一种基于CO2水合物的煤矿采空区自燃防控系统及其使用方法

专利名称：一种基于CO2水合物的煤矿采空区自燃防控系统及其使用方法

专利类型：发明专利

专利申请号：CN202210157850.7

专利申请（专利权）人：河南理工大学
权利人地址：河南省焦作市高新区世纪大道2001号

专利发明（设计）人：徐永亮,王兰云,巩想军,刘泽健,吴晋东,焦昆鹏,孙萌

专利摘要：本发明属于煤矿火灾防控技术领域，本发明提供了一种基于CO2水合物的煤矿采空区自燃防控系统，包含CO2水合物、内部橡胶壳、一号出气口、一号可调节钢针、固体阻化剂、一号导流管、防回流挡板、二号出气口、二号可调节钢针、二号导流管、活塞、喷射孔和喷射管。本发明还提供了一种煤矿采空区自燃防控系统的使用方法。本发明的自燃防控系统使遗煤的上下表面都由阻化液包裹起来，释放的CO2气体使得采空区内部氧气含量大幅降低，这种分阶段的多重防自燃灭火方式，能最大限度、最长时间抑制采空区煤体自燃。

主权利要求：
1.一种基于CO2水合物的煤矿采空区自燃防控系统，其特征在于，包含一号反应装置、二号反应装置和阻化液喷射装置；
所述一号反应装置包含CO2水合物(1)、内部橡胶壳(2)、一号出气口(3)、一号可调节钢针(4)、固体阻化剂(5)、一号导流管(6)和防回流挡板(7)；
所述二号反应装置包含CO2水合物(1)、内部橡胶壳(2)、固体阻化剂(5)、二号出气口(8)、二号可调节钢针(9)和二号导流管(10)；
所述阻化液喷射装置包含活塞(11)、喷射孔(12)和喷射管(13)。
2.根据权利要求1所述的煤矿采空区自燃防控系统，其特征在于，所述二号出气口(8)和喷射管(13)连接，二号导流管(10)安装在二号反应装置外部；防回流挡板(7)设置在一号导流管(6)中。
3.根据权利要求1或2所述的煤矿采空区自燃防控系统，其特征在于，所述喷射管(13)的中间设置两个活塞(11)，前端设有多个喷射孔(12)。
4.根据权利要求3所述的煤矿采空区自燃防控系统，其特征在于，所述一号反应装置中的阻化液经一号导流管(6)流入喷射管(13)，并在两个活塞(11)的中间储存；
所述二号反应装置中的阻化液经二号导流管(10)覆盖到遗煤下表面；
阻化液由固体阻化剂(5)和水混合得到。
5.根据权利要求4所述的煤矿采空区自燃防控系统，其特征在于，所述一号反应装置中，内部橡胶壳(2)胀裂释放出的CO2气体通过一号出气口(3)释放到采空区；
所述二号反应装置中，内部橡胶壳(2)胀裂释放出的CO2气体通过二号出气口(8)释放，用于推动两个活塞(11)移动。
6.根据权利要求4或5所述的煤矿采空区自燃防控系统，其特征在于，所述一号可调节钢针(4)和二号可调节钢针(9)用于控制内部橡胶壳(2)的胀裂时间。
7.权利要求1～6任意一项所述的煤矿采空区自燃防控系统在采空区的使用方法，其特征在于，自燃防控系统分别设置在采空区的两侧，一号反应装置中的阻化液通过阻化液喷射装置喷洒到遗煤的上表面，二号反应装置中的阻化液经过二号导流管流到遗煤下表面。 说明书 : 一种基于CO2水合物的煤矿采空区自燃防控系统及其使用方法技术领域[0001] 本发明涉及煤矿火灾防控技术领域,尤其涉及一种基于CO2水合物的煤矿采空区自燃防控系统及其使用方法。背景技术[0002] 随着煤矿开采强度和深度的增加，采空区的煤炭自燃现象急剧增加，采空区自燃是氧气与遗落在采空区内的浮煤发生物理、化学吸附以及化学反应，煤氧化产生大量热量，热量得不到及时的疏散，造成热量积聚最终使得煤体发生自燃。漏入采空区内的气体温度、渗流速度、氧气浓度等因素相互作用引起采空区气体和煤岩的温度变化。且采空区散热带离开采工作面有一定距离,漏风流速、漏风量和孔隙率相对变小，导致该区域遗煤氧化产生的热量难以被带走。若不采取措施进行控制，随着煤氧化的持续，当热量积聚到一定程度，一旦该区域温度突破燃点，煤就会自燃；造成采空区内部温度积聚，采空区内部温度的变化加剧遗煤氧化速度，氧化速度加快进一步升高采空区内部温度，会使自燃进一步扩大，造成更严重的自燃事故。[0003] 当自燃事故发生时，由于矿井空间较为狭小，人员视线和活动受很大影响，一旦发生火灾，人员躲避或逃生比较困难，大型救火设备短时间难以运抵现场，灭火相对较难。