本实用新型涉及煤矿相关技术领域，特别是一种二氧化碳注入矿井采空区系统。
背景技术：
煤矿在开采过程中，会产生大量的采空区，且在采空区遗留有大量的浮煤。由于煤层一般都具有自燃性，采空区浮煤可能自燃导致安全生产事故，采空区防灭火是煤矿的一项重要工作。
开采有自燃倾向性的煤层，按《煤矿安全规程》关于对防治自然发火的有关规定，煤矿企业必须制定防灭火措施。传统的预防自然发火措施主要有：黄泥灌浆、注氮气、喷洒阻化剂、注入凝胶、均压防灭火等。
现有的煤矿防灭火主要采用氮气。然而，使用氮气防灭火需要额外存储大量的氮气，额外增加氮气分离设备及能耗，且氮气的防灭火效果不够理想。
技术实现要素：
基于此，有必要针对现有技术采用氮气防灭火效果不好且需要额外能耗的技术问题，提供一种二氧化碳注入矿井采空区系统。
本实用新型提供一种二氧化碳注入矿井采空区系统，包括：液态二氧化碳存储容器、二氧化碳气化装置、二氧化碳地面输送管道、二氧化碳井下输送管道，所述液态氧化碳存储容器通过所述二氧化碳气化装置与所述二氧化碳地面输送管道连通，所述二氧化碳地面输送管道设置在地面，并通过地面钻孔与设置在井下的所述二氧化碳井下输送管道的输入端连通，在采空区的至少一个注入位置设置与所述二氧化碳井下输送管道的输出端分别连通的注入管道。
进一步的，所述二氧化碳气化装置为换热器，所述换热器的一次侧包括气态二氧化碳进气口、液态二氧化碳出液口，所述换热器的二次侧包括液态二氧化碳进液口、气态二氧化碳出气口，所述液态二氧化碳出液口与所述液态二氧化碳存储容器的进液口连通，所述液态二氧化碳进液口与所述液态二氧化碳存储容器的出液口连通，所述气态二氧化碳出气口与所述二氧化碳地面输送管道连通。
更进一步的，还包括设置在所述气态二氧化碳出气口的手动阀门。
进一步的，所述二氧化碳井下输送管道的输入端设置矿井回风巷或采区回风巷。
更进一步的，还包括减压阀门、以及真空泵，所述二氧化碳地面输送管道与所述二氧化碳井下输送管道的输入端的连接处设置所述减压阀门，所述二氧化碳井下输送管道的输出端通过所述真空泵与所述注入管道连通。
再进一步的，还包括第一二氧化碳流量传感器、第一管道中压力传感器、第一电磁控制阀门、第二二氧化碳流量传感器、第二管道中压力传感器、二氧化碳浓度传感器、第二电磁控制阀门、以及监控处理器；
所述第一二氧化碳流量传感器、所述第一管道中压力传感器、所述第一电磁控制阀门设置在所述减压阀门与所述二氧化碳井下输送管道的输入端之间，所述第二二氧化碳流量传感器、所述第二管道中压力传感器、所述二氧化碳浓度传感器、所述第二电磁控制阀门设置在所述真空泵与所述注入管道之间；
所述第一二氧化碳流量传感器、所述第一管道中压力传感器、所述第二二氧化碳流量传感器、所述第二管道中压力传感器分别与所述监控处理器的输入端通信连接，所述第一电磁控制阀门、所述第二电磁控制阀门分别与所述监控处理器的输出端通信连接。
再进一步的，还包括设置在所述减压阀门与所述二氧化碳井下输送管道的输入端之间的电动调节阀门，所述电动调节阀门与所述监控处理器的输出端通信连接。
再进一步的，还包括设置在真空泵入口管路中设置的第三压力传感器。
本实用新型采用二氧化碳防灭火，二氧化碳防灭火兼具抑制及窒息作用，防灭火效果要远好于氮气防灭火。煤炭生产企业也是能源消耗大户，部分煤矿井配套建设有煤化工项目，如煤制油、煤制天然气、煤制烯烃等。煤化工企业会产生大量的二氧化碳，这些二氧化碳排放到大气中，会造成温室气体效应。节能低碳生产是以煤为主要能源企业的一项重要工作。因此，本实用新型利用已有二氧化碳进行防灭火，实现废物利用，省去氮气防灭火的氮气分离设备及能耗，设备投资及运行成本远低于氮气防灭火。二氧化碳较空气要重得多，不容易通过采空区上方的冒落带及裂隙带逃逸，防灭火效果容易保持。二氧化碳易与采空区中浮煤吸附结合，形成永久封存，兼具温室气体封存效果，实现碳减排。
