露天开采高温爆破钻孔液态CO_2快速降温试验研究.pdf

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书书书 第 13 卷第 1 期 2017 年 1 月 中 国 安 全 生 产 科 学 技 术 Journal of Safety Science and Technology Vol. 13 No. 1 Jan. 2017 文章编号 1673 -193X 2017-01 -0005 -06http / /www. cnki. net/kcms/detail/11.5335. TB. 20170113.1616. 010. html 露天开采高温爆破钻孔液态 CO2快速降温试验研究* 艾兴1, 2, 王银辉2 , 毛 龙2, 张永明2 1. 辽宁工程技术大学 安全科学与工程学院, 辽宁 阜新 123000; 2. 煤科集团沈阳研究院有限公司, 辽宁 抚顺 113122 摘要 为提高露天开采过程中高温钻孔爆破的安全性, 加快高温区域剥离速度, 采用现场试验的方法, 研究了液态 CO2对高温爆破钻孔的降温规律, 证实了采用液态 CO2对高温爆破钻孔降温的可行性。试验同时向 8 个钻孔灌注液 态 CO2, 灌注时间为 8 min, 钻孔平均灌注量为 0. 32 m3。试验钻孔深 12 m, 孔径为 140 mm, 初始温度在 50 ~ 120℃之 间。试验结果表明 液态 CO2对单个钻孔有明显的快速降温效果, 降温后钻孔温度从 0℃回升至 50℃用时 15 min 以 上, 满足安全爆破的时间要求; 多孔同时进行降温时, 受钻孔初始温度及孔内形成干冰的影响, 各钻孔温度从 0℃回升 至 50℃的安全爆破时间段不重合, 难以满足同时装药、 起爆的要求。应针对钻孔的不同情况, 进一步改进液态 CO2钻 孔降温工艺。 关键词 露天煤矿; 高温爆破; 钻孔降温; 液态 CO2; 高温火区 中图分类号 TD751文献标志码 Adoi 10. 11731/j. issn. 1673 -193x. 2017. 01. 001 Experimental study on borehole rapid cooling by using liquid carbon dioxide in high - temperature blasting of opencast mining AI Xing1, 2,WANG Yinhui2,MAO Long2,ZHANG Yongming2 1. College of Safety Science and Engineering,Liaoning Technical University,Fuxin Liaoning 123000,China; 2. China Coal Technology and Engineering Group Shenyang Research Institute,Fushun Liaoning 113122,China AbstractIn order to improve the safety of high - temperature drill blasting in the process of opencast mining,and increase the stripping speed of high - temperature zone, the cooling rules of liquid carbon dioxide on high - temperature blasting bore- hole were studied by using the of field test,and the feasibility of using liquid carbon dioxide for borehole cooling of high - temperature blasting was verified. In the tests,liquid carbon dioxide were poured into eight boreholes simultaneously, the pouring time was 8 minutes, and the average pouring amount of borehole was 0. 