一种主动脱氧型密闭及其使用方法

摘要

一种主动脱氧型密闭及其使用方法，属于煤矿防灭火领域。本发明的主动脱氧型密闭，所用的脱氧型阻化剂成分按质量比，还原性Fe粉∶MgCl2＝10∶(1～11)；其使用方法的步骤为：(1)计算还原性Fe粉和MgCl2的理论用量；(2)计算还原性Fe粉和MgCl2的实际用量；(3)验证进风巷风流吸收热量后工作面温度是否符合规定；(4)构筑主动脱氧型密闭。所用的脱氧型阻化剂取材方便，制作简单，价格低廉；出现裂隙漏风时，消耗漏风中的氧气，以减少采空区氧气的漏入；经过密闭脱氧的漏风流中氧浓度大幅降低，剩余高浓度的N2，可有效降低采空区附近氧浓度；使用隔热材料，以防止密闭周围煤体升温。

权利要求

1.一种主动脱氧型密闭，其特征在于，由填充材料和砖墙构成，填充材料由脱氧型阻化剂和黄土组成，其中：脱氧型阻化剂成分按质量比，还原性Fe粉：MgCl2＝10：(1～11)；

脱氧型阻化剂的质量根据公式(1)确定：

M′＝1.1×[1+(0.1～1.1)]v1q(L+S)/v    (1)式中：M′为脱氧型阻化剂的实际用量；L为超前支撑压力影响范围；S为联络巷宽度；v为工作面推进速度；q为密闭单位时间漏风量；v1为消耗单位体积空气中的氧气需要还原性Fe粉质量；

黄土的体积根据公式(2)确定：

V黄土＝V填充材料-V脱氧型阻化剂    (2)式中：V黄土为主动脱氧型密闭中黄土的体积；V填充材料为主动脱氧型密闭中填充材料的体积；V脱氧型阻化剂为主动脱氧型密闭中脱氧型阻化剂的体积。

2.根据权利要求1所述的主动脱氧型密闭，其特征在于，所述还原性Fe粉质量纯度≥

98％，粒度≤200目；MgCl2纯度≥98％。

3.根据权利要求1所述的主动脱氧型密闭，其特征在于，所述的黄土含有成分按质量百分数为SiO2：40～60％、Al2O3：10～20％、CaO：5～10％、Fe2O3：3～6％。

4.根据权利要求1所述的主动脱氧型密闭，其特征在于，永久密闭填充材料的厚度不小于1m，防火密闭填充材料的厚度不小于2m。

5.权利要求1所述的一种主动脱氧型密闭的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，计算还原性Fe粉的理论用量M和MgCl2的理论用量M1，根据公式(9)和(6)进行计算：M＝v1q(L+S)/v    (9)

M1＝(0.1～1.1)×M    (6)

式中：M为还原性Fe粉的理论用量；M1为MgCl2的理论用量；L为超前支撑压力影响范围；S为联络巷宽度；v为工作面推进速度；q为密闭单位时间漏风量；v1为消耗单位体积空气中的氧气需要还原性Fe粉质量；

步骤2，计算还原性Fe粉的实际用量M2和MgCl2的实际用量M3，根据公式(7)和(8)进行计算：M2＝1.1×M    (7)

M3＝1.1×M1    (8)

式中：M2为还原性Fe粉的实际用量；M3为MgCl2的实际用量；

步骤3，验证进风巷风流吸收热量后工作面温度是否符合规定，根据公式(10)进行验证：t1＝t+M2QFe/(cM进)    (10)式中：t1为工作面风流升高后的温度；t为工作面风流原始温度；QFe为单位质量的还原性Fe粉放出的热量；c为空气的比热容；M进为T时间内进风巷通过的风流总质量；

当t1≤26℃时，验证符合规定；

步骤4，在联络巷中构筑主动脱氧型密闭：将密闭与巷道及上下顶板接触部位，喷涂耐高温隔热涂料，喷涂厚度为1～3cm，隔热涂料干燥，形成隔热涂料后，进行密闭的构筑。

6.根据权利要求5所述的主动脱氧型密闭的使用方法，其特征在于，所述的主动脱氧型密闭尺寸与矿井联络巷中使用的密闭尺寸相同，密闭的宽与高与巷道的宽与高相同，密闭充填材料的厚度根据密闭的使用目的进行确定。

