訾美幸,閆 壯,武爭光

關(guān)于三相泡沫在采空區(qū)火災(zāi)救助中的應(yīng)用分析

訾美幸①,閆 壯,武爭光

(中國礦業(yè)大學安全工程學院)

火災(zāi)是制約我國煤礦安全生產(chǎn)的一個重要因素。為更好地對煤礦火災(zāi)實施救助,中國礦業(yè)大學通風防滅火研究所開發(fā)出了三相泡沫防滅火材料。因此,確定采空區(qū)火災(zāi)救助時合理的噴漿量,對煤礦火災(zāi)的救助和減少救火開支具有實際的意義。本文通過對采空區(qū)火災(zāi)進行合理的假設(shè)后,利用數(shù)學分析方法對三相泡沫的最優(yōu)噴漿量進行了合理的設(shè)計。

三相泡沫;滅火;采空區(qū);火災(zāi)救助;經(jīng)濟性;噴漿量

煤炭是人們賴以生存的重要資源,是我國經(jīng)濟發(fā)展的命脈。由于遺留在采空區(qū)內(nèi)的煤炭很容易發(fā)生自燃發(fā)火的因素,煤礦采空區(qū)火災(zāi)事故經(jīng)常發(fā)生,一旦發(fā)生煤礦火災(zāi),就要立即采取有效的措施進行施救。三相泡沫滅火法是近幾年形成的一種新型滅火方法,對煤礦火災(zāi)特別是煤礦采空區(qū)火災(zāi)的撲滅十分有效。因此,研究設(shè)計合理的采空區(qū)滅火時的三相泡沫噴漿量,對煤礦火災(zāi)后提高煤礦救火效率和減少經(jīng)濟損失十分重要。為了得到合理的三相泡沫在救助煤礦采空區(qū)火災(zāi)時的噴漿量,需了解三相泡沫是如何起到滅火作用的。

1 三相泡沫的概念和滅火原理

1)三相泡沫的概念。三相泡沫就是由固態(tài)不燃物(粉煤灰或黃泥等)和惰氣,再加入一定量的表面活性劑(發(fā)泡劑、穩(wěn)泡劑),以一定分散度分散在水中形成的體系。

2)三相泡沫的滅火原理。

a)三相泡沫的發(fā)泡機理。在純固—液漿液中和純水中一樣,很難形成固—液—氣的三相泡沫。因此,必須加入表面活性劑來降低漿液的表面張力,再將氣體通入漿液中,通過加壓或強烈的機械攪拌形成三相泡沫。當向固—液漿液中充氣加壓或者攪拌時,在固體顆粒和氣泡周圍出現(xiàn)了水化層。由于漿液運動和表面間引力的作用,固體顆粒和氣泡開始出現(xiàn)了相互接觸的機會。接著,固體顆粒開始與氣泡的水化層相接觸,原來固體顆粒與氣泡間的普通水層,由于固體顆粒向氣泡逼近,逐漸從夾縫中被擠走,直至固體顆粒表面的水化層與氣泡表面的水化層相互接觸。在外加能的作用下,水化層變薄形成水化膜,此時水化膜表現(xiàn)出不穩(wěn)定性,固體顆粒和氣泡進一步逼近,自由能降低,水化膜的厚度自發(fā)變薄,此時固體顆粒向氣泡自發(fā)逼近。最后,水化膜進一步變薄直至破裂,固體顆粒與氣泡接觸并且附著在氣泡壁上形成了固—液—氣的三相泡沫。

b)三相泡沫的滅火原理。泥漿通過注入惰氣發(fā)泡后形成三相泡沫,體積大幅快速增加,并在采空區(qū)中向高處堆積,對低、高處的浮煤都能覆蓋,能夠避免注入的漿體從底部流失。三相泡沫的滅火性能試驗表明,三相泡沫可在較致密的多孔介質(zhì)中向不同方向流動,滲透性強,流動范圍廣,可撲滅較大范圍區(qū)域內(nèi)的高位火源和隱蔽地點的火源。注入在采空區(qū)的惰氣被封裝在泡沫之中,能較長時間滯留在采空區(qū)內(nèi),充分發(fā)揮惰氣的窒息滅火功能。三相泡沫中含有粉煤灰或黃泥等固態(tài)物質(zhì),這些固態(tài)物質(zhì)是三相泡沫面膜的一部分,可較長時間保持泡沫的穩(wěn)定性,即使泡沫破碎了,具有一定黏度的粉煤灰或黃泥仍然可較均勻地覆蓋在浮煤上,可持久有效地阻礙煤對氧的吸附,防止煤體氧化的加速,從而有效地防治煤炭繼續(xù)燃燒,這是三相泡沫滅火性能的優(yōu)越性。