32 m3. The borehole depth was 12 m, the borehole diameter was 140 mm,and the initial temperatures were between 50℃ and 120℃. The test results showed that liq- uid carbon dioxide had an obvious rapid cooling effect on single borehole,and the time that the borehole temperature rose a- gain from 0℃ to 50℃ after cooling was above 15 minutes,which could meet the time requirement of safe blasting. When conducting cooling on multiple boreholes at the same time, the time periods of safe blasting that the borehole temperature rose again from 0℃ to 50℃ for each borehole were not coincident due to the influence by initial temperature of borehole and the ation of dry ice in the borehole,which was difficult to meet the requirements of charging and blasting si - multaneously. The borehole cooling technology by liquid carbon dioxide should be further improved according to different conditions of bore- hole. Key wordsopencast coal mine;high - temperature blasting;borehole cooling;liquid CO2;high - temperature fire zone 收稿日期 2016 -12 -11 数字出版日期 2017 -01 -13 作者简介艾兴, 学士, 副研究员。 通讯作者王银辉, 硕士研究生。 *基金项目国家自然科学基金项目 51404138 0引言 高温爆破是指爆破孔温度在 80℃ 以上的爆破作 业 [1 ] 。煤矿安全规程 中规定 露天煤矿“孔内温度在 80℃以上的高温炮孔需要采取灭火、 降温措施” 。我国 新疆、 内蒙、 宁夏和山西等地的露天煤矿存在许多高温 火区, 由于高温火区火源隐蔽, 且漏风通道复杂, 很难将 高温火区完全扑灭。在这些区域进行作业时, 就会面临 高温爆破的问题。高温有可能使炸药发生早爆, 也可能 使炸药失效而拒爆, 导爆索、 雷管等器材在高温作用下 也可能失效, 会给爆破作业带来巨大的安全隐患 [2 ]。 目前高温区域降温使用最广泛的方法是地表覆盖、 钻孔注水灌浆及剥离灭火 [3 ]。但地表覆盖、 注水灌浆降 温时间长, 影响剥离作业进度。剥离灭火工程量大, 生 产进度缓慢, 成本高。 国内学者对于露天剥采过程中高温区域爆破问题 做了大量研究。2010 年, 许晨、 李克民等分类归纳了适 用于火区爆破的安全技术措施 [2 ]。2012 年, 张忠温使 用两相泡沫及三相泡沫对大面积火区进行治理, 取得了 一定效果 [4 ]。2013 年王海燕, 冯超等利用同位素测氡 法, 对地面复杂条件下高温区域进行划分 [5 ]。2014 年, 王涛、 张贵峰等进行了干冰对高温钻孔降温的试验, 试 验表明干冰能起到降温及维持低温效果的作用, 但孔中 部温度回升速率较快, 降温效果不佳 [6 ]。