CN108843369B - 一种矿用液态co2地面直注系统与方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种矿用液态CO₂地面直注系统与方法，属于煤矿防灭火技术领域。其包括液态CO₂储罐、气液分离器、空温器、智能调控单元等，液态CO₂储罐布置在井上靠近煤矿立井井口的位置，气液分离器布置在井下靠近立井井底的位置，用于气液两相CO₂的分离，解决气液两相流输送困难的问题，同时控制输送管道系统内的压力在合理范围内；空温器，布置在井下采空区附近，实现了在输送管道末端出现冰堵时继续向采空区输送CO₂，避免因灭火介质中断而影响灭火效率；智能调控单元，用于采集压力信号并且智能调控节流阀。本发明工序简单、安全性高、灭火效率高、防火、防爆、防尘，在本技术领域内具有广泛的实用性。

Description

一种矿用液态CO2地面直注系统与方法

技术领域

本发明属于煤矿防灭火技术领域，具体涉及一种由矿井地面向井下直接输送液态CO₂的系统与方法。

背景技术

煤矿井下采空区中的遗煤极易发生自燃，会引发瓦斯爆炸，造成重大伤亡事故。自燃火源点处于导热系数小、比热容高的多孔煤岩介质中，注浆、注胶、惰性气体灌注等常规的灭火方法不能将高温煤岩的热量及时带走，导致火源即使在完全窒息后也依然长时间维持较高温度，一旦获得氧气会快速复燃。液态CO₂注入到采空区后，能够迅速气化产生大量的CO₂气体，将火源点完全窒息；同时液态CO₂气化的过程中会吸收大量的热量，将火源点的温度快速降低。因此针对采空区自燃火源点，灌注液态CO₂是一种很好的方法。

目前，煤矿缺少由地面直接向采空区灌注液态CO₂的系统与方法。当需要向采空区灌注液态CO₂灭火时，首先采用小型储罐将液态CO₂运输到井下采空区附近，然后向采空区灌注。例如CN106640177A公开了一种矿用移动式液态二氧化碳防灭火系统，CN201802437U公开了一种矿用移动式液态二氧化碳防灭火装置，其防灭火装置虽然可以在矿井巷道内使用，但其难以实施液态CO₂的长时间持续灌注作业，并且工序繁琐、存在较大的爆炸安全隐患。

液态CO₂的长距离输送过程中会存在以下问题：输送过程中由于气化的原因会产生两相流，导致液态CO₂输送困难，并且会导致由地面通往井下的竖直管道的底部压力剧增，形成重大安全隐患；液态CO₂的温度很低，在常温管道中通入液态CO₂后会产生明显的冷缩效应，1000 米的钢管会产生0.5米左右的收缩，严重影响输送系统的安全运行，比如容易引发泄露事故；长时间输送液态CO₂后，输送管道外壁的温度接近液态CO₂的温度，同时井下空气的湿度通常较大，极易在输送管道外壁结冰，从而增加管道负荷，并影响管道的机械性能；输送管道末端泄放液态CO₂时以及节流时会在管道中产生压力波动，一定条件下会在管道内产生干冰，容易堵塞管道。因此，需要在考虑以上问题的基础上，研发一种矿用液态CO₂地面直注系统与方法。

发明内容

为了解决上述现有技术中存在的缺陷，本发明提出了一种矿用液态CO₂地面直注系统与方法，其简化液态CO₂的灌注工序，实现煤矿灭火时能够向采空区长时间持续输送液态CO₂，提高灭火效率。

一种矿用液态CO₂地面直注系统，其包括液态CO₂储罐、气液分离器、空温器、智能调控单元、第一输送管、第二输送管及第三输送管，所述的液态CO₂储罐布置在井上靠近煤矿立井井口的位置，所述气液分离器布置在井下靠近立井井底的位置，所述气液分离器的液态CO₂入口端通过液态CO₂输送管与液态CO₂储罐连通，所述的气液分离器的气相出口端与第一输送管的进口端连通，所述的第一输送管的末端被埋入采空区20-60米处，所述的气液分离器的液相出口端与第二输送管的进口端连通，所述的第二输送管的末端被埋入采空区20-60米处，在所述的第二输送管上距离采空区50-200米的位置安装有三通，所述的三通的两个出口分别连接所述第二输送管与第三输送管，所述空温器布置在所述第三输送管上距离采空区40-180 米的位置，所述的第三输送管的末端被埋入采空区20-60米处。