同时，矿井巷道、工作面通风供氧有限，一旦发生火灾，因燃烧消耗氧气，造成空气供应不足，人员呼吸不到空气而窒息。另外，燃烧产生高温和大量有毒、有害气体，人员长时间接触或过量吸入，会造成中毒伤亡。[0004] 当前国内外对于采空区自动防灭火的装置及设备不多，大多数都属于半自动，因此，全自动采空区自燃防控装置在今后的矿井生产中具有很大的潜力。发明内容[0005] 本发明的目的在于为了克服现有技术的不足而提供一种基于CO2水合物的煤矿采空区自燃防控系统及其使用方法。[0006] 为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：[0007] 本发明提供了一种基于CO2水合物的煤矿采空区自燃防控系统，包含一号反应装置、二号反应装置和阻化液喷射装置；[0008] 所述一号反应装置包含CO2水合物1、内部橡胶壳2、一号出气口3、一号可调节钢针4、固体阻化剂5、一号导流管6和防回流挡板7；[0009] 所述二号反应装置包含CO2水合物1、内部橡胶壳2、固体阻化剂5、二号出气口8、二号可调节钢针9和二号导流管10；[0010] 所述阻化液喷射装置包含活塞11、喷射孔12和喷射管13。[0011] 作为优选，所述二号出气口8和喷射管13连接，二号导流管10安装在二号反应装置外部；防回流挡板7设置在一号导流管6中。[0012] 作为优选，所述喷射管13的中间设置两个活塞11，前端设有多个喷射孔12。[0013] 作为优选，所述一号反应装置中的阻化液经一号导流管6流入喷射管13，并在两个活塞11的中间储存；[0014] 所述二号反应装置中的阻化液经二号导流管10覆盖到遗煤下表面；[0015] 阻化液由固体阻化剂5和水混合得到。[0016] 作为优选，所述一号反应装置中，内部橡胶壳2胀裂释放出的CO2气体通过一号出气口3释放到采空区；[0017] 所述二号反应装置中，内部橡胶壳2胀裂释放出的CO2气体通过二号出气口8释放，用于推动两个活塞11移动。[0018] 作为优选，所述一号可调节钢针4和二号可调节钢针9用于控制内部橡胶壳2的胀裂时间。[0019] 本发明还提供了一种所述的煤矿采空区自燃防控系统在采空区的使用方法，自燃防控系统分别设置在采空区的两侧，阻化液通过阻化液喷射装置喷洒到遗煤的上表面。[0020] 本发明的有益效果包括：[0021] 本发明提供的一种基于CO2水合物的煤矿采空区自燃防控系统通过对采空区煤体自燃时的必须条件进行分析，采取多阶段灭火方式，利用CO2水合物和阻化剂抑制煤体自燃的优点，将CO2水合物能大量储存CO2气体的特点与阻化剂溶液防自燃原理相结合。同时，以多阶段双重灭火为核心，CO2水合物为辅，在没有人为干扰的情况下，随着采空区自燃温度升高，一号反应装置中的橡胶CO2水合物球(包含CO2水合物、内部橡胶壳和固体阻化剂)自动胀裂，自动释放出CO2气体的同时生成阻化剂溶液，将CO2气体充分释放到采空区，同时水与阻化剂生成阻化液，流入阻化液喷射装置。如果温度持续升高，二号反应装置同时触发，释放的CO2气体推动一号反应装置生成的阻化液散布到采空区，同时下部的水与阻化剂反应生成阻化液，通过导流管流入采空区上表面，本发明的自燃防控系统使遗煤的上下表面都由阻化液包裹起来，释放的CO2气体使得采空区内部氧气含量大幅降低，这种分阶段的多重防自燃灭火方式，能最大限度、最长时间抑制采空区煤体自燃。附图说明[0022] 图1为本发明的一种基于CO2水合物的煤矿采空区自燃防控系统的结构示意图，其中，1为CO2水合物、2为内部橡胶壳、3为一号出气口、4为一号可调节钢针、5为固体阻化剂、6为一号导流管、7为防回流挡板、8为二号出气口、9为二号可调节钢针、10为二号导流管、11为活塞、12为喷射孔、13为喷射管；[0023] 图2为本发明的煤矿采空区自燃防控系统的一号反应装置的结构示意图，其中，1为CO2水合物、2为内部橡胶壳、3为一号出气口、4为一号可调节钢针、5为固体阻化剂、6为一号导流管、7为防回流挡板；[0024] 图3为本发明的煤矿采空区自燃防控系统的二号反应装置的结构示意图，其中，1为CO2水合物、2为内部橡胶壳、5为固体阻化剂、8为二号出气口、9为二号可调节钢针、10为二号导流管；[0025] 图4为本发明的煤矿采空区自燃防控系统的阻化液喷射装置的结构示意图，其中，11为活塞、12为喷射孔、13为喷射管、14为阻化液；[0026] 图5为本发明的煤矿采空区自燃防控系统用于采空区的布置图，其中，12为喷射孔、13为喷射管，15为采空区遗煤；[0027] 图6为本发明的一种基于CO2水合物的煤矿采空区自燃防控系统的工作流程图。