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摘 要

基于我国煤层渗透率低导致煤层气抽采困难以及煤矿生产瓦斯事故频发的状况，本课题针对安全性较高的BLEVE致裂煤体进行效果评估及安全设计。本文基于液态二氧化碳BLEVE的机理设计了煤体致裂装置，同时运用模型对致裂使用的二氧化碳用量进行计算，寻求最优用量并进行效果评估。最后，针对致裂过程中所存在的安全隐患，提出安全对策措施。二氧化碳BLEVE可以更高效、更安全地进行煤体致裂，减少煤矿瓦斯事故的发生。

关键词：煤体致裂 沸腾液体拓展蒸汽爆炸 二氧化碳 安全设计

Effect evaluation and safety design of BLEVE cracked coal

Abstract

Based on the situation that the low coal seam permeability in China leads to mining difficulties and the occurrence of coal mine gas accidents, This subject evaluates the effectiveness and safety design of the BLEVE coal with high safety. In this paper, a coal cracking device is designed based on the mechanism of liquid carbon dioxide BLEVE. At the same time, the model is used to calculate the amount of carbon dioxide used for cracking to find the optimal amount and evaluate the effect. Finally, an emergency treatment plan is designed for the potential safety hazards in the cracking process. Carbon dioxide BLEVE can crack coal more efficiently and safely, reducing the occurrence of coal mine gas accidents.

Key Words: Coal cracking; boiling liquid expansion vapor explosion; carbon dioxide; safety design

目 录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 选题背景 1

1.2 国内外研究现状 2

1.2.1 强化抽采技术研究现状 2

1.2.2 二氧化碳致裂技术研究现状 2

1.3 研究目的与意义 3

1.3.1 研究的目的 3

1.3.2 研究的意义 3

1.4 研究内容 3

1.5 研究创新点 3

第二章 二氧化碳BLEVE致裂煤体技术 4

2.1 BLEVE的基础理论 4

2.1.1 BLEVE概况 4

2.1.2 BLEVE的发生 5

2.2 二氧化碳致裂机理 5

2.2.1 二氧化碳基本性质 5

2.2.2 二氧化碳致裂煤体机理 7

2.3 二氧化碳BLEVE致裂煤体可行性分析 7

第三章 致裂煤体装置设计 9

3.1 设计依据 9

3.2 装置设计图 9

3.3 液态二氧化碳BLEVE致裂流程及特点 13

3.3.1 液态二氧化碳BLEVE致裂流程 13

3.3.2 液态二氧化碳BLEVE致裂特点 14

第四章 二氧化碳BLEVE致裂效果分析 15

4.1 二氧化碳BLEVE致裂方案 15

4.2 二氧化碳致裂效果分析 16

4.2.1 模型介绍 16

4.2.2 二氧化碳BLEVE致裂煤体影响半径计算 18

第五章 二氧化碳BLEVE致裂安全设计 20

5.1 致裂危险有害因素辨识 20

5.1.1 物的不安全状态 20

5.1.2 人的不安全状态 20

5.2 安全对策措施 21

5.2.1 二氧化碳致裂安全对策措施 21

5.2.2 人员防护安全对策措施 22

第六章 结论与展望 23

6.1 结论 23

6.2 展望 23

参考文献 24

第一章 绪论

1.1 选题背景

中国是世界上煤炭消耗量最大的国家，自2000年起迎来了煤炭行业的飞速发展。2019年全国共计消费煤炭48.6亿吨，同比上涨3.3%。煤炭消费量占能源消费总量的57.7%。作为我国的主要能源，采煤期间安全事故不断发生，阻碍着煤炭行业的发展。据统计2013—2018年我发生的瓦斯事故共计233起，占各类煤矿死亡事故总数的10.74%^{[1, 2]}。图1为2013-2018年我国瓦斯事故起数概况，尽管煤矿事故呈减少态势，但是瓦斯事故的发生却没有得到有效控制。

图1 2013-2018年我国瓦斯事故起数概况

煤层气的主要成分是甲烷，不仅可用于化工生产，也是清洁能源的重要来源。但由于地质条件原因，中国的大部分煤层埋藏在地底深处，透气性低^[3]，我国煤层渗透率一般在0.01~0.1mD^[4]，远低于煤层气开发标准中1mD的最低标准。煤层气抽采困难，阻碍了矿井的安全生产。

所以，无论是从保障煤矿开采安全，还是从利用好这一宝贵资源的角度出发，高效、安全地抽采煤层气都显得尤为重要。

1.2 国内外研究现状

1.2.1 强化抽采技术研究现状

1956~1958年前苏联在将含有8.5Kg的致裂筒装入到煤层钻孔中，同时将5~6个大气压的水也加入其中，在煤田进行了煤层爆破实验。单一钻孔的煤层气抽采量相较于致裂前提升了30%以上，百米钻孔瓦斯抽采量是未致裂煤层瓦斯抽采量的两倍多^[5]。印度则在煤层预裂爆破增透实验中对预裂增透技术的抽采量、危险性以及对地震可能导致的影响等有关参数进行了深入的研究。美、法、英等国家也将高压气体致裂煤体的技术运用到煤炭的开采过程中去。

相较于国外采矿技术发达国家，我国未能与世界同步进行煤层气抽采相关方面的研究。在国家“八五”计划期间，原抚顺煤科院将控制孔与爆破孔交替布置，在煤矿进行了深孔预裂爆破实验。实验结果显示，此局部的防突手段对于解决瓦斯突出等问题具有较好的效果。在“十五”时期，由安徽理工大学主导开发研制的深孔致裂药管，在实际应用中，简化了炸药的安装程序。

近年来，美、英、法、德等国家通过对煤层注水来实现对于瓦斯突出的防治。王兆丰^[6]研究了通过向煤层注水来防治突出的相关内容，认为由于注水煤层中甲烷的运移的通道被水分所封堵住，有效防止甲烷溢出，有利于煤与瓦斯突出的防范。王兆丰，李志强^[7]通过进一步研究机理，发现煤层注水改变了煤层力学性质，煤体的渗透率提高，煤体内煤层气有足够的孔隙得到释放，提高了瓦斯的抽采效率。

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