露天礦松散介質(zhì)火區(qū)滅火降溫技術(shù)研究與應(yīng)用

湯笑飛 曹 凱 張 微

(徐州安云礦業(yè)科技有限公司，江蘇省徐州市，221008)

松散介質(zhì)高溫區(qū)是露天礦煤層自燃火災(zāi)火區(qū)常見(jiàn)的表現(xiàn)形式之一，其產(chǎn)生的高溫?zé)煔夂陀卸居泻怏w對(duì)環(huán)境和人員造成破壞和傷害，對(duì)露天礦生產(chǎn)也造成極大的影響。國(guó)家和企業(yè)每年投入大量人力物力對(duì)火區(qū)進(jìn)行治理，但松散介質(zhì)高溫火區(qū)滅火降溫問(wèn)題一直以來(lái)都未得到很好的解決。這類(lèi)火區(qū)一直沒(méi)有快速高效的治理方案和治理技術(shù)，傳統(tǒng)上采用注水、注漿、剝離、覆蓋、地表澆灌等措施，雖然具有一定的效果但滅火效率不高。采用注水、注漿和地表澆灌的方法時(shí)，水和漿液易流失且無(wú)法堆積，難以對(duì)立體高溫區(qū)整體降溫，材料利用率低；剝離和覆蓋的方法受露天礦生產(chǎn)工序和高溫限制，需要對(duì)火區(qū)先降溫爆破、再剝離回填，工作量大、施工周期長(zhǎng)、施工困難。筆者長(zhǎng)期從事露天礦火區(qū)治理工作，對(duì)松散介質(zhì)高溫區(qū)的特性進(jìn)行了分析，結(jié)合露天礦生產(chǎn)工序和滅火需求，將兩相泡沫技術(shù)應(yīng)用于松散介質(zhì)高溫區(qū)的治理中，并對(duì)工藝方法進(jìn)行了改進(jìn)，大大提高了滅火降溫效率，滿足了露天礦生產(chǎn)需求。

1 松散介質(zhì)高溫區(qū)成因、特性及治理難點(diǎn)

松散介質(zhì)高溫區(qū)指煤體或巖體呈破碎堆積，受其中或周?chē)匀济后w影響所形成的明火或高溫區(qū)域。松散介質(zhì)高溫區(qū)的形成需要兩個(gè)條件，一方面是需要有煤體或巖體呈大面積破碎堆積狀態(tài)，形成這種堆積狀態(tài)主要原因有爆破作業(yè)時(shí)形成的松散巖體或煤體、小窯采空區(qū)垮落后形成的煤巖堆積、煤火燃燒造成的塌陷區(qū)和垮落區(qū)、排土場(chǎng)矸石排放等；另一方面是在自然風(fēng)壓和火風(fēng)壓造成的漏風(fēng)條件下導(dǎo)致積壓在內(nèi)部的煤體或煤矸石自然發(fā)火，產(chǎn)生的熱量通過(guò)煙氣對(duì)流的方式在破碎煤巖體內(nèi)傳播，導(dǎo)致煤巖體整體高溫。由于松散介質(zhì)高溫區(qū)成因的特殊性使得這類(lèi)火區(qū)具有不同于其他火區(qū)的特性：

(1)松散介質(zhì)高溫區(qū)為松散多孔介質(zhì)狀態(tài)，熱量通過(guò)高溫?zé)煔鈱?duì)流傳播，造成松散介質(zhì)整體高溫，形成立體高溫火區(qū)。

(2)由于多孔介質(zhì)具有良好的蓄熱性，且周?chē)鷰r石熱傳導(dǎo)系數(shù)較小，因此松散介質(zhì)高溫火區(qū)熱容量極大且熱量不易擴(kuò)散，火區(qū)一旦形成，滅火降溫十分困難。

(3)火源點(diǎn)定位困難，甚至有的火區(qū)內(nèi)部不存在火源點(diǎn)，而是其他聯(lián)通巷道自燃產(chǎn)生的高溫?zé)煔鈹U(kuò)散至該區(qū)域，因此垂直鉆孔往往探測(cè)不到火源點(diǎn)，造成火區(qū)治理不能達(dá)到根治的目的。

