亭南煤矿井下二氧化碳致裂器泄漏安全风险分析

邹德龙 王 岩 赵海波 崔宏磊

(煤科集团沈阳研究院有限公司)

目前，二氧化碳致裂装置已取得了煤矿使用的安全许可，在煤矿中的应用日趋广泛[1-3]。大多数矿井在应用该装置时，未对其安全性进行深入研究，仅明确了该装置具有防爆、不会产生火花引起爆炸等特性，往往忽视了二氧化碳作为惰性气体，一旦发生泄露与扩散易使人窒息，严重时会致人死亡[4-7]。由于煤矿井下生产条件复杂，二氧化碳致裂装置很可能受到强烈撞击、坠落而导致二氧化碳泄漏，大量二氧化碳泄露后可迅速由液态转为气态在巷道中扩散，极易威胁矿工的生命安全。本研究以华亭煤矿为例，对二氧化碳致裂装置泄漏对矿工以及煤矿企业的安全威胁程度进行详细分析。

1 工程概况

亭南煤矿位于陕西省咸阳市长武县亭口镇，矿井核实生产能力为5 Mt/a，目前准备回采ZF207工作面[8-12]。 ZF207工作面沿方位角0°布置，设计长200 m，回采长度为2 260 m。矿井唯一可采煤层为4#煤层，煤层倾角为0°～8°，平均4°，煤层厚度为13.6～21.2 m，平均为18 m，上分层回采厚度为7 ～8 m，平均回采厚度达7.5 m。工作面采用U型通风方式，配风量约为1 000 m3/min。运输顺槽断面为矩形，尺寸为5.5 m×3.1 m(长×宽)。工作面运输顺槽围岩采用爆破钻孔卸压方式，目前准备在该处使用二氧化碳致裂技术来代替传统的卸压工艺。

2 二氧化碳致裂技术概述

低浓度的二氧化碳可以兴奋呼吸中枢，高浓度二氧化碳可以抑制和麻痹呼吸中枢。二氧化碳虽然没有毒性，但由于二氧化碳的弥散能力强于氧气，从而使得二氧化碳很容易从肺泡弥散至血液造成呼吸性酸中毒。煤矿井下空气中氧气并不充足，当二氧化碳浓度超过正常值时，会诱发工作人员呼吸加快、缺氧、呼吸中枢麻痹等，严重者会致人死亡。窒息时可造成肺水肿、脑水肿、代谢性酸中毒、电解质紊乱、休克、缺氧性脑病等。

液态二氧化碳致裂器实物及组成结构见图1。致裂器由主管、充气头(起爆头)、排气头、加热棒、爆破片、泄能片、止飞器等组成。本研究以MZL200-1147/63型液态二氧化碳致裂器为研究对象，该型致裂器长1.47 m，主管长度1.415 m，外径63 mm，内径50 mm，泄能片极限压力为400 MPa，致裂器主管中充装了质量为20 kg的液态二氧化碳，液态二氧化碳充装压力为25 MPa。

图1 二氧化碳致裂器实物及结构

3 泄漏风险分析

3.1 泄漏场景分析

根据二氧化碳致裂器的结构及体积，井下泄漏场景分为小口泄漏(孔径为5 mm，年失效频率fs为2.2×10-6)和中口泄漏(孔径为25 mm，年失效频率fs为1.0×10-6)。

3.2 二氧化碳泄漏扩散模型选择

本研究选用Pasquill-Gifford模型扩散方程对二氧化碳致裂器泄漏扩散进行描述，在该方程中，持续性的释放源可视作烟羽扩散，瞬时性的释放源可视为烟团扩散。本研究二氧化碳治理装置以一组100根为研究对象，可视其有稳定的释放源泄漏物质在大气中进行扩散，可采用Pasquill分类方法[13]确定大气稳定度，大气稳定度分为A、B、C、D、E、F 6类，A类表示气象条件极不稳定，B类表示气象条件中等程度不稳定，C类表示气象条件弱不稳定，D类表示气象条件的稳定性处于稳定和不稳定之间，E类表示气象条件弱稳定，F类表示气象条件中等程度稳定[14-16]。

4 泄漏个体风险分析

4.1 泄漏质量流率计算

设液态二氧化碳致裂器的泄漏半径为5 mm，致裂器通过裂口连续向巷道泄露液态二氧化碳，泄露开始时裂口上方液体高度设为0，泄露出的液态二氧化碳瞬间被气化成二氧化碳气体烟羽，泄漏时致裂器内的液体压力P为25 106 Pa，外界环境压力(井下大气压力)P0为0.098×106Pa，运输顺槽风速约为3 m/s，液二氧化碳密度ρ约为1 000 kg/m3。以致裂器泄露点为坐标原点O，下风向为X轴，其垂直方向为Y轴，以垂直于巷道底板方向为Z轴，建立坐标系。液态二氧化碳经致裂器上的孔流出，经计算，瞬时质量流率Q=17.1 kg/s。

4.2 泄漏污染物在给定点的浓度计算

根据目前工作风速(3 m/s)以及煤矿井下风流稳定性情况，将二氧化碳泄漏时的风流稳定条件视作D类，即风流处于稳定性与不稳性之间。本研究设定距离泄漏点100 m范围内，矿工可以意识到事故发生，然后迅速撤离躲避危险，为此假设矿工分别位于距离泄漏点下风侧100，200，300 m处，来分析不同情况下泄漏的个体危险情况。

经计算，距离泄漏点下风侧100，200，300 m处的二氧化碳的浓度分别为8%、9%、10%，氯在空气中的浓度达到8%时，人吸入1 min即致死，则矿工在一定时间内接触一定浓度毒物所造成影响的概率值可通过下式计算

Pr=a+b·ln(Cn·t) ，

(1)

式中，a,b,n分别为描述物质毒性的常量，a=-7.4，b=1，n=1；C为浓度，分别取80 000×10-6，90 000×10-6，100 000×10-6mg/m3；t为暴露于毒物中的时间，取1 min。

经计算，3种不同浓度毒素对应的Pr值分别为3.89，4，4.11。通过查询相关信息可知，3个死亡概率数值对应的死亡百分率p均为10%。

4.3 个体死亡风险计算

按泄漏量为100根二氧化碳致裂器(2 t二氧化碳)计算时，距泄漏点100，200，300 m处的矿工个体死亡概率(为年失效频率与死亡百分率之积)为2.2×10-7<10-6，即个体风险处于可以接受的范围内。

5 泄漏企业风险分析

泄露企业风险可通过下式进行分析

P社会风险=β社会风险·p，

(2)

式中，P社会风险为社会风险计算时的死亡概率；β社会风险为社会风险计算时的死亡概率修正因子，室内风险修正因子为0.1，室外风险修正因子为1，本研究取0.1。

经计算，并查询社会风险标准曲线可知，本研究社会风险处于可接受区。

6 结 语

以华亭煤矿为例，通过采用Pasquill-Gifford扩散模型定量分析了二氧化碳致裂装置发生泄漏(泄漏半径为5 mm)时，ZF207工作面运顺下风侧距离泄漏点100，200，300 m处二氧化碳气体的浓度，确定的矿工个体死亡风险概率为2.2×10-7，属于可接受个体风险，此外，结合社会风险标准曲线，确定了煤矿企业所承受的社会风险处于可接受范围内。

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