说明书

一种主动脱氧型密闭及其使用方法

技术领域

[0001] 本发明属于煤矿防灭火领域，特别涉及一种主动脱氧型密闭及其使用方法。

背景技术

[0002] 采空区遗煤自燃是由于漏入采空区中的风流含有氧气，氧气氧化遗煤蓄热升温达到燃点，进而引发的煤炭自发性燃烧。在采空区构筑密闭的目的是为了将采空区漏风通道进行封堵，减少采空区的漏风，从而抑制遗煤的自燃。然而，虽然构筑了密闭，但却“没有不透风的墙”，密闭在使用过程中受到工作面超前支撑压力的影响，会使密闭周围出现裂隙，形成漏风通道，因此，传统的密闭只能起到减少漏风的作用，却不能完全避免漏风进入采空区。

[0003] 鉴于以上原因，需要对传统密闭进行改进，使密闭除了可以起到封堵采空区、阻挡漏风的作用外，还能将漏入密闭风流中的氧气消耗，使漏入采空区中的风流不含氧气，只含有高浓度的氮气，对采空区起到惰化作用，从而对采空区遗煤的自燃起到更好的抑制作用。

发明内容

[0004] 针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种主动脱氧型密闭及其使用方法，在传统密闭充填材料黄土中掺入具有耗氧效果的脱氧型阻化剂，当密闭在受到工作面超前支撑压力影响出现裂隙漏风时，可以消耗漏风中的氧气，以减少采空区氧气的漏入；密闭四周使用隔热材料，以防止密闭中的脱氧型阻化剂耗氧产生的热量使密闭周围煤体升温。

[0005] 一种主动脱氧型密闭，由填充材料和砖墙构成，填充材料由脱氧型阻化剂和黄土组成，其中：

[0006] 脱氧型阻化剂成分按质量比，还原性Fe粉：MgCl2＝10:(1～11)；

[0007] 脱氧型阻化剂的质量根据公式(1)确定：

[0008] M'＝1.1×[1+(0.1～1.1)]v1q(L+S)/v   (1)

[0009] 式中：M’为脱氧型阻化剂的实际用量；L为超前支撑压力影响范围；S为联络巷宽度；v为工作面推进速度；q为密闭单位时间漏风量；v1为消耗单位体积空气中的氧气需要还原性Fe粉质量；

[0010] 黄土的体积根据公式(2)确定：

[0011] V黄土＝V填充材料-V脱氧型阻化剂   (2)

[0012] 式中：V黄土为主动脱氧型密闭中黄土的体积；V填充材料为主动脱氧型密闭中填充材料的体积；V脱氧型阻化剂为主动脱氧型密闭中脱氧型阻化剂的体积。

[0013] 所述还原性Fe粉质量纯度≥98％，粒度≤200目；MgCl2纯度≥98％；

[0014] 所述的黄土含有成分按质量百分数为SiO2：40～60％、Al2O3：10～20％、CaO：5～10％、Fe2O3：3～6％；

[0015] 所述的主动脱氧型密闭，永久密闭填充材料的厚度不小于1m，防火密闭填充材料的厚度不小于2m；

[0016] 所述的填充材料，是将脱氧型阻化剂与黄土的用量按所述的主动脱氧型密闭比例进行配料，在常温常压下直接拌合均匀获得的。

[0017] 所述的公式(1)由公式(3)、(4)、(5)、(6)、(7)和(8)推导获得：

[0018] T＝(L+S)/v   (3)

[0019] V＝qT   (4)

[0020] M＝v1V   (5)

[0021] M1＝(0.1～1.1)×M   (6)

[0022] M2＝1.1×M   (7)

[0023] M3＝1.1×M1   (8)

[0024] 式中：M2为还原性Fe粉的实际用量；M3为MgCl2的实际用量；M为还原性Fe粉的理论用量；M1为MgCl2的理论用量；T为密闭产生裂隙出现漏风的总时间；L为超前支撑压力影响范围；S为联络巷宽度；v为工作面推进速度；q为密闭单位时间漏风量；V为T时间内密闭的总漏风量；v1为消耗单位体积空气中的氧气需要还原性Fe粉的质量。