為了保證露天礦各個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)的安全高效作業(yè)，要求對(duì)松散介質(zhì)高溫區(qū)進(jìn)行快速高效的治理，同時(shí)保證火區(qū)爆破鉆孔完好，爆破工作能夠正常開(kāi)展。鑒于松散介質(zhì)高溫區(qū)多孔介質(zhì)立體高溫的特點(diǎn)，要想快速實(shí)現(xiàn)降溫，必須選擇高熱容滅火降溫材料并讓滅火介質(zhì)充分?jǐn)U散至所有的松散區(qū)域。

2 火區(qū)治理思路

與液態(tài)惰氣相比，水熱容量較大，取材方便，是最好的吸熱降溫介質(zhì)，因此提高水的利用率是治理這類(lèi)火區(qū)的首選思路。泡沫相比于其他膠體類(lèi)滅火介質(zhì)具有堆積特性和易擴(kuò)散性等優(yōu)勢(shì)，通過(guò)大流量注入泡沫可使整個(gè)松散介質(zhì)高溫區(qū)內(nèi)短時(shí)間充滿滅火介質(zhì)。綜合以上兩個(gè)方面，氣水兩相泡沫能夠滿足滅火需求，被認(rèn)為是松散介質(zhì)高溫區(qū)快速降溫的最佳選擇。

由于兩相泡沫具有不凝固、不殘留的特點(diǎn)，因此能夠很好地保護(hù)鉆孔不被破壞，同時(shí)為了節(jié)省滅火成本、提高滅火效率，利用爆破鉆孔兼做滅火鉆孔。兩相泡沫在松散介質(zhì)中擴(kuò)散具有較大的阻力，為了保證泡沫擴(kuò)散范圍，必須采用封孔加壓灌注工藝，因此對(duì)松散介質(zhì)高溫區(qū)的治理采用加壓多點(diǎn)灌注兩相泡沫技術(shù)進(jìn)行治理。

3 泡沫滅火降溫特性分析

為了說(shuō)明水以泡沫形式灌注的利用率高于直接灌注的利用率，以現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)為基礎(chǔ)，基于降溫時(shí)間、溫度變化、用水量、用泡沫量等參數(shù)，計(jì)算出泡沫的水利用率和注水的水利用率。具體方案如下，在東露天礦確定一片火區(qū)，選取兩個(gè)條件相同且相互不受影響的高溫鉆孔，如圖1所示，水的利用效率通過(guò)將松散介質(zhì)高溫區(qū)降低相同溫度時(shí)的耗水量與理論水量的比值計(jì)算。

圖1 兩種滅火介質(zhì)水利用效率示意圖

消耗水量可由現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際記錄，理論水量通過(guò)下式計(jì)算，實(shí)際統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1所示。

(1)

式中：c巖、c水——巖石與水的比熱容，J/(kg·℃)；

ρ巖——巖石密度，kg/m3；

V——火區(qū)體積，m3；

m0——理論需水量，kg；

T——火區(qū)初始溫度，℃；

T終——火區(qū)最終溫度，℃；

T0——水的初始溫度，℃；

φ——孔隙率；

Q′——水汽化潛熱，取2260 kJ/kg。

表1 注水和注泡沫水的利用率對(duì)比

由表1可知，兩種灌注方式水的利用率都小于1，這是因?yàn)楝F(xiàn)場(chǎng)灌注時(shí)有部分滅火介質(zhì)沒(méi)能完全作用到整個(gè)火區(qū)，造成滅火介質(zhì)的浪費(fèi)。但將條件相同的鉆孔下降相同的溫度，單純注入水的情況下的用水量明顯高于灌注泡沫的用水量，泡沫的耗水量接近理論需水量，側(cè)面說(shuō)明了相對(duì)于單純注水而言泡沫對(duì)水的利用率較高。