2015 年, 束学 来、 郑炳旭等按照温度将火区分为 5 类, 根据爆破孔温 度的不同, 差异性的选取不同的测温方法、 降温时间、 爆 破方法及爆破器材, 提高了爆破效率 [7 ]。2016 年, 崔晓 荣研究了适用于露天矿高温区域的爆破施工工艺与组 织管理方式, 优化了爆破流程, 缩短了装药爆破时间 [8 ]; 李晓虎、 万 红 彬 等 提 出 了 锡 箔 纸 防 水 袋 注 水 爆 破 技术 [9 ]。 但是这些研究未能完全解决高温爆破中存在的问 题。本文选择宁夏某露天矿高温火区作为实验地点, 从 降低钻孔局部区域温度的角度, 尝试采用液态 CO2对高 温爆破钻孔进行快速降温。通过现场试验, 对液态 CO2 钻孔降温方法进行论证, 使用液态 CO2灌注系统, 在试 验过程中测试钻孔温度、 灌注时间及灌注量等相关参 数, 考察钻孔灌注液态 CO2后的降温规律及降温效果。 1液态 CO2钻孔降温原理 1.1降温原理 液态 CO2为低温液体, 相比于固态干冰降温, 液态 CO2呈流体状态, 可更好的与孔壁及岩体裂隙接触, 且 能快速渗入孔壁裂隙内, 增大降温面积, 换热效率更高, 故液态 CO2降温效果更好。在成本方面, 液态 CO2为周 边化工厂产生的附属产品, 成本比干冰低。 液态 CO2从储存容器注入高温爆破钻孔后, 压力骤 然下降, 使得 CO2瞬间由液态转化为气态, 体积将膨胀 450 至 640 倍 [10 ]。液态 CO 2在气化过程中从钻孔周边 围岩吸收大量热量, 1 kg 液态 CO2气化需要吸收 578 kJ 热量, 促使钻孔温度急剧下降 [11 ]。同时气体 CO 2在钻 孔内流动扩散过程中也会吸热, 降低周围介质温度, 实 现钻孔快速降温。 当停止灌注后, 钻孔温度逐渐回升。在回升到安全 的温度区间内时, 钻孔内温度较低, 能够进行安全爆破 作业。钻孔温度处在安全区间的时间为安全爆破作业 时间。降温阶段吸收围岩热量越多, 钻孔周边围岩冷却 范围越大, 钻孔温度回升速度越慢, 安全爆破作业时间 越长。 矿方规定对于高温区域一次爆破不超过 8 个钻孔, 爆破作业时间不超过 3 min。为避免低温环境对爆破器 材的影响, 钻孔内的温度不应低于0℃, 同时为了增加安 全冗余, 钻孔爆破的最高温度设定为50℃。即规定降温 后能够进行装药爆破的安全温度区间为 0 ~ 50℃, 且要 求在该温度范围内维持 10 min 以上。 1.2降温效果影响因素 灌注液态 CO2降低爆破孔内温度、 吸收围岩热量的 过程, 类似将管路竖直埋入地下与周围岩土进行换热的 地源热泵的换热过程, 可将钻孔内液态 CO2的换热过程 抽象为有限长圆柱体热源在半无限大均匀传热介质中 发生的三维非稳态传热过程 [7 -8 ], 文献[ 9 - 10]研究表 明, 钻孔降温范围与钻孔表面传热系数、 围岩热扩散系 数、 降温时间、 钻孔孔径正相关, 与围岩初始温度及工作 介质温度负相关。在实际降温试验中表现为液态 CO2 与孔壁换热效率越高、 围岩扩散系数越大、 降温时间越 长、 钻孔孔径越大则降温效果越好, 钻孔初始温度越高、 降温介质温度越高则降温效果越差。 2试验方案 2.1试验地点 试验地点为宁夏某露天矿, 该矿作业区域有 2 处高 温区域, 面积分别为 15 000 m2和 6 700 m2, 温度 50 ~ 120℃, 现场试验地点 2 090 m 水平。 2.2灌注系统 液态 CO2灌注系统主要由地面液态 CO2储罐车、 自 增压调控系统、 流量计、 压力表、 输送管路、 控制阀门和 分流装置等组成。根据现场情况, 主管选择 DN50 卸液 金属软管, 采用法兰连接, 长度控制在 30 m 以内。分流 装置采用自制的 8 孔分流器, 出口安设控制阀门。插入 孔内的管路采用直径 20 mm 高压胶管。液态 CO2灌注 系统示意见图 1。 液态 CO2通过高压胶管注入到钻孔内, 高压胶管从 8 孔分流器接出。在进行多孔试验前进行了多次单孔 降温试验, 用以验证并优化钻孔内的布置方式, 最终确 定钻孔内部布置方式如图 2 所示 高压胶管每根长 10 m, 钻孔深度为 12 m, 布置在钻孔内的长度为 8 m, 端 口距钻孔底部4 m。