一种采空区二氧化碳泄压防灭火技术及装备的制作方法

本发明涉及煤矿采空区遗煤自然发火防治技术领域，具体涉及一种采空区二氧化碳泄压防灭火技术及装备。

背景技术：

煤矿行业生产过程中，采空区遗煤自然发火是煤矿生产行业中的首要自然灾害之一，给工作面安全开采带来极大威胁。采空区遗煤氧化升温自燃，导致采空区火灾，高温和大量的有毒有害气体严重损害井下工作人员的生命健康，并损坏工作面支架等设备，造成巨大的经济损失，若无法及时防治遗煤自然发火，则可能导致整个工作面乃至整个矿井的被迫封闭和停产，影响企业的正常发展。

根据现有资料来看，目前对于采空区遗煤自然发火的防治技术主要有注氮防灭火、凝胶泡沫防灭火等，这类技术均是通过于工作面向采空区注入防灭火材料的形式进行灾害防治，尽管可以对工作面后方采空区一定范围内的遗煤自燃起到一定防治效果，但存在的局限性较大，首先是工艺复杂，需要于井下布置压注设备与管路，严重耗费人力物力。同时，上述技术通常仅选择在工作面两端头处进行防灭火材料的压注，这便造成了防治区域的范围有限，对于采空区中间的大部分区域和采空区较深处区域的遗煤自然发火防治，则考虑较少，故防治效果不够理想。本发明致力于研发一种采空区二氧化碳泄压防灭火技术及装备，填补现有的采空区防灭火技术水平的不足，实现方便、有效的自然发火防治。

技术实现要素：

本发明公开一种采空区二氧化碳泄压防灭火技术及装备，其装备主要包括一种二氧化碳泄压罐，该装置内灌装液态二氧化碳，并可在一定温度条件下通过泄压孔释放高压二氧化碳气体。通过煤矿现场采集煤样，测定煤样着火点温度，然后设定泄压临界温度，进而对泄压罐的爆破片进行选型，并进行二氧化碳的灌装和二氧化碳泄压罐的埋设。当采空区遗煤氧化升温至临界温度，爆破片破裂，泄压罐可释放出大量二氧化碳气体，抑制高温点的进一步氧化升温，实现采空区遗煤自然发火防治，确保工作面安全回采。同时，该技术的通过传输无线监测数据，可以实现对采空区遗煤自燃危险性的分析。

本发明采用的技术方案包括：

一种采空区二氧化碳泄压防灭火技术及装备，其特征在于，技术装备主要包括一种二氧化碳泄压罐。

所述二氧化碳泄压罐，包括罐体，泄压头、底座，爆破片，液压传感器，温度传感器，无线信号发射器，防爆电源，防护罩；

所述罐体为半球形结构，焊接于底座上方，由导热性良好的高强度钢材制作，其顶部布置有一圆孔，可以通过螺纹与泄压头旋接；罐体侧面设有注液孔，内部装有单向阀，液态二氧化碳可通过该单向阀注入二氧化碳泄压罐体内部；

所述泄压头为中空的圆柱钢体，其侧面布置多个圆形泄压孔。其顶部安有把手，方便旋转拆装泄压头和搬运二氧化碳泄压罐；

所述爆破片为一金属圆片，可承受一定大小的压强，按照耐压强度极限值分为不同规格，可放置于泄压孔内，当泄压头与泄压罐体旋紧后，可将爆破片固定于二者之间，当泄压罐体内压强突破其强度极限时，爆破片可发生破裂；

所述防护罩为一金属网罩，位于底座的边缘位置，用于保护其内部的温度传感器、无线信号发射器、防爆电源；

所述液压传感器位于罐体内部，通过导线同防爆电源和无线信号发射器相连，可实时监测罐体内液态二氧化碳的压强值；

所述温度传感器可实时监测二氧化碳泄压罐位置处的采空区空气温度；

所述温度传感器和液压传感器能量均由防爆电源提供，其监测的数据通过无线信号发射器发射，并由工作面顺槽内的无线数据采集站接收。

一种采空区二氧化碳泄压防灭火方法，其特征在于，技术操作包括以下步骤：

步骤一、设定泄压临界温度

现场采集煤样，通过实验室氧化升温试验，获得煤样氧化升温和自燃特性，根据煤矿安全生产的实际需求，设定泄压临界温度t0；

步骤二、爆破片选型与安装，包括以下分步骤：

a设液态二氧化碳初始压强为ph，在等容积条件下，液态二氧化碳温度升高1℃导致的压强增高为p0，且地面灌装液态二氧化碳的环境温度为th，则可推算出爆破片的耐压强度pm为pm＝ph+(t0-th)p0，由此可对爆破片进行选型；