4 火區(qū)治理技術(shù)應(yīng)用

4.1 火區(qū)概況

中煤平朔集團(tuán)有限公司東露天礦為國(guó)內(nèi)大型露天礦之一，開(kāi)采過(guò)程中在1260平盤(pán)揭露小煤窯采空區(qū)垮落后形成的松散介質(zhì)火區(qū)，火區(qū)面積約2000 km2?；饏^(qū)的出現(xiàn)導(dǎo)致爆破和剝離作業(yè)無(wú)法進(jìn)行，造成1245平盤(pán)及其以下平盤(pán)無(wú)法推進(jìn)，阻礙了東露天礦的生產(chǎn)推進(jìn)速度。為了盡快對(duì)火區(qū)進(jìn)行滅火降溫并進(jìn)行爆破剝離，火區(qū)共施工爆破鉆孔32個(gè)，兼顧作為滅火鉆孔，鉆孔深度平均20 m，平均溫度約200 ℃?；饏^(qū)鉆孔布置如圖2所示。

圖2 鉆孔布置圖

為了盡快治理火區(qū)，采用滅火降溫—分區(qū)爆破—?jiǎng)冸x的處理方式，選擇加壓灌注兩相泡沫快速滅火降溫技術(shù)。

4.2 鉆孔預(yù)處理

(1)地表降溫。地表降溫的主要作用是保證火區(qū)上部作業(yè)人員和作業(yè)設(shè)備安全，降低地表及淺部火區(qū)溫度，防止封孔設(shè)備接觸高溫?fù)p壞。采用地表灑水降溫或魚(yú)鱗坑注水降溫的方式。

(2)鉆孔預(yù)注水、注漿。鉆孔預(yù)注水、注漿的主要作用是探查鉆孔裂隙發(fā)育情況，有無(wú)與空洞采空區(qū)溝通；對(duì)鉆孔進(jìn)行初步降溫，同時(shí)對(duì)底部進(jìn)行滅火降溫，封堵鉆孔底部較大裂隙。一般先對(duì)鉆孔注水降溫，如果水位無(wú)上升則進(jìn)行注漿，同時(shí)對(duì)注漿量和漿液濃度進(jìn)行控制，至鉆孔底部溫度下降到70 ℃以下為止。

4.3 封孔

為了保證兩相泡沫擴(kuò)散半徑(2 m以上)，必須采用鉆孔封孔加壓灌注的方式。封孔要求方便快捷，封孔裝置可重復(fù)利用，封孔壓力0.5 MPa以上。根據(jù)封孔要求設(shè)計(jì)了一款露天礦地面鉆孔封孔器，其結(jié)構(gòu)示意圖和實(shí)物圖見(jiàn)圖3。封孔器由灌注管、手柄和圓柱橡膠管組成。使用時(shí)將封孔器放入鉆孔內(nèi)旋轉(zhuǎn)手柄，將橡膠管與鉆孔壁面壓緊即可。變徑鋼管的彎頭處設(shè)有氣體溫度采集口和控制閥門(mén)，通過(guò)控制閥門(mén)的開(kāi)啟對(duì)鉆孔內(nèi)部溫度、氣體成分和濃度進(jìn)行分析。

圖3 封孔器結(jié)構(gòu)示意圖與實(shí)物圖

4.4 泡沫灌注兩相

兩相泡沫是在供水管路中加入發(fā)泡劑，發(fā)泡器引入空氣后經(jīng)物理發(fā)泡方式產(chǎn)生大量泡沫，兩相泡沫通過(guò)四寸高壓膠管向前傳輸，可直接灌注到采空區(qū)鉆孔內(nèi)或通過(guò)分配器分為若干分支，分別灌注到多個(gè)滅火鉆孔內(nèi)。兩相泡沫灌注流程如圖4所示。