作为本发明的一个优选方案，在所述的液态CO₂输送管上自靠近液态CO₂储罐的一端开始，依次设置有流量控制阀、增压泵及稳压阀。

作为本发明的另一个优选方案，所述的第一输送管的进口端安装有第一压力表，所述的第一输送管上距离采空区20米的位置安装有第一节流阀，所述的第二输送管上距离采空区 20米的位置安装有第二节流阀，所述的空温器的进口端安装有第三节流阀，所述的第二节流阀的后端5米的位置安装有第二压力表。

进一步的，所述的智能调控单元布置在采空区前30米的位置，所述的智能调控单元依次通过第一信号线与第一压力表连通，通过第二信号线与第二压力表连通，通过第三信号线与第一节流阀连通，通过第四信号线与第二节流阀连通，通过第五信号线与第三节流阀以及空温器连通。

进一步的，所述的液态CO₂输送管、第一输送管、第二输送管及第三输送管均为聚氨酯保温钢管，所述的聚氨酯保温钢管的保温棉的厚度为30-50mm，所述的聚氨酯保温钢管由耐零下40摄氏度的碳钢制成。

进一步的，所述的液态CO₂输送管上每隔500米、所述的第一输送管上每隔500米处、所述的第二输送管上每隔500米处分别连接有第一金属软管、第二金属软管和第三金属软管，其中，第一金属软管、第二金属软管、第三金属软管的长度均为2米。

本发明的另一任务在于提供一种矿用液态CO₂地面直注方法，其采用上述矿用液态CO₂地面直注系统，依次包括以下步骤：

a打开流量控制阀，启动气液分离器、智能调控单元、增压泵及稳压阀，关闭第一节流阀、第二节流阀及第三节流阀；

b、当第一压力表的读数达到2.2MPa时，智能调控单元通过第四信号线打开第二节流阀向采空区输送液态二氧化碳；

c、当第一压力表的读数超过2.5MPa时，智能调控单元通过第三信号线打开第一节流阀泄压直到第一压力表的读数降低到2.5MPa；

d、当第一压力表的读数低于2MPa时，智能调控单元通过第四信号线关闭第二节流阀；

e、当第二压力表的读数超过3.0MPa时，智能调控单元通过第四信号线关闭第二节流阀，同时智能调控单元通过第五信号线打开第三节流阀以及空温器。

本发明所带来的有益技术效果为：

通过增设气液分离器实现气液分离，解决了气液两相流输送困难的问题，同时，通过调节气液分离器的压力，可以控制整个输送管道系统的压力在合理范围以内；通过采用聚氨酯保温钢管以及增设金属软管，有效避免了管壁结冰以及管道热胀冷缩引发泄露等问题的发生；通过在输送管道末端增设空温器支路，实现了在输送管道末端出现冰堵时继续向采空区输送 CO₂，避免了因灭火介质中断而影响灭火效率。该矿用液态CO₂地面直注系统与方法工序简单、安全性高、灭火效率高、防火、防爆、防尘，在本技术领域内具有广泛的实用性。

附图说明

下面结合附图对本发明做进一步说明：

图1为本发明的一种矿用液态CO₂地面直注方法的工艺流程图；

图中，1-液态CO₂储罐，2-气液分离器，3-空温器，4-智能调控单元，5-第一输送管，6- 第二输送管，7-第三输送管，8-液态CO₂输送管，9-三通，10-流量控制阀，11-增压泵11，12-稳压阀，13-第一压力表，14-第一节流阀，15-第二节流阀，16-第三节流阀，17-第二压力表，18-第一信号线，19-第二信号线，20-第三信号线，21-第四信号线，22-第五信号线， 23-第一金属软管，24-第二金属软管，25-第三金属软管。