[0025] 一种主动脱氧型密闭的使用方法，包括以下步骤：

[0026] 步骤1，计算还原性Fe粉的理论用量M和MgCl2的理论用量M1，根据公式(9)和(6)进行计算：

[0027] M＝v1q(L+S)/v   (9)

[0028] M1＝(0.1～1.1)×M   (6)

[0029] 式中：M为还原性Fe粉的理论用量；M1为MgCl2的理论用量；L为超前支撑压力影响范围；S为联络巷宽度；v为工作面推进速度；q为密闭单位时间漏风量；v1为消耗单位体积空气中的氧气需要还原性Fe粉质量；

[0030] 步骤2，计算还原性Fe粉的实际用量M2和MgCl2的实际用量M3，根据公式(7)和(8)进行计算：

[0031] M2＝1.1×M   (7)

[0032] M3＝1.1×M1   (8)

[0033] 式中：M2为还原性Fe粉的实际用量；M3为MgCl2的实际用量；

[0034] 步骤3，验证进风巷风流吸收热量后工作面温度是否符合规定，根据公式(10)进行验证：

[0035] t1＝t+M2QFe/(cM进)   (10)

[0036] 式中：t1为工作面风流升高后的温度；t为工作面风流原始温度；QFe为单位质量的还原性Fe粉放出的热量；c为空气的比热容；M进为T时间内进风巷通过的风流总质量；

[0037] 当t1≤26℃时，验证符合规定；

[0038] 步骤4，在联络巷中构筑主动脱氧型密闭：将密闭与巷道及上下顶板接触部位，喷涂耐高温隔热涂料，喷涂厚度为1～3cm，隔热涂料干燥，形成隔热涂料后，进行密闭的构筑。

[0039] 所述的主动脱氧型密闭尺寸与矿井联络巷中使用的密闭尺寸相同，密闭的宽与高与巷道的宽与高相同，密闭充填材料的厚度根据密闭的使用目的进行确定；

[0040] 所述的步骤1中，公式(9)由公式(3)、(4)和(5)推导获得：

[0041] T＝(L+S)/v   (3)

[0042] V＝qT   (4)

[0043] M＝v1V   (5)

[0044] 式中：M为还原性Fe粉的理论用量；T为密闭产生裂隙出现漏风的总时间；L为超前支撑压力影响范围；S为联络巷宽度；v为工作面推进速度；q为密闭单位时间漏风量；V为T时间内密闭的总漏风量；v1为消耗单位体积空气中的氧气需要还原性Fe粉的质量；

[0045] 所述的步骤2，目的是保证确保漏风中的氧气全部被脱氧型阻化剂耗尽；

[0046] 所述的步骤3中，公式(10)由公式(11)、(12)和(13)推导获得：

[0047] Q放＝M2QFe   (11)

[0048] Δt＝Q放/(cM进)   (12)

[0049] t＝t1+Δt   (13)

[0050] 式中：Q放为还原性Fe粉在时间T内耗氧放出的总热量；QFe为单位质量的还原性Fe粉放出的热量；Δt为进风巷风流升高的温度；c为空气的比热容；M进为T时间内进风巷通过的风流总质量；t1为进风巷风流升高后的温度；t为进风巷风流原始温度；

[0051] 所述的步骤3中，由于还原性Fe粉与氧气反应会产生热量，根据《煤矿安全规程》对于采掘工作面空气温度不得超过26℃的规定，需要验证密闭内还原性Fe粉与氧气反应会产生热量不会使工作面风流温度超过规定；

[0052] 所述的步骤3中，公式(10)中，由于密闭内部填充的泥浆也会吸收还原性Fe粉与氧气反应放出的热量，另外，采空区侧密闭墙附近，空气流动缓慢，对流换热微弱，进入采空区侧联络巷内的热量可以忽略，此处假设热量全部进入进风流，考虑极限情况下进风流温度的升高情况。

[0053] 所述的步骤4中，隔热材料由耐高温隔热涂料制成，采用隔热材料的目的是防止密闭中的脱氧型阻化剂耗氧产生的热量使密闭周围煤体升温；密闭中的脱氧型阻化剂耗氧产生的热量，通过黄土本身所含水分的吸收以及通过密闭墙外风流的带走而散失；