具体实施方式[0028] 本发明提供了一种基于CO2水合物的煤矿采空区自燃防控系统，包含一号反应装置、二号反应装置和阻化液喷射装置，如图1所示；具体包含CO2水合物1、内部橡胶壳2、一号出气口3、一号可调节钢针4、固体阻化剂5、一号导流管6、防回流挡板7、二号出气口8、二号可调节钢针9、二号导流管10、活塞11、喷射孔12和喷射管13。[0029] 本发明所述一号反应装置包含CO2水合物1、内部橡胶壳2、一号出气口3、一号可调节钢针4、固体阻化剂5、一号导流管6和防回流挡板7，如图2所示。[0030] 本发明所述二号反应装置包含CO2水合物1、内部橡胶壳2、固体阻化剂5、二号出气口8、二号可调节钢针9和二号导流管10，如图3所示。[0031] 本发明所述阻化液喷射装置包含活塞11、喷射孔12和喷射管13，如图4所示。[0032] 本发明所述二号出气口8和喷射管13连接，二号导流管10安装在二号反应装置外部；防回流挡板7设置在一号导流管6中，能够防止生成的阻化液受到较大压力时倒流回去。[0033] 本发明所述一号反应装置和二号反应装置中的CO2水合物1，利用搅拌式扰动的方法制备得到，通过恒定的搅拌速率，提高CO2水合物1的储气率。[0034] 在本发明中，CO2水合物能储存大量的CO2气体，CO2无污染性，此外，煤吸附CO2气体的能力要远大于吸附其它惰性气体的能力，CO2气体的窒息、惰性隔氧、吸附阻化的作用远大于其它气体，因此，本发明的煤矿采空区自燃防控系统中添加CO2水合物。[0035] 本发明所述一号反应装置和二号反应装置中的内部橡胶壳2用于盛装CO2水合物，具有强伸缩性，防止受到挤压而使橡胶CO2水合物球破裂，确保在采空区发生自燃时，装置启动进行灭火；内部橡胶壳在伸缩性达到极限的时候会触碰到可调节钢针，从而胀裂开，本发明的内部橡胶壳用以保护CO2水合物在需要的时候才会释放出来，不需要的时候不释放。[0036] 在本发明中，固体阻化剂在煤矿防灭火作业中效果显著，在CO2水合物1分解完CO2气体以及内部橡胶壳2胀裂后，水与固体阻化剂5充分混合生成阻化液；所述固体阻化剂优选为无机盐类固体阻化剂。[0037] 本发明所述一号反应装置中，内部橡胶壳2胀裂释放出的CO2气体通过一号出气口3释放到采空区(第一环节防灭火)，用于降低采空区氧气含量，抑制采空区发生的火灾，内部橡胶壳使CO2水合物在规定的条件下释放到采空区；[0038] 一号反应装置中的阻化液经一号导流管6流入喷射管13，并在两个活塞11的中间储存(用于第二环节防灭火)。[0039] 本发明所述二号反应装置中，内部橡胶壳2胀裂释放出的CO2气体通过二号出气口8释放，用于推动两个活塞11移动，作为喷射反应液的动力，推动阻化液喷射装置运行；[0040] 所述二号反应装置中的阻化液经二号导流管10流到采空区地面，覆盖到遗煤下表面。[0041] 本发明所述一号可调节钢针4和二号可调节钢针9用于控制内部橡胶壳2的胀裂时间，钢针的长短根据实际情况进行设置。[0042] 在本发明中，一号反应装置和二号反应装置中的CO2水合物完全释放后，两个反应装置中的固体阻化剂5和CO2水合物分解剩下的水反应生成阻化液，在煤体表面形成一层水液膜，阻止空气中的氧气与煤接触，阻止羧基反应的发生，降低二者的亲合力，进而起到控制氧化反应的作用；宏观上，对煤氧化过程中的氧浓度、温度等外在因素进行控制，当煤体氧化生热时，水液膜有利于热量的发散，可以隔绝氧气，同时吸热降温，抑制采空区煤体氧化升温，最终达到减少氧化反应的目的。