胶管端口及距离胶管端口2.5 m 和 5 m处各施工有直径 3 mm 的释放孔。根据前期单孔降 温试验结果, 虽然孔底的温度较高, 但由于液态 CO2向 下流动, 气化后气体又从下至上运移, 气体向上运移过 程不断吸热, 温度逐渐升高, 造成越靠近钻孔下部降温 6中 国 安 全 生 产 科 学 技 术第 13 卷 图 1液态 CO2灌注系统 Fig. 1Liquid CO2perfusion system 效果越好, 越靠近钻孔上部降温效果越差。所以在测温 点主要布置在钻孔上部, 每个钻孔设定 2 个测温点, 1 号 测温点距离高压胶管端口 500 mm, 2 号测温点距离高压 胶管端口 5 500 mm。测温传感器采用引线式 WZP - PT100 型铂金属电阻, 测温范围 - 200 ~ 400℃, 测试 精度 0. 15℃, 响应时间 0. 5 s。孔口采用棉纱、 胶皮垫 配合木塞进行封孔。 图 2试验钻孔内部布置 Fig. 2Test drilling interior layout 2.3钻孔参数 试验爆破钻孔共 8 个, 分为两排, 每排 4 个, 矩形布 孔, 孔距5 m, 排距4 m, 孔径为140 mm, 孔深12 m。8 个 钻孔分别编号为 1 ~ 8。试验前对各钻孔初始温度进 行测定。所选钻孔内原始温度在 50 ~ 120℃ 之间, 其中 1, 2, 3, 4初始温度在 80℃ 以下, 温度依次为 63℃, 51℃, 75℃, 61℃; 5, 6, 7, 8初始温度在 80℃以上, 依 次为 101℃, 89℃, 82℃, 119℃。 3试验结果及分析 试验同时对 8 个钻孔进行降温, 连续灌注液态 CO2 时间为 8 min, 平均流速 19. 2 m3/h, 总计灌注液态 CO2 体积 2. 56 m3, 平均每孔灌注 0. 32 m3。灌注结束后每 5 min记录一次钻孔内各点温度, 停止灌注 CO2的时刻 设为时间零点, 各钻孔 1 号测温点温度变化见图 3。 图 3试验钻孔温度变化曲线 Fig. 3Temperature change curve of each test drill 通过钻孔温度变化曲线可知, 在灌注液态 CO2后, 各测点温度迅速下降至 -50℃以下, 液态 CO2的快速降 温效果明显。停止灌注后, 3, 5, 7炮孔温度在 - 76℃ 附近持续了一段时间之后才继续升温, -76℃为干冰的 温度, 推测3, 5, 7号钻孔在 CO2释放口附近形成了一 定量的干冰, 待干冰升华完毕后测点温度才继续上升, 造成炮孔升温至0℃的时间较长。其余各孔在停止灌注 7第 1 期中 国 安 全 生 产 科 学 技 术 后, 各测点的温度开始回升, 但温度回升速率有所不同。 各钻孔 1 号测温点处回升时间见表 1。 表 1试验钻孔 1 号测温点温度回升时间 Table 1Rebound time of bottom temperature of drill 钻孔 编号 初始 温度 /℃ 温度回升时间/min 升温至 0℃ 升温至 25℃ 升温至 50℃ 0℃至 25℃ 25℃至 50℃ 0℃至 50℃ 16313224792534 2513448122147488 3754868>13620>68>88 461283857101929 510155597241317 68920254351823 78250537031720 81191018258715 图 4试验钻孔 0 ~50℃回升时间回归分析 Fig. 4Regression analysis on the rebound time of 0 -50℃ 3.1单孔降温效果分析 初始温度在80℃以下的钻孔, 其温度回升速度相对 较慢。其中回升最快的为 4钻孔, 其 1 号测温点温度从 0℃回升至 50℃用时 29 min。2钻孔 1 号测温点温度从 0℃回升至 50℃用时为 88 min。3钻孔温度回弹最高温 度为 47. 9℃, 在监测时间范围内始终未回升至 50℃。 初始温度均大于 80℃的 5, 6, 7, 8钻孔, 温度回 升速度普遍比 1, 2, 3, 4钻孔快。