2 對采空區(qū)火災(zāi)進行合理假設(shè)

由于在采空區(qū)處理過程中,采取了很多的措施(如：修建隔離墻、掛屏風幕簾等),防止巷道向采空區(qū)內(nèi)漏風,故在采空區(qū)內(nèi)的風力并不是很大;遺留在采空區(qū)內(nèi)的煤炭大都按散落狀分布。因此,可以對煤礦井下采空區(qū)發(fā)生火災(zāi)時進行理想性假設(shè)：

1)煤礦采空區(qū)的著火過程是在風力不大、煤炭散落分布的條件下進行的,失火時刻為：t=0,開始救火時刻為 t=t1,滅火時刻為t=t2。

2)時刻 t,煤炭燃燒量為 B(t)。

3)煤礦損失與煤炭燃燒量B(t2)成正比,比例系數(shù)c1為燃燒單位煤炭量(每噸)的損失。

4)從失火到開始救火這段時間(0≤t≤t1)內(nèi),火勢蔓延程度與時間t成正比,比例系數(shù)β稱火勢蔓延速度。

5)向采空區(qū)噴三相泡沫 x后,在開始救火到火被撲滅這段時間(0≤t≤t2)內(nèi),火勢蔓延速度將為β-λx,其中λ為單位量三相泡沫的平均滅火速度。

6)單位量三相泡沫在單位時間的滅火費用和一次性開支分別為c2和c3。

3 對三相泡沫滅火總費用和噴漿量建立數(shù)學模型

由假設(shè)一可見,火勢以失火點為中心,以均勻速度向四周蔓延,蔓延的半徑 r與時間t成正比。煤炭燃燒量 B(t)與 r2成正比,所以,B(t)與 t2成正比,從而與時間t成正比。火勢蔓延程度在0≤t≤t1內(nèi)線性的增加,在 t1≤t≤t2內(nèi)線性的減少,見圖1。

圖1 火勢蔓延程度與時間t的關(guān)系

計t=t1時,=b,煤炭燃燒量 B(t2)=dt恰為圖中三角形的面積,顯然有 B(t2)bt2。又 (λx-β)(t2-t1)=b=βt1,即火勢以β速度蔓延,t1時間內(nèi)火勢蔓延到了b程度,當火勢蔓延到b程度的火勢以λx -β速度減弱,t2-t1時間內(nèi)熄滅。

則煤礦的煤炭損失(包括誤工煤炭損失和燃燒煤炭損失)為:c1B(t2);

滅火費用(包括人員的調(diào)度費用)為:c2x(t2-t2)+c3x

救火總費用:

將式(1),式(2)代入(3),得到救火總費用為:

所以,煤礦采空區(qū)救火費用最小數(shù)學模型為：

這是一個無約束的非線性規(guī)劃問題,其最優(yōu)解可以用微積分方法求的,令,可以得到向采空區(qū)噴射的三項泡沫最優(yōu)量為:

4 模型的分析和討論

1)三相泡沫的經(jīng)濟性分析。從式(4)可以看到,費用由四部分組成：第一部分是救火前造成的經(jīng)濟損失;第二部分救火期間造成的經(jīng)濟損失;第三部分是救火期間的救火費用;第四部分是一次性開支,這是符合煤礦發(fā)生火災(zāi)后救火實際的。通過對式(4)中參數(shù)對滅火總費用的影響分析可得到：當火勢蔓延速度β變大時,三相泡沫滅火費用明顯增大,這是與實際相符合的;從報警到施救開始的時間 t1越小,滅火費用也會越小,這也符合常識;采空區(qū)噴漿量 x變大時,相應(yīng)的費用也會增加;三相泡沫的平均滅火速度λ(即單位量的三相泡沫噴入采空區(qū)的滅火速度)變大時,總的滅火費用會大幅度降低。