附图说明
图1为本实用新型一种二氧化碳注入矿井采空区系统的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本实用新型做进一步详细的说明。
如图1所示为本实用新型一种二氧化碳注入矿井采空区系统的结构示意图，包括：液态二氧化碳存储容器(图中未示出)、二氧化碳气化装置12、二氧化碳地面输送管道24、二氧化碳井下输送管道25，所述液态氧化碳存储容器通过所述二氧化碳气化装置12与所述二氧化碳地面输送管道24连通，所述二氧化碳地面输送管道24设置在地面，并通过地面钻孔与设置在井下的所述二氧化碳井下输送管道25的输入端连通，在采空区的至少一个注入位置设置与所述二氧化碳井下输送管道的输出端分别连通的注入管道26。
具体来说，在煤化工项目的燃烧工艺如煤制氢工艺采用富氧燃烧技术。采用膜分离技术，将产生的氮气为煤粉管道输送提供动力，并用于各类输送泵等密封保护；将产生的氧气用于煤制氢工艺的富氧燃烧。然后对燃烧产生的二氧化碳为主的气体采用深冷分离技术进行液化，提纯后的液态二氧化碳暂存于所述液态氧化碳存储容器中，达到捕集目的。存储在所述液态氧化碳存储容器中的液态二氧化碳，经过二氧化碳气化装置12进入二氧化碳地面输送管道24。
为减少输送管道直径，气态二氧化碳可考虑采用正压输送方式。同时，二氧化碳虽然在石油化工上定义为无毒，但对人的呼吸有抑制及窒息作用，其中抑制作用较为明显，矿井生产将二氧化碳当作有害气体来处理，《煤矿安全规程》规定，矿井进风中二氧化碳浓度不超过0.5％，工作面二氧化碳浓度不超过1.5％，矿井总回风巷二氧化碳浓度不超过0.75％。二氧化碳输送管道如果铺设井下巷道中，可能因泄露造成巷道风流中二氧化碳超限造成事故。因此，在二氧化碳地面输送管道24采用正压输送，在到达井下注入地点附近后再通过钻孔经二氧化碳井下输送管道25输送到井下注入地点的注入管道26。
本实用新型采用二氧化碳防灭火，二氧化碳防灭火兼具抑制及窒息作用，防灭火效果要远好于氮气防灭火。煤炭生产企业也是能源消耗大户，部分煤矿井配套建设有煤化工项目，如煤制油、煤制天然气、煤制烯烃等。煤化工企业会产生大量的二氧化碳，这些二氧化碳排放到大气中，会造成温室气体效应。节能低碳生产是以煤为主要能源企业的一项重要工作。因此，本实用新型利用已有二氧化碳进行防灭火，实现废物利用，省去氮气防灭火的氮气分离设备及能耗，设备投资及运行成本远低于氮气防灭火。二氧化碳较空气要重得多，不容易通过采空区上方的冒落带及裂隙带逃逸，防灭火效果容易保持。二氧化碳易与采空区中浮煤吸附结合，形成永久封存，兼具温室气体封存效果，实现碳减排。
在其中一个实施例中，所述二氧化碳气化装置12为换热器，所述换热器的一次侧包括气态二氧化碳进气口10、液态二氧化碳出液口11，所述换热器的二次侧包括液态二氧化碳进液口13、气态二氧化碳出气口，所述液态二氧化碳出液口11与所述液态二氧化碳存储容器的进液口连通，所述液态二氧化碳进液口13与所述液态二氧化碳存储容器的出液口连通，所述气态二氧化碳出气口与所述二氧化碳地面输送管道24连通。