其中 8钻孔温度 回升速度最快, 从 0℃回升至 50℃用时 15 min。从温度 监测数据可知, 对于初始温度不同的钻孔, 温度回升速 率也不相同, 但钻孔初始温度对温度回升速率有明显的 影响, 如图 4 为各 0 ~50℃温度回升时间, 图中温度回升 时间数据与钻孔初始温度有较为明显的相关性, 对各钻 孔 0 ~50℃温度回升时间进行回归分析, 选择了整体拟 合度最优的指数模型, 回归方程如式 1 , 可决系数为 0.825, 3钻孔温度由于未回升至 50℃, 数据作为异常值 进行剔除。通过分析结果可知 温度回升时间随着钻孔 初始温度升高呈指数递减规律, 即钻孔初始温度越高, 温度回升越快, 可用于装药爆破的时间越短; 初始温度 越低, 温度回升越慢, 可用于装药爆破的时间越长。 t 13.30 971. 69e - K 16. 94 1 式中 t 为钻孔 0 ~ 50℃回升时间, min; K 为钻孔初 始温度, ℃。 从单一钻孔考虑, 液态 CO2对 120℃以下钻孔降温 的效果均较为理想, 能够用于装药的 0 ~ 50℃温度回升 时间段最短为 15 min, 能够满足装药、 联线、 起爆工序的 时间要求。 3.2多孔降温效果分析 0 ~50℃为装药爆破的安全温度区间, 将各钻孔处 于安全温度区间的时间分布绘制在同一条时间轴上, 形 成图 5, 从图中看出, 不同钻孔之间 0 ~50℃温度回升时 间段差异较大, 不同钻孔 0 ~ 50℃温度回升时间段并不 重合。 图 5各钻孔 0 ~50℃回升时间段统计 Fig. 50 -50℃ rebound time statistics of each drill 多孔同时爆破, 要求装药、 联线、 起爆工序应在所有 钻孔都处在安全爆破时间段时进行。但存在以下问题, 导致不能同时对钻孔进行装药爆破。 1 各钻孔安全爆破时间段不重合 图 5 所示试验结果表明, 由于各钻孔初始温度存在 差异, 导致各钻孔温度回升至0℃的时刻不同, 即各钻孔 进入到安全爆破温度区间的时刻不一致。所以虽然单 个钻孔 0 ~50℃回升时间满足爆破需求, 但各温度回升 过程中温度处在 0 ~ 50℃温度范围的时间段不重合, 不 存在使所有钻孔同时处在安全爆破温度的时间区间, 造 成不能同时进行装药爆破作业。 2 同一钻孔内不同位置温度回升速率不一致 图 5 中各钻孔 2 号测温点比 1 号测温点先回升至 0℃, 即同一钻孔下部进入安全爆破温度的时间滞后于 8中 国 安 全 生 产 科 学 技 术第 13 卷 钻孔上部, 这是由于液态 CO2在气化后, 从孔底向孔口 涌出的过程不断吸收围岩热量, 气体吸热的同时其自身 的温度也不断升高, 造成钻孔下部的降温效果比钻孔上 部的降温效果好, 回升至 0℃的时间也更长。除 3、 5、 7 外, 其余钻孔1 号测点滞后2 号测点的时间在2 ~11 min 之间, 但排除滞后时间后, 同一钻孔的不同测点 0 ~50℃ 时间段大部分仍然重合, 其中 8钻孔重合时间段最短, 为 12 min, 能满足安全爆破的时间要求。 如图 5 中 3、 7钻孔 1 号测点与 2 号测点 0 ~ 50℃ 温度回升时间没有重合部分, 5钻孔两测点重合部分只 有 2 min。产生该问题的原因是靠近 2 号测温点的释放 孔位置温度过低, 在释放孔周围形成干冰, 干冰升华速 度慢, 造成释放口附近持续低温, 温度回升滞后。干冰 的形成会造成温度回升过程中钻孔在不同位置的温度 差过大, 不能保证装药过程钻孔各处的温度同时处于安 全爆破的温度范围。 3.3液态 CO2降温工艺改进 为了解决以上问题, 应对 CO2灌注降温工艺进行 改进。 1 调整不同初始温度钻孔的灌注时刻 试验结果表明, 各钻孔温度回升至0℃的时间不同, 造成各钻孔进入到安全爆破温度区间的时刻不一致。 可根据不同初始温度钻孔安全爆破时间区间的分布, 调 整各个钻孔开始灌注的时刻, 适当延后温度较高钻孔的 灌注时刻。从而控制各钻孔安全爆破时间段的分布, 达 到各钻孔安全爆破时间段重合的目的。 2 依据初始温度调节灌注量 对单孔降温效果分析已表明, 在相同灌注量的情况 下, 初始温度越高, 可用于装药爆破的安全时间越短。 