[0054] 所述的公式(5)和(9)中，标准状态下，1g还原性Fe粉可与500ml空气中的氧气发生反应，消耗单位体积空气中的氧气需要还原性Fe粉的质量为2kg，即v1为2kg/m3。

[0055] 主动脱氧型密闭具有耗氧效果原因在于还原性Fe粉发生与氧气发生下列反应：

[0056] 2Fe-4e-＝2Fe2+   (Ⅰ)

[0057] O2+2H2O+4e-＝4OH-   (Ⅱ)

[0058] Fe2++2OH-＝Fe(OH)2   (Ⅲ)

[0059] 4Fe(OH)2+O2+2H2O＝4Fe(OH)3→[Fe2O3·nH2O]  (Ⅳ)

[0060] 脱氧型阻化剂的用量，由密闭内还原性Fe粉的用量确定，还原性Fe粉的用量根据密闭在受到超前支撑压力影响出现裂隙漏风到工作面推过联络巷时间内密闭的总漏风量确定。

[0061] 本发明的有益效果是：

[0062] 1.本发明的主动脱氧型密闭所用的脱氧型阻化剂取材方便，制作简单，价格低廉，使用过程中直接与黄土混合，操作简便；

[0063] 2.本发明的主动脱氧型密闭在受到工作面超前支撑压力影响出现裂隙漏风时，可以消耗漏风中的氧气，以减少采空区氧气的漏入；

[0064] 3.经过密闭脱氧的漏风流中氧浓度大幅降低，剩余高浓度的N2，对气体流经区域起到了惰化效果，可有效降低采空区附近氧浓度；

[0065] 4.本发明的主动脱氧型密闭四周使用隔热材料，以防止密闭中的脱氧型阻化剂耗氧产生的热量使密闭周围煤体升温。

附图说明

[0066] 图1为未密闭的联络巷示意图；

[0067] 图2为密闭后的联络巷示意图；

[0068] 图3为超前支撑压力影响范围示意图；

[0069] 图4为密闭裂隙漏风示意图；

[0070] 图5为不同温度时本发明实施例所用脱氧型阻化剂耗氧速率曲线；

[0071] 图6为普通密闭不漏风时氧浓度分布；

[0072] 图7为普通密闭漏风时氧浓度分布；

[0073] 图8为本发明实施例中主动脱氧型密闭漏风时氧浓度分布；

[0074] 图中，1-回采工作面；2-采空区；3-回风巷；4-进风巷；5-备用工作面；6-联络巷；7-密闭；8-顶板裂隙；9-底板裂隙；10-顶板；11-底板；12-砖墙；13-黄土；14-主动脱氧型密闭。

具体实施方式

[0075] 下面结合附图以及实例对本发明进一步说明。

[0076] 联络巷是连接上下区段相邻工作面间两条巷道的短巷，位置如图1所示，在工作面回采至联络巷之前，用于行人、运料、通风，当工作面回采超前联络巷时，需要马上对联络巷进行密闭，防止风流通过联络巷进入采空区，引发遗煤自燃。联络巷密闭由两道砖墙以及砖墙之间充填的黄土构成，当本区段工作面回采完毕，开始回采下区段时，由于工作面回采超前支撑压力的影响，上区段回采时构筑的密闭会遭到破坏，出现裂隙向采空区漏风，如图2所示。当联络巷密闭位于超前支撑压力范围内，密闭被破坏出现漏风，直至工作面推过联络巷，使联络巷进入采空区为止，超前支撑压力影响范围如图3所示。联络巷密闭在受到超前支撑压力影响时最容易出现裂隙的位置为密闭与顶底板接触的位置，如图4所示。

[0077] 本发明旨在解决普通密闭一旦受到超前支撑压力影响出现漏风，就会使氧气进入采空区氧化遗煤，进而引发自燃的问题。下面结合某矿联络巷密闭实例，对本发明采用的技术方案进一步说明。

