向输送管道中注入液态CO2，通过区段进风巷中安设的CO2蒸发器，使高压液态CO2在CO2蒸发器中气化吸热，从而CO2蒸发器降温并吸收巷道中的热量，实现井下工作面降温，液态CO2在蒸发器中气化吸收大量热量之后，进入气态CO2输送管道，由CO2压缩机将低压气态CO2压缩成高压液态CO2，再由液态CO2输送管道输送至井下，实现CO2循环利用；
步骤三：计算机打开第一截断阀、增压阀、稳压泵，向液态CO2输送管道中注入适量液态CO2，同时打开第五截断阀，向采空区中注入适量气态CO2，防治采空区煤自燃。
2.如权利要求1所述的矿井内用液态CO2制冷防灭火一体化方法，其特征在于，所述CO2蒸发器(13)的个数为三个。
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液态二氧化碳防灭火装备及其工程应用;张春华;王继仁;张子明;张亚东;;科技导报(18);全文 *

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