本实施例将燃烧产生的二氧化碳通过换热器一次侧，将容器中被捕集的液态二氧化碳通过输送管道进入换热器二次侧。这样待分离的二氧化碳通过换热器降低温度，并释放热量，回收了绝大部分液化所需能量，降低液化能耗成本。二氧化碳进气口10优选地，可以与煤化工项目的二氧化碳排气口连通，直接对排除的二氧化碳进行液化。
在其中一个实施例中，还包括设置在所述气态二氧化碳出气口的手动阀门14。
本实施例在注入气态二氧化碳的措施管上设置手动阀门14，当注入气态二氧化碳工作结束后，可立即关闭阀门，以防止漏风。
在其中一个实施例中，所述二氧化碳井下输送管道25的输入端设置矿井回风巷3或采区回风巷。
由于矿井进风巷道中风量一般较小，允许二氧化碳浓度的上限值较低，在输送压力为正压情况下，泄露后的二氧化碳将随风流进入工作面，二氧化碳泄露影响范围广，人员难以撤离及救护，因此，本实施例将二氧化碳井下输送管道25的输入端设置在风量较大的矿井回风巷或采区回风巷中。
按井下巷道风流中对二氧化碳浓度的规定，矿井进风流中二氧化碳浓度最大不超过0.5％，矿井回风流中二氧化碳最大浓度不超过1.5％。所以将管路安在回风流中。矿井进风流也叫新鲜风流，矿井回风流也叫乏风流或污风流，大部分矿井回风流都为专用回风巷。井下主要作业场所都在新鲜风流中，当管路发生二氧化碳泄露时，进风流中二氧化碳浓度超限和回风流中二氧化碳浓度超限对矿井安全生产影程度不同，因此，本实施例尽可能地将管路设置在回风流中。
在其中一个实施例中，还包括减压阀门15、以及真空泵21，所述二氧化碳地面输送管道24与所述二氧化碳井下输送管道25的输入端的连接处设置所述减压阀门15，所述二氧化碳井下输送管道25的输出端通过所述真空泵21与所述注入管道26连通。
本实施例采用减压阀门15和真空泵21，实现在二氧化碳井下输送管道25中全程采用负压输送。具体来说，在井下注入地点，即注入管道26处，安设真空泵21，抽取管道中二氧化碳并注入采空区。在二氧化碳地面输送管道24进入井口之前设置减压阀门15，将管道中压力下降到低于外界大气压。这样在二氧化碳泄露初期时，由于管道内压力为负压，将形成井下风流中空气向管道中泄露；在后期，由于输送持续供给，将向巷道风流中泄露，但泄露最大速度为供给速度，这样将实现可控泄露，有效杜绝因泄露造成巷道风流中二氧化碳超限。
采取二氧化碳井下输送管道25全程负压输送虽然在井下输送距离可能很长，可达15km以上，且增加了真空泵，需额外增加电耗，但电能消耗量较小，且易于满足二氧化碳用于采空区防灭火要求。二氧化碳用于采空区防灭火兼具抑制及窒息作用，二氧化碳密度较大且易与浮煤结合，其防灭火效果要远好于氮气。氮气防灭火注采空区流量，每个综采工作面一般不超过15m3/min，按井下最大两个综采工作面所需二氧化碳量来设计，二氧化碳输送流量按不超过30m3/min来进行考虑，流量很小，易采取负压输送方式在井下管道中输送，且管道直径增加量很小，一般来说输送管径不会超过DN125。
在其中一个实施例中，还包括第一二氧化碳流量传感器181、第一管道中压力传感器182、第一电磁控制阀门16、第二二氧化碳流量传感器221、第二管道中压力传感器222、二氧化碳浓度传感器223、第二电磁控制阀门23、以及监控处理器19；
所述第一二氧化碳流量传感器181、所述第一管道中压力传感器182、所述第一电磁控制阀门16设置在所述减压阀门15与所述二氧化碳井下输送管道25的输入端之间，所述第二二氧化碳流量传感器221、所述第二管道中压力传感器222、所述二氧化碳浓度传感器223、所述第二电磁控制阀门23设置在所述真空泵与所述注入管道之间；
