本發(fā)明屬于煤炭開采，特別提供了一種煤層降溫防滅火裝置及方法。

背景技術：

1、煤層自燃會對礦井安全生產(chǎn)造成嚴重威脅。煤層自燃一般發(fā)生在采空區(qū)，且火源點難以探測，滅火很困難，所以在采空區(qū)著火后，一般采取封閉措施滅火，有瓦斯爆炸危險時還應封閉礦井，且滅火時間很長，造成工作面甚至全礦停產(chǎn)，且可能導致設備損失，對于容易自燃、自燃的煤層，所以在開采過程中應采取防滅火措施。

2、煤層存在最小自然發(fā)火期，影響煤層的最小自然發(fā)火期因素比較多，主要有浮煤厚度、漏風條件、煤層溫度、防滅火措施的有效性等。

3、一般來說，煤礦采空區(qū)遺留浮煤的厚度在200mm以上，可認為存在自然發(fā)火風險。綜采工作面采空區(qū)遺留浮煤較多的地點有開切眼、停采線、進風順槽、回風順槽，是防滅火措施的重點。

4、綜采工作面采空區(qū)浮煤最容易自燃的區(qū)域為停采線，即工作面在回撤的時候支架后浮煤著火，尤其是埋深大的特厚易自燃煤層的開采，有些礦井甚至存在逢回撤必著火的問題，回撤時架后浮煤必自燃，分析著火原因，主要為：

5、(1)浮煤多，綜采工作面在接近停采線時，為減小礦山壓力對工作面回撤的影響，一般需要降低采高，該處采空區(qū)遺留的浮煤量增多，尤其是特厚煤層開采時，浮煤比較多；

6、(2)工作面設備回撤時間超過最小煤層的最小自然發(fā)火期，綜采工作面裝備了大量的重型設備，在井下受限空間內(nèi)回撤設備，回撤時間可能超過30天，而易自燃煤層的自然發(fā)火期一般在20天左右；

7、(3)煤層溫度高導致自然發(fā)火期大為縮短，由于煤層埋藏深度大，煤層溫度可達30℃，根據(jù)相關實驗，同樣的煤層，當煤層溫度為20℃時，自然發(fā)火期為28天；當煤層溫度為30℃時，自然發(fā)火期為12天；當煤層溫度為50℃時，自然發(fā)火期只有1～2天。

8、為防止回撤時自燃，礦井一般沿停采線預先施工探巷，利用探巷向煤層中打孔并注漿、注阻化劑等材料，以延長停采線處的煤層自然發(fā)火期。

9、現(xiàn)有措施存在的問題：

10、(1)防火效果難以保證，由于煤層中裂隙發(fā)育不均勻，注入的液體可能分布不均，有的區(qū)域沒有被注入導致措施無效，且難以對措施無效區(qū)域探測和判斷；

11、(2)工程量大，埋藏深的煤層受地壓影響，一般無法在停采線預先施工回撤通道，需施工小斷面的巷道(一般稱為探巷)，小斷面巷道施工難以實現(xiàn)機械化作業(yè)，鉆孔工程量也大，需施工密集鉆孔，難以保證注漿或注阻化劑等的效果。

技術實現(xiàn)思路

1、為解決上述問題，本發(fā)明提供了一種煤層降溫防滅火裝置及方法，沿停采線位置預先在煤層中施工鉆孔，向鉆孔內(nèi)持續(xù)通入低溫介質(zhì)以降低煤層溫度，從而延長煤層的自然發(fā)火期，當煤層溫度降低到目標值時，煤層自然發(fā)火期延長至超過綜采工作面計劃回撤時間，綜采工作面在回撤時采空區(qū)浮煤不會自燃，進而從根源上解決自然發(fā)火問題。

2、為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術方案是：一種煤層降溫防滅火裝置，包括制冷機組、輸冷管網(wǎng)、吸熱裝置、溫度傳感器和控制系統(tǒng)，兩組所述輸冷管網(wǎng)分別設置于制冷機組的輸出端與輸入端，多個所述吸熱裝置并聯(lián)后設置于兩組輸冷管網(wǎng)之間，所述制冷機組向輸冷管網(wǎng)和吸熱裝置提供低溫介質(zhì)，所述煤層上半部開設有吸熱鉆孔，且吸熱裝置設置于吸熱鉆孔內(nèi)，所述吸熱裝置的外壁設置有溫度傳感器，且溫度傳感器位于吸熱鉆孔內(nèi)，所述控制系統(tǒng)與溫度傳感器、吸熱裝置的閥門電連接。

3、進一步地，所述制冷機組設置有兩個輸入端和一個輸出端，一個所述輸入端與一個所述輸出端分別與輸冷管網(wǎng)連接，另一個所述輸入端連接外接水源。

4、進一步地，所述低溫介質(zhì)為近0℃水或低溫鹽水，所述近0℃水采用冰水混合物。

5、進一步地，所述吸熱裝置包括吸熱管路，所述吸熱管路采用鋼管，所述吸熱管路的表面均勻開設有圓孔。

6、進一步地，所述吸熱裝置的進出端均設置有溫度計和流量計，且溫度計、流量計與控制系統(tǒng)電連接。

7、一種煤層降溫防滅火方法，利用上述的一種煤層降溫防滅火裝置，具體包括以下步驟：

8、步驟一，在綜采工作面回撤過程中，在煤層上半部鉆進吸熱鉆孔，吸熱鉆孔的軸線方向與綜采工作面的停采線方向一致，依次完成多組吸熱鉆孔的鉆進工作；

9、步驟二，將制冷機組設置在地面或井下，制冷機組由多臺制冷機并聯(lián)組成；

10、步驟三，依次將輸冷管網(wǎng)、吸熱裝置與制冷機組連接，形成回路，其中多組吸熱裝置為并聯(lián)連接，同時完成吸熱裝置在吸熱鉆孔內(nèi)的布置，令溫度傳感器處于吸熱鉆孔內(nèi)；