[0078] 某矿联络巷长30m，宽5m，高3m，密闭砖墙厚度0.75m，黄土厚度5m，密闭位置距通风巷侧5m向里进行构筑。工作面超前支撑压力范围28m，工作面推进速度5.6m/d，进风巷风量1300m3/min，风流温度18℃，某处密闭单位时间漏风量为0.37m3/min，密闭未受到超前支撑压力影响，不漏风时，采空区侧联络巷氧浓度3％～4％，当出现漏风时，采空区侧联络巷氧浓度4％～5％；标准状态下，1g还原性Fe粉可与500ml空气中的氧气发生反应，消耗单位体积空气中的氧气需要还原性Fe粉的质量为2kg，即v1为2kg/m3；单位质量的还原性Fe粉放出的热量QFe＝7360kJ/kg。

[0079] 一种主动脱氧型密闭，由填充材料和砖墙构成，填充材料由脱氧型阻化剂和黄土组成，其中：

[0080] 脱氧型阻化剂成分按质量比，还原性Fe粉：MgCl2＝10:1；

[0081] 脱氧型阻化剂的质量根据公式(1)确定：

[0082] M'＝1.1×(1+0.1)v1q(L+S)/v＝7607.3kg   (1)

[0083] 式中：M’为脱氧型阻化剂的实际用量；L为超前支撑压力影响范围；S为联络巷宽度；v为工作面推进速度；q为密闭单位时间漏风量；v1为消耗单位体积空气中的氧气需要还原性Fe粉质量；

[0084] 黄土的体积根据公式(2)确定：

[0085] V黄土＝V填充材料-V脱氧型阻化剂   (2)

[0086] 式中：V黄土为主动脱氧型密闭中黄土的体积；V填充材料为主动脱氧型密闭中填充材料的体积；V脱氧型阻化剂为主动脱氧型密闭中脱氧型阻化剂的体积。

[0087] 所述还原性Fe粉质量纯度≥98％，粒度≤200目；MgCl2纯度≥98％；

[0088] 所述的黄土含有成分按质量百分数为SiO2：40～60％、Al2O3：10～20％、CaO：5～10％、Fe2O3：3～6％；

[0089] 所述的填充材料，是将脱氧型阻化剂与黄土的用量按所述的主动脱氧型密闭比例进行配料，在常温常压下直接拌合均匀获得的。

[0090] 所述的公式(1)由公式(3)、(4)、(5)、(6)、(7)和(8)推导获得：

[0091] T＝(L+S)/v＝5.9d   (3)

[0092] V＝qT＝3143.5m3   (4)

[0093] M＝v1V＝6287kg   (5)

[0094] M1＝0.1×M＝628.7kg   (6)

[0095] M2＝1.1×M＝6915.7kg   (7)

[0096] M3＝1.1×M1＝691.6kg   (8)

[0097] 式中：M2为还原性Fe粉的实际用量，kg；M3为MgCl2的实际用量，kg；M为还原性Fe粉的理论用量，kg；M1为MgCl2的理论用量，kg；T为密闭产生裂隙出现漏风的总时间，d；L为超前支撑压力影响范围，m；S为联络巷宽度；v为工作面推进速度；q为密闭单位时间漏风量，m3/min；V为T时间内密闭的总漏风量，m3；v1为消耗单位体积空气中的氧气需要还原性Fe粉的质量，kg/m3。

[0098] 一种主动脱氧型密闭的使用方法，包括以下步骤：

[0099] 步骤1，计算还原性Fe粉的理论用量M和MgCl2的理论用量M1，根据公式(9)和(6)进行计算：

[0100] M＝v1q(L+S)/v＝6287kg   (9)

[0101] M1＝0.1×M＝628.7kg   (6)

[0102] 式中：M为还原性Fe粉的理论用量，kg；M1为MgCl2的理论用量，kg；L为超前支撑压力影响范围，m；S为联络巷宽度，m；v为工作面推进速度，m/d；q为密闭单位时间漏风量，m3/3
min；v1为消耗单位体积空气中的氧气需要还原性Fe粉质量，kg/m；

[0103] 步骤2，计算还原性Fe粉的实际用量M2和MgCl2的实际用量M3，根据公式(7)和(8)进行计算：

[0104] M2＝1.1×M＝6915.7kg   (7)

[0105] M3＝1.1×M1＝691.6kg   (8)