说明不同初始温度的钻孔, 降温难度不同, 因此各钻孔 采用相同的灌注量是不合理的。应根据钻孔不同初始 温度, 控制钻孔 CO2灌注量, 初始温度越高的钻孔, 灌注 量应越大, 从而延长温度较高钻孔的安全爆破时间段长 度, 使多孔同时降温时各钻孔的安全爆破时间段更容易 重合。 3 避免孔内干冰生成 干冰的产生会延迟钻孔温度回升, 同时造成温度回 升过程孔内温差较大。可通过 2 种途径避免孔内形成 干冰, 一种是改进封孔工艺, 提高灌注时孔内的压力; 另 一种是减缓液态 CO2的灌注流速, 延长灌注时间, 从而 避免孔内温度过低形成干冰。 4结论 1 液态 CO2对单一钻孔的降温效果较好, 降温后能 够保证足够长的安全爆破时间, 可提高单孔爆破的安 全性。 2 多孔同注液态 CO2时, 每个钻孔内初始温度不 同, 且 CO2释放口附近可能形成干冰, 致使各钻孔温度 回升过程中的安全爆破时间段不重合, 同一钻孔中不同 位置的温度回升速率也不同, 难以满足同时装药、 起爆 的要求。 3 液态 CO2降温试验取得了一定的现场经验, 后期 可针对钻孔的不同条件, 采用不同的灌注量及灌注方 法, 优化灌注工艺, 达到控制温度回升速率和回升时间 段的目的, 实现多孔同时爆破。 参考文献 [ 1]中华人民共和国国家标准. 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Building Energy & Environment, 2011, 30 3 46 -49. 责任编辑 郭利 檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪 国务院召开全国安全生产电视电话会议 2017 年 1 月 11 日, 国务院在北京召开全国安全生产电视电话会议。会议要求认真贯彻落实党的十八届六中全 会、 中央经济工作会议精神, 按照习近平总书记和李克强总理关于安全生产工作的重要指示批示要求, 坚持稳中求 进工作总基调, 深入排查安全生产隐患, 标本兼治、 综合治理、 系统建设, 持续夯实安全生产基础, 着力提升依法监管 能力和全社会整体安全水平, 为党的十九大胜利召开营造良好的安全生产环境。 中共中央政治局委员、 国务院副总理、 国务院安委会主任马凯出席会议并讲话, 国务委员、 国务院安委会副主任 郭声琨出席会议, 国务委员、 国务院安委会副主任王勇主持会议。 会议指出, 2016 年各地区、 各部门和各单位认真贯彻落实党中央、 国务院决策部署, 安全生产工作取得积极成 效, 事故总量、 死亡人数、 重特大事故继续下降。但安全生产形势依然严峻复杂, 事故总量仍然较大, 特别是岁末年 初重特大事故集中多发, 造成重大人员伤亡, 教训十分深刻。各地区、 各部门要进一步警醒起来, 对当前安全生产工 作进行再动员再部署, 组织开展安全生产大检查 “回头看” , 强化重点行业领域安全监管执法, 严格落实各项责任和 防范措施, 切实抓好岁末年初安全生产工作。 会议强调, 2017 年要全面实现事故总量、 死亡人数、 重特大事故“三个继续下降” , 重点防范和坚决遏制重特大 事故的发生, 更好地维护人民群众生命财产安全。要全面持续动态排查消除各类安全隐患, 突出抓好煤矿、 危险化 学品、 交通运输、 建筑施工、 城市安全等重点行业领域专项整治, 切实强化打非治违。要狠抓企业主体责任、 部门监 管责任和政府领导责任落实, 加强失职问责, 推动企业建立全员安全生产责任制, 普遍实施安全生产巡查和考核, 建 立严密的安全生产责任体系。要加快法律法规和标准制修订, 建立安全生产行政执法与刑事司法衔接制度, 制定实 施安全生产监管监察能力建设规划, 全面推进安全生产依法治理。要继续加大安全投入力度, 提高安全科技支撑水 平和事故应对处置能力, 健全职业健康监管保障体系, 切实提升本质安全水平。要狠抓安全生产领域改革发展重点 任务落实, 制定配套措施, 加强督查督办, 不断完善安全生产监管体制机制。 01中 国 安 全 生 产 科 学 技 术第 13 卷
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