兩相泡沫是在三相泡沫基礎(chǔ)上去掉其中固相介質(zhì)而來(lái)，由于無(wú)固相介質(zhì)，因此不會(huì)對(duì)鉆孔造成堵塞和破壞，同時(shí)為了提高灌注壓力，要求兩相泡沫發(fā)泡倍數(shù)不應(yīng)過(guò)高。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件和防滅火需要，為了充分發(fā)揮兩相泡沫的滅火性能，達(dá)到良好的防滅火效果，測(cè)試了兩相泡沫具體灌注參數(shù)：發(fā)泡倍數(shù)為15～20，供水量為10～12 m3/h，泡沫量大于或等于300 m3/h，氣體壓力大于或等于0.5 MPa，發(fā)泡劑添加量為0.5%。

圖4 兩相泡沫灌注流程圖

為了滿足多個(gè)鉆孔的同時(shí)灌注，通過(guò)對(duì)分流設(shè)備進(jìn)行反復(fù)的試驗(yàn)和測(cè)試，最后采用能同時(shí)滿足5個(gè)鉆孔灌注需求的分流器。分配器設(shè)計(jì)如圖5所示。分流器入口段與主管路相連，5條支路通過(guò)高壓消防水帶與鉆孔封孔器連接，分流器各出口安裝閘閥，控制每個(gè)鉆孔的灌注量。

1-入口；2-穩(wěn)壓管；3-支管；4-閥門(mén)；5-快速接頭圖5 分配器設(shè)計(jì)圖

4.5 降溫效果考察

東露天礦1260平盤(pán)松散介質(zhì)高溫火區(qū)治理前鉆孔平均溫度約200℃，地表具有炙烤感，且鉆孔有高溫?zé)煔饷俺?。火區(qū)治理后鉆孔最高溫度下降至50 ℃以下，地表溫度20℃左右，達(dá)到火區(qū)爆破要求并成功對(duì)火區(qū)進(jìn)行爆破。火區(qū)治理共施工鉆孔32個(gè)，部分鉆孔溫度隨時(shí)間變化情況如表3和圖6所示。

表3 火區(qū)鉆孔溫度隨時(shí)間變化 ℃

圖6 鉆孔溫度變化

從鉆孔溫度變化曲線可以看出：火區(qū)鉆孔溫度在50 h內(nèi)均下降到50 ℃以下，鉆孔溫度變化呈現(xiàn)出“先快后慢”的趨勢(shì)，前期的降溫速率明顯高于后期的降溫速率，也就是說(shuō)從高溫降到中溫100℃較容易，再?gòu)闹袦亟档匠貏t比較困難。這是因?yàn)闇夭钍莻鳠岬闹饕獎(jiǎng)恿?lái)源，初始階段的高溫與環(huán)境溫差較大，傳熱強(qiáng)度大；隨著溫度的降低，與環(huán)境的溫差逐漸減小，傳熱強(qiáng)度明顯減弱，表現(xiàn)出降溫時(shí)間上大大延長(zhǎng)、溫度降低緩慢的現(xiàn)象，但從總體看火區(qū)治理效果較好。

5 結(jié)語(yǔ)

(1)對(duì)松散介質(zhì)高溫火區(qū)概念、成因和火區(qū)特性進(jìn)行了介紹和分析，提出松散介質(zhì)高溫火區(qū)多孔介質(zhì)高熱容立體高溫特性。

(2)提出采用加壓多點(diǎn)灌注兩相泡沫技術(shù)對(duì)露天礦松散介質(zhì)高溫區(qū)進(jìn)行治理，并對(duì)火區(qū)特性和技術(shù)特點(diǎn)、工藝流程進(jìn)行了設(shè)計(jì)和優(yōu)化，并將該技術(shù)在東露天礦1260平盤(pán)火區(qū)進(jìn)行治理，取得了較好的治理效果。

(3)該技術(shù)的提出和應(yīng)用解決了露天礦煤層自燃火災(zāi)松散介質(zhì)高溫區(qū)降溫問(wèn)題，滿足了露天礦安全生產(chǎn)需要，同時(shí)也希望社會(huì)對(duì)露天礦煤層自燃火災(zāi)引起重視，推動(dòng)露天礦滅火技術(shù)研究工作的進(jìn)步。

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