所述第一二氧化碳流量传感器181、所述第一管道中压力传感器182、所述第二二氧化碳流量传感器221、所述第二管道中压力传感器222、所述二氧化碳浓度传感器223分别与所述监控处理器的输入端通信连接，所述第一电磁控制阀门16、所述第二电磁控制阀门23分别与所述监控处理器19的输出端通信连接。
本实施例通过第一二氧化碳流量传感器、第一管道中压力传感器18、第二二氧化碳流量传感器、第二管道中压力传感器22对管道进行监测，泄露导致巷道中二氧化碳浓度超限、管道中力压力突变及注入点二氧化碳浓度降低到允许值如90％以下时，通过第一电磁速断阀门16及第二电磁控制阀门23切断二氧化碳输送管道，停止输送二氧化碳。
在其中一个实施例中，还包括设置在所述减压阀门与所述二氧化碳井下输送管道的输入端之间的电动调节阀门17，所述电动调节阀门与所述监控处理器的输出端通信连接。
本实施例通过电动调节阀门，自动调节管道压力为负压。
在其中一个实施例中，还包括设置在真空泵入口管路中设置的第三压力传感器20。
具体来说，在正常注入二氧化碳时，管路、注入流量、注入浓度都比较稳定，且注入流量与管路中绝对压力呈负相关关系。当管路发生泄露时，压力与流量会立即发生变化，即绝对压力与流量的负相关关系也发生逆转；在泄露一段时间后，二氧化碳浓度变化方可被监测到，因此，本实施例使用压力传感器来提高监测效率。
因泄露导致电磁速断阀门切断管路后，真空泵应继续运行至真空泵入口处管道中二氧化碳浓度下降到安全值如5％以下，控制系统再停止真空泵运行，以防止修复泄露管道时可能发生二氧化碳超限事故。
在其中一个实施例中，还设置有调节风门9。
调节风门一般应用于需人员通过且对通过的风量进行调节控制的巷道中。调节风门为密闭墙下部安一隔断风流的风门，中部按一可调节大小的风窗，这样人员可通过风门，而风量的大小通过调节风窗的大小来实现。按规定，每旬应对矿井进行一次全面测风，并根据各用风地点需风量的大小来调节各地点的实际供风量。
作为本实用新型最佳实施例，如图1所示，在矿井辅助运输兼进风大巷1、矿井主运输兼进风大巷2、矿井回风大巷3、综采工作面回风顺槽4、综采工作面主运输兼进风顺槽、综采工作面8中设置本二氧化碳注入矿井采空区系统，其中风门6作用为让行人能够通过并隔绝风流，以防止工作面风流被短路。密闭7的作用为将采空区与工作面隔绝，以防止采空区内有害气体涌出。一种二氧化碳注入矿井采空区系统，包括：液态二氧化碳存储容器(图中未示出)、二氧化碳地面输送管道24、二氧化碳井下输送管道25，所述液态氧化碳存储容器通过所述二氧化碳气化装置12与所述二氧化碳地面输送管道24连通，所述二氧化碳地面输送管道24设置在地面，并通过地面钻孔与设置在井下的所述二氧化碳井下输送管道25的输入端连通，在采空区的至少一个注入位置设置与所述二氧化碳井下输送管道的输出端分别连通的注入管道26；
在二氧化碳存储容器附近设置换热器12。将燃烧产生的二氧化碳通过换热器一次侧，将容器中被捕集的液态二氧化碳通过输送管道进入换热器二次侧。这样待分离的二氧化碳通过换热器降低温度，并释放热量，回收了绝大部分液化所需能量，降低液化能耗成本。
存储容器中液态二氧化碳经换热器与待液化分离二氧化碳进行换热后，吸收大量热量形成气态。将气化后的二氧化碳通过管道输送到井下采空区。