作为本步骤的一个优选方案，泄压温度t0和爆破片耐压强度pm通过反复计算和试验，制定出参照表，方便在每次技术实施过程中，进行爆破片的选型；

b将爆破片置于罐体顶部的圆孔内，旋接泄压头与罐体，使其固定；

步骤三、灌装液态二氧化碳

利用专用灌装软管连接液态二氧化碳钢瓶瓶阀与灌装泵进液阀，以及灌装泵出液阀与二氧化碳泄压罐的注液孔，旋紧连接端口，确认管路导通后，对泵体预冷，之后启动灌装泵，将液态二氧化碳由钢瓶灌装至泄压罐内；

步骤四、埋设二氧化碳泄压罐，包括以下分步骤：

a依据二氧化碳泄压罐的泄压防灭火作用范围，结合工作面长度尺寸，以l为间距，沿工作面划分若干埋设点；

b在回风顺槽内安设无线数据采集站，用于对无线数据的采集；

c为避免采空区顶板来压垮落的岩石对二氧化碳泄压罐的冲击和损坏，选择在工作面周期来压后，垮落岩体相对稳定的阶段进行埋设。工作面支架移架期间，通过架间空隙将二氧化碳泄压罐埋入采空区。当二氧化碳泄压罐周边区域出现遗煤氧化升温，则热量将传导至罐体内部，引起罐体内部压强升高，当温度突破爆破片强度极限时，爆破片破裂，高压液态二氧化碳迅速气化，于泄压孔向周边区域高速释放，二氧化碳气体在冒落堆积的岩体空隙中积聚，形成持续的低氧环境，有效防止遗煤的进一步氧化升温，实现采空区防灭火效果；

此外，本技术可通过传输无线监测数据，实现对采空区遗煤自燃危险性的分析，其方法如下：

由温度传感器和液压传感器将监测数据无线传输至无线数据采集站。当某二氧化碳泄压罐位置处对应的温度数据升高时，证明此处遗煤氧化升温较为剧烈，存在自然发火危险。当液压监测值迅速下降，证明此处二氧化碳泄压罐实现了泄压防灭火过程，同时，通过进一步的温度监测，可分析防灭火效果，并采取进一步的遗煤自燃防治措施。

本发明所与现有技术相比，具有以下优点：

1、本技术通过在采空区平面范围内划分网格，多点埋设二氧化碳泄压罐的方式，实现对采空区平面区域内遗煤自燃的全方位防治，覆盖范围广，遗煤自燃灾害防治效果更佳；

2、二氧化碳泄压罐释放高压二氧化碳气体，气体在采空区空隙中扩散，可以在局部范围内形成低氧环境，根据二氧化碳物理性质，其由液态气化后体积可膨胀600～800倍，可在泄压罐周边的垮落岩体空隙中积聚，形成持续的低氧环境，结合液态二氧化碳的相变气化吸热作用，可有效抑制遗煤的氧化升温；

3、技术操作方便，爆破片选型、灌装液态二氧化碳等大部分工序均可在井上完成，方便操作，节省人力。相比注氮防灭火技术，省去了大量的井下注氮设备和管路的安设工作，工艺简单，成本低廉。

4、本技术兼具采空区温度监测和自然发火预警功能，通过无线温度监测数据和二氧化碳泄压数据，可综合分析采空区内的高温点位置和发火危险性，便于开展进一步的遗煤自燃防治工作。

附图说明：

图1为液态二氧化碳泄压罐结构示意图

图2为液态二氧化碳泄压罐埋设示意图

附图标记说明：

图中：1、罐体，2、泄压头，3、底座，4、爆破片，5、液压传感器，6、温度传感器，7、无线信号发射器，8、防爆电源，9、防护罩，10、注液孔，11、把手，12、无线数据采集站，13、液态二氧化碳、14、回风顺槽