2)三相泡沫噴漿量的設(shè)計分析。從式(6)可以看到,采用三相泡沫對采空區(qū)滅火的噴漿量由兩部分組成,一部分β/λ是為了把采空區(qū)的火撲滅所必需的最少三相泡沫噴漿量,只與火勢蔓延速度β和單位量的三相泡沫噴漿的平均滅火速度有關(guān),這是十分容易得到的,從圖1也可以看到,只有當 x＞β/λ時,煤礦采空區(qū)火勢才會減弱下來。另一部分是在最低限度之上的噴漿量,與問題的各個參數(shù)有關(guān)。當滅火速度λ和一次性開支系數(shù)c1增大時,三相泡沫噴漿量減少;當火勢蔓延速度β、開始救火時刻 t1及損失費用系數(shù) t2增大時,三相泡沫噴漿量增加,這明顯是與常識相互一致的。而當滅火費用系數(shù)c1增大時三相泡沫噴漿量也將增大,這雖不明顯,但也符合實際。

在對具體煤礦進行采空區(qū)噴漿量設(shè)計時,c1、c2、c3都是已知常數(shù),β、λ由煤礦采空區(qū)巷道的布置情況、煤炭的類型、三相泡沫的滅火性能等因素決定,不同煤礦可以預(yù)先制定成表格已備發(fā)生火災(zāi)時查用,從采空區(qū)失火到煤礦實施三相泡沫救火的時間t1則要根據(jù)煤礦的報警和煤礦安排滅火設(shè)備的情況估計。當對以上參數(shù)確定后,就可以利用公式(6)快速的設(shè)計出需要的噴漿量。

5 總 結(jié)

礦井火災(zāi)處理技術(shù)是一項系統(tǒng)工程,隨著科學技術(shù)的發(fā)展,礦井滅火技術(shù)也在不斷地創(chuàng)新。三相泡沫技術(shù)是一項既經(jīng)濟又高效的礦井滅火方法,在礦井火災(zāi)的救助符合使用三相泡沫滅火法的條件時應(yīng)當積極的采用。通過三相泡沫法對采空區(qū)火災(zāi)救助的經(jīng)濟性分析和噴漿量設(shè)計,得到了根據(jù)煤礦具體情況而定的三相泡沫滅火法滅火最小費用的計算式(5)和噴漿量計算式(6),從而在煤礦采空區(qū)發(fā)生火災(zāi)時如何有效快速的進行滅火以及如何減少滅火費用、減少煤礦損失提供了理論依據(jù)。使火災(zāi)救助減少盲目性,提高準確性。

[1] 秦波濤.防治煤炭自燃的三相泡沫理論與技術(shù)研究[D].徐州：中國礦業(yè)大學能源與安全工程學院,2005.

[2] 田兆君,王德明,任萬興.含氮氣三相泡沫在煤礦采空區(qū)防滅火機理研究[J].科技信息,2009(15)：31-32.

[3] 秦波濤,王德明,張仁貴.三相泡沫發(fā)泡器發(fā)泡機理及設(shè)計原理[J].中國礦業(yè)大學學報,2008,37(4)：439-442.

[4] 嚴喜祖,宋中民,畢春加.數(shù)學建模及其實驗[M].北京：科學出版社,2003：145-147.

Applied Analysis on Three-phase Froth in Fire Rescue of Goaf

Zi Mei-xing,Yan Zhuang,Wu Zheng-guang

The fire is an important attribute of restricting safety production of coal mine in our country.For better implemented the rescue to the coal mine fire,the ventilated against fire fighting research institute of Chinese Mining Industry University develops the three-phase froth against extinguish material.Therefore,when definite worked-out section fire rescue the reasonable gunite quantity has the actual significance to the coal mine fire’s rescue and the reduced fire fighting expenditure.This article carries on the reasonable supposition after the worked-out section fire,using the mathematical analysis method to the three-phase froth’s most superior gunite quantity has carried on the reasonable design.

Three-phase f roth;Fire fighting;Goaf;Fire salvage;Efficiency;Gunite quantity

TD753.4

B

1672-0652(2010)02-0004-03

訾美幸 男 1989年出生 2007年中國礦業(yè)大學安全工程學院在讀本科生 徐州 221116

2009-12-31