[0106] 式中：M2为还原性Fe粉的实际用量，kg；M3为MgCl2的实际用量，kg；此时脱氧型阻化剂的用量仅占密闭总体积的1.6％；

[0107] 步骤3，验证进风巷风流吸收热量后工作面温度是否符合规定，根据公式(10)进行验证：

[0108] t1＝t+M2QFe/(cM进)＝21.6℃   (10)

[0109] 式中：t1为工作面风流升高后的温度，℃；t为工作面风流原始温度，℃；QFe为单位质量的还原性Fe粉放出的热量，kJ/kg；c为空气的比热容，J/(kg·℃)；M进为T时间内进风巷通过的风流总质量，kg；

[0110] t1＝21.6℃≤26℃，验证符合规定；

[0111] 实际情况中，密闭中充填的泥浆也要吸收热量，因此实际中t1要小于21.6℃；

[0112] 步骤4，在联络巷中构筑主动脱氧型密闭：将密闭与巷道及上下顶板接触部位，喷涂耐高温隔热涂料，喷涂厚度为1～3cm，隔热涂料干燥，形成隔热涂料后，进行密闭的构筑。

[0113] 所述的主动脱氧型密闭尺寸与矿井联络巷中使用的密闭尺寸相同，密闭的宽与高与巷道的宽与高相同，密闭充填材料的厚度根据密闭的使用目的进行确定。

[0114] 所述的(9)由公式(3)、(4)和(5)推导获得：

[0115] T＝(L+S)/v＝5.9d   (3)

[0116] V＝qT＝3143.5m3   (4)

[0117] M＝v1V＝6287kg   (5)

[0118] 式中：M为还原性Fe粉的理论用量，kg；T为密闭产生裂隙出现漏风的总时间，d；L为超前支撑压力影响范围，m；S为联络巷宽度；v为工作面推进速度；q为密闭单位时间漏风量，m3/min；V为T时间内密闭的总漏风量，m3；v1为消耗单位体积空气中的氧气需要还原性Fe粉的质量，kg/m3。

[0119] 下面使用Fluent数值模拟软件对该矿联络巷构筑普通密闭时不漏风、漏风以及构筑本发明密闭漏风时联络巷及密闭内部氧浓度分布进行模拟，模拟过程中使用的模型尺寸与该矿现场相同，当密闭漏风时进风口风速由密闭单位时间漏风量求得，为4.1×10-4m/s。模拟中使用的耗氧速率，通过试验获得，由试验得到的脱氧型阻化剂在20℃、40℃、60℃、80℃以及99℃时的耗氧速率拟合的曲线(如图5)求得，18℃时的耗氧速率为1.24×10-4m3/(kg·min)。普通密闭不漏风、普通密闭漏风、主动脱氧型密闭漏风的模拟结果分别为图6、图7、图8。

[0120] 通过图6看出，密闭不漏风时，有少量漏风渗透穿过密闭墙，使采空区侧密闭墙附近氧浓度为4～5％，高于采空区附近的3～4％；通过图7看出，当密闭漏风时，进入采空区侧联络的漏风，使内部氧浓度迅速增加，密闭内侧墙附近氧气体积分数大幅升高，达到17％～18％。当漏入的风流向采空区方向移动时，与原有低氧浓度气体混合，使氧气体积分数逐渐降低为采空区附近的4％～5％。以上两种情况中氧浓度分布的模拟结果，与现场监测相符，因此可利用该模型对主动脱氧型密闭的漏风氧浓度分布进行研究。

[0121] 将密闭的充填材料增加耗氧效果，模拟主动脱氧型密闭漏风时的氧浓度分布，模拟结果如图8所示。通过与图7对比看出，充填材料具有耗氧效果后，漏入密闭内部的风流经过脱氧型阻化剂的耗氧，裂隙出口附近的氧浓度大幅降低，由普通密闭的17～18％降至5～6％，并且高氧浓度范围也大幅减小。经过密闭脱氧的漏风流中氧浓度大幅降低，剩余高浓度的N2，对气体流经区域起到了惰化效果，使采空区附近氧浓度由普通密闭漏风时的4～
5％降至2～3％，此氧浓度甚至比密闭不漏风时还要低。与普通密闭相比，主动脱氧型密闭漏风时，不仅没有增加采空区附近氧浓度，反而使氧浓度得到了降低，有效防止了采空区遗煤的自燃。