11、步驟四，制冷機組制作的低溫介質(zhì)向輸冷管網(wǎng)、吸熱裝置流通，低溫介質(zhì)流經(jīng)吸熱管路時，與煤層換熱對煤層降溫，同時部分低溫介質(zhì)通過圓孔滲入煤層中；

12、步驟五，通過溫度計和流量計測量換熱管路內(nèi)低溫介質(zhì)在進出端的溫度和流量，通過溫度傳感器測量煤層溫度，測量到的數(shù)據(jù)實時傳輸?shù)絻?nèi)置分析系統(tǒng)中，內(nèi)置分析系統(tǒng)進行分析，結合調(diào)節(jié)公式，反饋到控制系統(tǒng)，對流速和力量進行調(diào)節(jié)，實現(xiàn)對煤層的防滅火降溫處理。

13、進一步地，在步驟一中，所述吸熱鉆孔為成對平行布置，相鄰所述吸熱鉆孔的孔間距為吸熱裝置在煤層中的傳熱半徑的2倍。

14、進一步地，在步驟四中，所述低溫介質(zhì)中加入阻化劑。

15、進一步地，在步驟五中，所述調(diào)節(jié)公式包括基本流量連續(xù)性方程、滲流速率公式、熱平衡方程；

16、所述基本流量連續(xù)性方程為：

17、

18、其中：

19、qout為吸熱管路出口處的低溫介質(zhì)流量，單位m3/s；

20、qin為吸熱管路進口處的低溫介質(zhì)流量，單位m3/s；

21、t為煤層溫度，單位℃；

22、β(t)為單位長度吸熱管路的滲流量，與煤層溫度t相關，單位m3/(s·m)；

23、l為吸熱管路的總長度，單位m；

24、x為吸熱管路長度方向的坐標，單位m；

25、所述滲流速率公式為：

26、

27、f(t)＝1+α(t-t目標)；

28、其中：

29、k為煤層的滲透率，單位m2；

30、a孔為吸熱管路上圓孔的總面積，單位m2

31、μ(t)為低溫介質(zhì)的動力粘度，與煤層溫度t相關，單位pa·s；

32、δp為吸熱管路內(nèi)外的壓差，單位pa；

33、f(t)為溫度驅(qū)動的滲流增強因子；

34、α為溫度流量增益系數(shù)；

35、t目標為期望達到的煤層目標溫度，單位℃；

36、所述熱平衡方程為：

37、

38、其中：

39、ρw為低溫介質(zhì)的密度，單位kg/m3；

40、cw為低溫介質(zhì)的比熱容，單位j/(kg·k)；

41、δt水為吸熱管路內(nèi)低溫介質(zhì)的溫升，單位k；

42、δt滲為滲流低溫介質(zhì)的溫升，單位k；

43、ρ煤為煤的密度，kg/m3；

44、c煤為煤的比熱容，單位j/(kg·k)；

45、v煤為受冷卻的煤層體積，單位m3；

46、為煤層溫度隨時問的變化率，單位k/s；

47、聯(lián)立上述公式，得到動態(tài)調(diào)控公式：

48、

49、其中：

50、δt為時間步長，單位s；

51、出口流速為：

52、

53、其中：

54、vout為管道出口處的冷卻水流速，單位m/s；

55、a為吸熱管路的橫截面積，單位m2；

56、忽略動態(tài)過程，僅通過煤層溫度反饋調(diào)節(jié)流量，可將上述公式簡化為：qin＝q0·(1+k·(t-t目標))；

57、qout＝qin-β(t)l；

58、

59、β(t)＝β0·(1+α(t-t目標))；

60、其中：

61、q0為設計基準流量，單位m3/s；

62、k為溫度流量增益系數(shù)；

63、此公式體系將煤層溫度作為核心反饋變量，實現(xiàn)了對低溫介質(zhì)的動態(tài)調(diào)控。

64、使用本發(fā)明的有益效果是：

65、1、煤層自然發(fā)火預防措施可有效避免煤層自燃，用熱傳導降溫的方法延長煤層的自燃發(fā)火期，經(jīng)過一段時間的降溫，所需降溫范圍內(nèi)的煤層溫度均可全部降到目標值以下，從而有效避免煤層自燃，提高煤礦開采工作中的安全性。

66、2、措施的有效性可精準量化，根據(jù)煤層自然發(fā)火期與溫度的關系曲線和工作面回撤所需時間，可精準得到期望達到的煤層目標溫度，從而精準量化措施的有效性。

67、3、通過圓孔向煤層滲水，提高煤層系數(shù)的導熱性，縮短降溫時間，加入阻化劑，進一步延長煤層自然發(fā)火期。

68、4、精準的溫控調(diào)節(jié)，本發(fā)明能夠根據(jù)煤層的實時溫度變化，通過調(diào)節(jié)公式動態(tài)調(diào)節(jié)低溫介質(zhì)的流速和流量，確保在不同溫度條件下實現(xiàn)最佳的降溫效果。

69、5、節(jié)能高效，通過智能調(diào)節(jié)水流量和流速，避免了不必要的能源浪費，并提升了降溫效率。

70、6、實時反饋控制，利用溫度傳感器和控制系統(tǒng)，實時調(diào)整低溫介質(zhì)的流速和流量，保持系統(tǒng)的穩(wěn)定性和高效性。