为减少输送管道直径，气态二氧化碳可考虑采用正压输送方式，正压输送时应优先采用地面输送方式，在到达井下注入地点附近后再通过钻孔输送到井下注入地点。二氧化碳虽然在石油化工上定义为无毒，但对人的呼吸有抑制及窒息作用，其中抑制作用较为明显，矿井生产将二氧化碳当作有害气体来处理，《煤矿安全规程》规定，矿井进风中二氧化碳浓度不超过0.5％，工作面二氧化碳浓度不超过1.5％，矿井总回风巷二氧化碳浓度不超过0.75％。二氧化碳输送管道如果铺设井下巷道中，可能因泄露造成巷道风流中二氧化碳超限造成事故。
由于井下工作面处于移动状态，二氧化碳向采空区注入的地点也在不断变化，地面输送将面临频繁改变管道及钻孔的问题，工程费用将大幅上升，可考虑将部分管路铺设在井下回风巷道中，实现井下输送方式。
由于矿井进风巷道中风量一般较小，允许二氧化碳浓度的上限值较低，在输送压力为正压情况下，泄露后的二氧化碳将随风流进入工作面，二氧化碳泄露影响范围广，人员难以撤离及救护，应将输送管道设置在风量较大矿井回风巷或采区回风巷中。
气态二氧化碳在井下输送管道中的正压力应设定上限值，如控制在0.3Mpa以下。如果将液态二氧化碳直接通过管路在井下巷道中输送，如果出现泄露事故，管道二氧化碳急剧减压释放，液态二氧化碳泄露后气化，体积增大千倍左右，大量二氧化碳将使得井下空气中二氧化碳浓度超限，影响煤矿安全生产，所以采用气态输送，并控制二氧化碳输送压力，以降低泄露速度在安全值范围之内。
应根据二氧化碳输送管道中的输送正压力、管径及输送长度等计算二氧化碳最大可能泄露量及泄露速度，并根据输送管道所在巷道的风量及允许浓度上限，确定二氧化碳在管道中的输送压力等输送参数，以防止发生二氧化碳泄露时井下巷道风流中二氧化碳超限。
当输送管道进入进风系统及工作面进回风巷道时，应采取负压输送方式。即在进入之前的管路中设置减压阀门、压力传感器及电磁速断阀门，在注入点安设真空泵，保证管道进入后输送压力为负值，并在进风系统管道中发生泄露时，切断二氧化碳供给。
可采取负压方式在井下管道中全程输送。即在井下注入地点安设真空泵，抽取管道中二氧化碳并注入采空区。在输送管路进入井口之前设置减压阀门，将管道中压力下降到低于外界大气压。这样在二氧化碳泄露初期时，由于管道内压力为负压，将形成井下风流中空气向管道中泄露；在后期，由于输送持续供给，将向巷道风流中泄露，但泄露最大速度为供给速度，这样将实现可控泄露，有效杜绝因泄露造成巷道风流中二氧化碳超限。
采取管路全程负压输送虽然在井下输送距离可能很长，可达15km以上，且增加了真空泵，需额外增加电耗，但电能消耗量较小，且易于满足二氧化碳用于采空区防灭火要求。二氧化碳用于采空区防灭火兼具抑制及窒息作用，二氧化碳密度较大且易与浮煤结合，其防灭火效果要远好于氮气。氮气防灭火注采空区流量，每个综采工作面一般不超过15m3/min，按井下最大两个综采工作面所需二氧化碳量来设计，二氧化碳输送流量按不超过30m3/min来进行考虑，流量很小，易采取负压输送方式在井下管道中输送，且管道直径增加量很小，一般来说输送管径不会超过DN125。
安设在地面的减压阀门应采取防止二氧化碳结冰措施。二氧化碳减压后，因大量吸热而温度下降，可能导致减压阀门内外结冰，从而影响二氧化碳输送及阀门控制部件正常使用。且在减压阀门前后等低温点附近的管道连接应避免采用法兰连接等形式，以防止发生二氧化碳溶胀性现象，损坏法兰垫圈。
因二氧化碳在井下巷道中输送，井下巷道风流中对二氧化碳浓度有严格限制，其输送管道的设计、加工、施工及验收按SH3501—2002标准分级规定的SHC级要求进行。
采取管道泄露监控措施。在矿井调度室监控中心安设监控电脑，采用PLC控制系统，将各类传感器监测数据上传矿调度室，以监控系统运行情况，并控制系统运行。