具体实施方式

本发明提出了一种矿用液态CO₂地面直注系统与方法，为了使本发明的优点、技术方案更加清楚、明确，下面结合具体实施例对本发明做详细说明。

如图1所示，本发明一种矿用液态CO₂地面直注系统包括液态CO₂储罐1、气液分离器2、空温器3、智能调控单元4、第一输送管5、第二输送管6、第三输送管7及液态CO₂输送管8，液态CO₂储罐1布置在井上靠近煤矿立井井口的位置，气液分离器2布置在井下靠近立井井底的位置，气液分离器2的液态CO₂入口端通过液态CO₂输送管8与液态CO₂储罐1连通，气液分离器2的气相出口端与第一输送管5的进口端连通，第一输送管5的末端被埋入采空区30 米处，气液分离器2的液相出口端与第二输送管6的进口端连通，第二输送管6的末端被埋入采空区30米处，在第二输送管6上在距离采空区50米的位置安装有三通9，三通9的两个出口分别连接第二输送管6与第三输送管7，空温器3布置在第三输送管7上距离采空区 40米的位置处，第三输送管7的末端被埋入采空区30米处，第一输送管5的进口端安装有第一压力表13，第一输送管上距离采空区20米的位置安装有第一节流阀14，第二输送管6 上距离采空区20米的位置安装有第二节流阀15，空温器3的进口端安装有第三节流阀16，第二节流阀15的后端5米的位置安装有第二压力表17，智能调控单元4布置在采空区前30 米的位置，智能调控单元4通过第一信号线18与第一压力表13连通，智能调控单元4通过第二信号线19与第二压力表17连通，智能调控单元4通过第三信号线20与第一节流阀14 连通，智能调控单元4通过第四信号线21与第二节流阀15连通，智能调控单元4通过第五信号线22与第三节流阀16以及空温器3连通。

为了控制液态CO₂的输送流量与压力，本实施例中，在所述的液态CO₂储罐1的出口端安装有流量控制阀10、增压泵11、稳压阀12。

为了防止液态CO₂在长时间持续输送过程中输送管道外壁结冰，本实施例中，液态CO₂输送管8、第一输送管5、第二输送管6、第三输送管7均为聚氨酯保温钢管，保温钢管的保温棉的厚度为50mm，保温钢管的材质均为耐零下40摄氏度的碳钢；

本实施例中，采用在保温钢管中连接金属软管的方法来防止输送管道因热胀冷缩引发泄露等问题的发生，液态CO₂输送管8上每隔500米连接一根第一金属软管23，所述的第一输送管5上每隔500米连接一根第二金属软管24，所述的第二输送管6上每隔500米连接一根第三金属软管25，第一金属软管23、第二金属软管24、第三金属软管25的长度是2米，第一金属软管23、第二金属软管24、第三金属软管25两端所连接的钢管之间的距离是1.5米。

为了将该矿用液态CO₂地面直注系统在煤矿井下进行安全应用，本实施例中，所述的气液分离器2、空温器3、智能调控单元4均满足防火、防爆、防尘的要求。

本发明还提出了一种矿用液态CO₂地面直注方法，具体包括以下步骤：

a、安装矿用液态CO₂地面直注系统：从煤矿井口至井下采空区铺设液态CO₂输送管8、第一输送管5、第二输送管6、第三输送管7，按照上述的方法连接气液分离器2、空温器3、智能调控单元4、第一压力表13、第二压力表17、第一节流阀14、第二节流阀15、第三节流阀16、第一信号线18、第二信号线19、第三信号线20、第四信号线21、第五信号线22；在井上靠近井口的位置连接液态CO₂储罐1、流量控制阀10、增压泵11、稳压阀12；

b、向井下采空区输送液态CO₂时，完全打开流量控制阀10，启动气液分离器2、智能调控单元4、增压泵11、稳压阀12，关闭第一节流阀14、第二节流阀15、第三节流阀16，增压泵11的出口压力设置为2.2MPa；

c、当第一压力表13的读数达到2.2MPa时，智能调控单元4通过第四信号线21打开第二节流阀15向采空区输送液态二氧化碳；

d、为了防治管道内部超压形成安全隐患，当第一压力表13的读数超过2.5MPa时，智能调控单元4通过第三信号线20打开第一节流阀14泄压直到第一压力表13的读数降低到2.5MPa；

e、为了防治管道内部压力过低导致液态CO₂大量气化，当第一压力表13的读数低于2MPa 时，智能调控单元4通过第四信号线21关闭第二节流阀15，停止液态CO₂的输送；

f、当第二压力表17的读数超过3.0MPa时，表明节流阀15后面的液态CO₂开始大量气化，容易出现冰堵，此时智能调控单元4通过第四信号线21关闭第二节流阀15，同时智能调控单元4通过第五信号线打开第三节流阀16以及空温器3，继续通过第三输送管7向采空区输送CO₂。