具体实施方式

本发明提供了一种采空区二氧化碳泄压防灭火技术及装备，下面通过附图和实施例，以某矿1501工作面采空区遗煤自然发火防治为工程背景，实际应用本技术。对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

首先对本发明所包括的技术装备作如下说明：

结合图1所示，一种采空区二氧化碳泄压防灭火技术及装备，其技术装备主要包括一种二氧化碳泄压罐。

所述二氧化碳泄压罐，包括罐体1，泄压头2、底座3，爆破片4，液压传感器5，温度传感器6，无线信号发射器7，防爆电源8，防护罩9；

所述罐体1为半球形结构，焊接于底座上方，由导热性良好的高强度钢材制作，其顶部布置有一圆孔，可以通过螺纹与泄压头2旋接；罐体1侧面设有注液孔10，内部装有单向阀，液态二氧化碳可通过该单向阀注入二氧化碳泄压罐体1内部；

所述泄压头2为中空的圆柱钢体，其侧面布置多个圆形泄压孔。其顶部安有把手11，方便旋转拆装泄压头和搬运二氧化碳泄压罐；

所述爆破片4为一金属圆片，可承受一定大小的压强，按照耐压强度极限值分为不同规格，当泄压头与泄压罐体旋紧后，可将爆破片固定于二者之间，当泄压罐体内压强突破其强度极限时，爆破片可发生破裂；

所述防护罩9为一金属网罩，位于底座3的边缘位置，用于保护其内部的温度传感器6、无线信号发射器7、防爆电源8；

所述液压传感器5位于罐体1内部，通过导线同防爆电源8和无线信号发射器7相连，可实时监测罐体1内液态二氧化碳的压强值；

所述温度传感器6可实时监测二氧化碳泄压罐位置处的采空区空气温度；

所述温度传感器6和液压传感器5能量均由防爆电源提供，其监测的数据通过无线信号发射器7发射，并由工作面顺槽内的无线数据采集站12接收。

一种采空区二氧化碳泄压防灭火方法，其特征在于，技术操作包括以下步骤：

步骤一、设定泄压临界温度

于1501工作面采集煤样，通过实验室氧化升温试验，获得煤样氧化升温特性自燃特性。根据煤矿安全生产的实际需求，设定泄压临界温度t0为80℃；

步骤二、爆破片选型与安装

根据泄压临界温度，结合温度和爆破片型号对照表，进行爆破片4的选型，选择耐压强度为50mpa的爆破片，将爆破片4置于罐体顶部的圆孔内，旋接泄压头2与罐体1，使其固定；

步骤三、灌装液态二氧化碳

利用专用灌装软管连接液态二氧化碳钢瓶瓶阀与灌装泵进液阀，以及灌装泵出液阀与二氧化碳泄压罐的注液孔10，旋紧连接端口，确认管路导通后，对泵体预冷，之后启动灌装泵，将液态二氧化碳13由钢瓶灌装至罐体1内；

步骤四、埋设二氧化碳泄压罐

工程试验发现，液态二氧化碳泄压罐发生泄压后，可在半径为10m的采空区平面范围制造持续的低氧环境，抑制氧化升温的效果较佳。1501工作面长130m，决定以l＝20m为间距，沿工作面方向划分6个埋设点。并在回风顺槽13内安设无线数据采集站12，用于对无线数据的采集；为避免采空区顶板来压垮落的岩石对二氧化碳泄压罐的冲击和损坏，选择在工作面周期来压后，垮落岩体相对稳定的阶段进行埋设。由当班工作人员在工作面支架移架期间，通过架间空隙将二氧化碳泄压罐埋入采空区；

此外，本技术可通过传输无线监测数据，实现对采空区遗煤自燃危险性的分析。在技术实施过程中，发现编号为i3的二氧化碳泄压罐位置处对应的温度数据升高，且罐体内部液压监值由初始的27mpa不断升高，证明此处遗煤氧化升温较为剧烈，且热量的传递使得罐体内部压强增大。至温度监测值突破82℃时，发现其液压监测值由最高值50mpa迅速下降至0，证明此处二氧化碳泄压罐实现了泄压防灭火过程，同时，通过进一步的温度监测发现，i3处温度逐渐下降，并稳定在20℃左右，分析认为其防灭火效果良好，且通过采取加快推采速度的措施，令易自燃位置尽快进入采空区后方氧浓度较低的窒息带，进一步确保工作面的安全回采。