在地面管道起始段中设置：减压阀门、电动调节阀门、电磁速断阀门、流量传感器、压力传感器各一台，并可考虑安设自动向管道中添加安全臭味剂装置。在真空泵(真空泵应考虑采用变频控制，以在监控中心远程调节注入流量)入口管路中设置压力传感器，出口管路中设置二氧化碳浓度传感器、流量传感器、电磁阀门各一台。
通过减压阀门，将二氧化碳压力降到管道设计压力；通过电动调节阀门，自动调节管道压力为负压；因泄露导致巷道中二氧化碳浓度超限、管道中力压力突变及注入点二氧化碳浓度降低到允许值如90％以下时，通过电磁速断阀门切断二氧化碳输送管道，停止输送二氧化碳。
因泄露导致电磁速断阀门切断管路后，真空泵应继续运行至真空泵入口处管道中二氧化碳浓度下降到安全值如5％以下，控制系统再停止真空泵运行，以防止修复泄露管道时可能发生二氧化碳超限事故。
井下人员在闻到臭味气的标志性气味时，应按避灾路线要求及时撤离并上报矿调度室。
井下二氧化碳输送管路的巡视，检修，注二氧化碳等操作，管路及设备拆、安、移运人员等应携带便携式二氧化碳检查仪，随时检查作点地点二氧化碳浓度。
采空区防灭火二氧化碳注入地点及注入量等参数可参照氮气防灭火设计来进行，但应分阶段逐步增加注入量至设计值，并密切观测工作面上隅角等通风低负压点的二氧化碳浓度变化情况，逐步掌握注二氧化碳防灭火参数。
二氧化碳也可注入老采空区，起到碳封存及预防老采空区着火的目的。
实施方式举例
(1)某矿原有氮气防灭火系统
某矿井及配套选煤厂年产量1500万吨，矿井原煤先装入原煤仓，然后再由选煤厂洗选后装入商品煤仓，最后由列车装车外运。
经化验，矿井煤质适合进行煤化工，决定在井田边界处建设煤化工项目，并建设主斜井，将煤矿开采出来的煤炭直接输送到煤化工厂区。经过几年的运行，煤化工项目产生的大量二氧化碳直接对空排放，造成温室气体效应。为减少二氧化碳排放，煤化工厂在厂区附近从地面向地层深层钻孔，钻孔深达3千米以上，采用高压液态注入方法，将二氧化碳深冷提纯液化后注入地层。经过近4年压注，总注入量约30万吨，总投入近20亿元，碳封存成本很高。
煤矿井为防止采空区自然发火，在井下布置氮气防灭火系统，设计注氮气量14.4m3/min，配备两台2台DM-1000型井下移动式膜分离制氮机。
(2)改造为二氧化碳注采空区防灭火方案：
制氮机为连续运行设备，耗电量很大，后经研究，决定投资200万元，利用煤化工产生的二氧化碳进行采空区防灭火。
保留煤矿注氮气输送管路，在煤化工主斜井铺设一趟管路，并与煤矿原有的注氮气管路相连。在地面管道输送起始段，安设换热器，电磁速断阀门，电动调节阀门，并在管道中安设二氧化碳流量及压力传感器。通过换热器，对待深冷分离的二氧化碳进行预冷却，对分离后液态二氧化碳进行升温气化，并减压后进入输送管中。
采用负压输送方式，在采空区注入点，安设离心式真空泵，并在真空泵吸入口管道中安设二氧化碳浓度、压力、流量传感器。
在矿井地面调度室建监控中心，将传感器数据上传调度室，监测系统运行情况，并控制系统运行。
经过较长期持续注入采空区，并观测井下各采空区密闭及工作面隅角等出口的二氧化碳浓度等气体变化情况，分析二氧化碳运移、吸附规律，评估防灭火效果，并优化了注二氧化碳注入地点、注入量等参数。
以上所述实施例仅表达了本实用新型的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。因此，本实用新型专利的保护范围应以所附权利要求为准。