本发明中未述及的部分采用或借鉴已有技术即可实现。

尽管本文中较多的使用了诸如液态CO₂储罐1、气液分离器2、空温器3、智能调控单元4 等术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。

需要进一步说明的是，本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明的精神所作的举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (4)

1.一种矿用液态CO₂地面直注系统，其包括液态CO₂储罐、气液分离器、空温器、智能调控单元、第一输送管、第二输送管及第三输送管，其特征在于：

所述的液态CO₂储罐布置在井上靠近煤矿立井井口的位置，所述气液分离器布置在井下靠近立井井底的位置，所述气液分离器的液态CO₂入口端通过液态CO₂输送管与液态CO₂储罐连通，所述的气液分离器的气相出口端与第一输送管的进口端连通，所述的第一输送管的末端被埋入采空区20-60米处，所述的气液分离器的液相出口端与第二输送管的进口端连通，所述的第二输送管的末端被埋入采空区20-60米处，在所述的第二输送管上距离采空区50-200米的位置安装有三通，所述的三通的两个出口分别连接所述第二输送管与第三输送管，所述空温器布置在所述第三输送管上距离采空区40-180米的位置，所述的第三输送管的末端被埋入采空区20-60米处；

在所述的液态CO₂输送管上自靠近液态CO₂储罐的一端开始，依次设置有流量控制阀、增压泵及稳压阀；所述的第一输送管的进口端安装有第一压力表，所述的第一输送管上距离采空区20米的位置安装有第一节流阀，所述的第二输送管上距离采空区20米的位置安装有第二节流阀，所述的空温器的进口端安装有第三节流阀，所述的第二节流阀的后端5米的位置安装有第二压力表；所述的智能调控单元布置在采空区前30米的位置，所述的智能调控单元依次通过第一信号线与第一压力表连通，通过第二信号线与第二压力表连通，通过第三信号线与第一节流阀连通，通过第四信号线与第二节流阀连通，通过第五信号线与第三节流阀以及空温器连通。

2.根据权利要求1所述的一种矿用液态CO₂地面直注系统，其特征在于：所述的液态CO₂输送管、第一输送管、第二输送管及第三输送管均为聚氨酯保温钢管，所述的聚氨酯保温钢管的保温棉的厚度为30-50mm，所述的聚氨酯保温钢管由耐零下40摄氏度的碳钢制成。

3.根据权利要求1所述的一种矿用液态CO₂地面直注系统，其特征在于：所述的液态CO₂输送管上每隔500米、所述的第一输送管上每隔500米处、所述的第二输送管上每隔500米处分别连接有第一金属软管、第二金属软管和第三金属软管，其中，第一金属软管、第二金属软管、第三金属软管的长度均为2米。

4.一种矿用液态CO₂地面直注方法，其特征在于：其采用权利要求1所述的一种矿用液态CO₂地面直注系统，所述方法依次包括以下步骤：

a打开流量控制阀，启动气液分离器、智能调控单元、增压泵及稳压阀，关闭第一节流阀、第二节流阀及第三节流阀；

b、当第一压力表的读数达到2.2MPa时，智能调控单元通过第四信号线打开第二节流阀向采空区输送液态二氧化碳；

c、当第一压力表的读数超过2.5MPa时，智能调控单元通过第三信号线打开第一节流阀泄压直到第一压力表的读数降低到2.5MPa；

d、当第一压力表的读数低于2MPa时，智能调控单元通过第四信号线关闭第二节流阀；

e、当第二压力表的读数超过3.0MPa时，智能调控单元通过第四信号线关闭第二节流阀，同时智能调控单元通过第五信号线打开第三节流阀以及空温器。