[0043] 本发明所述喷射管13由一根长管组成，中间设置两个活塞11，前端设有多个喷射孔12；两个活塞11中间用于储存一号反应装置生成的阻化液，左侧用来承受二号出气口8释放的CO2气体的压力，二号出气口8释放的CO2气体推动活塞前进，用于将阻化液推动到喷射孔附近，将阻化液均匀喷射到采空区遗煤上表面；喷射管用于将一号反应装置生成的阻化液和二号反应装置分解的CO2气体收集起来，作为第二环节的防灭火措施。[0044] 本发明的喷射孔根据实际情况设置孔径大小，阻化液通过喷射孔喷射到遗煤上表面，用于抑制自燃现象的发生。[0045] 本发明还提供了一种所述的煤矿采空区自燃防控系统在采空区的使用方法，自燃防控系统分别设置在采空区的两侧，阻化液通过阻化液喷射装置喷洒到遗煤的上表面，采空区布置图如图5所示，图中，12为喷射孔、13为喷射管，15为采空区遗煤。[0046] 本发明的一号反应装置主要用于第一环节防灭火，当采空区温度升高时，一号反应装置中CO2水合物分解使得内部橡胶壳胀裂，CO2气体释放到采空区，用于降低采空区氧气含量，从而抑制自燃的初期过程，在释放CO2气体的同时，CO2水合物分解剩下的水与固体阻化剂反应生成阻化液，通过一号导流管暂时储存到两个活塞中间，当第一环节防灭火效果不佳或者经过很长时间又发生自燃时，启动第二环节抑制自燃。[0047] 第二环节防灭火主要由二号反应装置完成，当采空区温度持续升高，二号反应装置中的CO2水合物分解出CO2气体，CO2气体推动两个活塞以及两个活塞中间储存的由一号反应装置生成的阻化液，阻化液在活塞推动下向前移动到喷射孔，通过喷射孔全部喷射到遗煤上表面，之后作为推动力的CO2气体由喷射孔再次释放到采空区，同时，CO2水合物分解剩下的水与二号反应装置内部的固体阻化剂混合，生成的阻化液经过二号导流管流到遗煤下表面。本发明的自燃防控系统使遗煤的上下表面都由阻化液包裹起来，释放的CO2气体使得采空区内部氧气含量大幅降低，这种分阶段的多重防自燃灭火方式，能最大限度、最长时间抑制采空区煤体自燃。[0048] 本发明的一种基于CO2水合物的煤矿采空区自燃防控系统的工作流程图如图6所示。[0049] 下面结合实施例对本发明提供的技术方案进行详细的说明，但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。[0050] 实施例1[0051] 一种基于CO2水合物的煤矿采空区自燃防控系统，包含一号反应装置、二号反应装置和阻化液喷射装置，一号反应装置包含CO2水合物、内部橡胶壳、一号出气口、一号可调节钢针、氯化钠固体阻化剂、一号导流管和防回流挡板；二号反应装置包含CO2水合物、内部橡胶壳、氯化钠固体阻化剂、二号出气口、二号可调节钢针和二号导流管；阻化液喷射装置包含活塞、喷射孔和喷射管。[0052] 一号反应装置主要用于第一环节防灭火，当采空区温度升高时，一号反应装置中CO2水合物分解使得内部橡胶壳胀裂，释放出的CO2气体通过一号出气口释放到采空区，用于降低采空区氧气含量，从而抑制自燃的初期过程。在释放CO2气体的同时，CO2水合物分解剩下的水与固体阻化剂反应生成阻化液，通过一号导流管暂时储存到两个活塞中间，当第一环节防灭火效果不佳或者经过很长时间又发生自燃时，启动第二环节抑制自燃。[0053] 二号反应装置主要用于第二环节防灭火，当采空区温度持续升高，二号反应装置中的CO2水合物分解使得内部橡胶壳胀裂，释放出CO2气体。CO2气体通过二号出气口推动两个活塞以及活塞中间储存的阻化液，阻化液在活塞推动下向前移动到喷射孔，通过喷射孔全部喷射到遗煤上表面，然后作为推动力的CO2气体由喷射孔释放到采空区。同时，CO2水合物分解剩下的水与二号反应装置内部的固体阻化剂混合，生成的阻化液经过二号导流管流到遗煤下表面。[0054] 本发明的煤矿采空区自燃防控系统使遗煤的上下表面都由阻化液包裹起来，释放的CO2气体使得采空区内部氧气含量大幅降低，这种分阶段的多重防自燃灭火方式，能最大限度、最长时间抑制采空区煤体自燃。[0055] 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。

专利地区：河南

专利申请日期：2022-02-21

专利公开日期：2024-11-29

专利公告号：CN114483157B