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火區(qū)常見的表現(xiàn)形式之一，其產(chǎn)生的高溫煙氣和有毒有害氣體對環(huán)境和人員造成破壞和傷害，對露天礦生產(chǎn)也造成極大的影響。國家和企業(yè)每年投入大量人力物力對火區(qū)進行治理，但松散介質(zhì)高溫火區(qū)滅火降溫問題一直以來都未得到很好的解決。這類火區(qū)一直沒有快速高效的治理方案和治理技術，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，水和漿液易流失且無法堆積，難以對立體高溫區(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，需要對火區(qū)先降溫爆破、再剝離回填，工作量大、施工周期長、施工困難。筆者長期從事露天礦火區(qū)治理工作，對松散介質(zhì)高溫區(qū)的特性進行了分析，結合露天礦生產(chǎn)工序和滅火需求，將兩相泡沫技術應用于松散介質(zhì)高溫區(qū)的治理中，并對工藝方法進行了改進，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

松散介質(zhì)高溫區(qū)指煤體或巖體呈破碎堆積，受其中或周圍自燃煤體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)、排土場矸石排放等；另一方面是在自然風壓和火風壓造成的漏風條件下導致積壓在內(nèi)部的煤體或煤矸石自然發(fā)火，產(chǎn)生的熱量通過煙氣對流的方式在破碎煤巖體內(nèi)傳播，導致煤巖體整體高溫。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)，熱量通過高溫煙氣對流傳播，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，且周圍巖石熱傳導系數(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散，火區(qū)一旦形成，滅火降溫十分困難。

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

為了保證露天礦各個生產(chǎn)環(huán)節(jié)的安全高效作業(yè)，要求對松散介質(zhì)高溫區(qū)進行快速高效的治理，同時保證火區(qū)爆破鉆孔完好，爆破工作能夠正常開展。鑒于松散介質(zhì)高溫區(qū)多孔介質(zhì)立體高溫的特點，要想快速實現(xiàn)降溫，必須選擇高熱容滅火降溫材料并讓滅火介質(zhì)充分擴散至所有的松散區(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火區(qū)的首選思路。泡沫相比于其他膠體類滅火介質(zhì)具有堆積特性和易擴散性等優(yōu)勢，通過大流量注入泡沫可使整個松散介質(zhì)高溫區(qū)內(nèi)短時間充滿滅火介質(zhì)。綜合以上兩個方面，氣水兩相泡沫能夠滿足滅火需求，被認為是松散介質(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，因此能夠很好地保護鉆孔不被破壞，同時為了節(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)中擴散具有較大的阻力，為了保證泡沫擴散范圍，必須采用封孔加壓灌注工藝，因此對松散介質(zhì)高溫區(qū)的治理采用加壓多點灌注兩相泡沫技術進行治理。

3 泡沫滅火降溫特性分析

為了說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)場試驗為基礎，基于降溫時間、溫度變化、用水量、用泡沫量等參數(shù)，計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，水的利用效率通過將松散介質(zhì)高溫區(qū)降低相同溫度時的耗水量與理論水量的比值計算。

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)場實際記錄，理論水量通過下式計算，實際統(tǒng)計結果如表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比

由表1可知，兩種灌注方式水的利用率都小于1，這是因為現(xiàn)場灌注時有部分滅火介質(zhì)沒能完全作用到整個火區(qū)，造成滅火介質(zhì)的浪費。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，側面說明了相對于單純注水而言泡沫對水的利用率較高。

4 火區(qū)治理技術應用

4.1 火區(qū)概況

中煤平朔集團有限公司東露天礦為國內(nèi)大型露天礦之一，開采過程中在1260平盤揭露小煤窯采空區(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)導致爆破和剝離作業(yè)無法進行，造成1245平盤及其以下平盤無法推進，阻礙了東露天礦的生產(chǎn)推進速度。為了盡快對火區(qū)進行滅火降溫并進行爆破剝離，火區(qū)共施工爆破鉆孔32個，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—剝離的處理方式，選擇加壓灌注兩相泡沫快速滅火降溫技術。

4.2 鉆孔預處理

(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)設備安全，降低地表及淺部火區(qū)溫度，防止封孔設備接觸高溫損壞。采用地表灑水降溫或魚鱗坑注水降溫的方式。

(2)鉆孔預注水、注漿。鉆孔預注水、注漿的主要作用是探查鉆孔裂隙發(fā)育情況，有無與空洞采空區(qū)溝通；對鉆孔進行初步降溫，同時對底部進行滅火降溫，封堵鉆孔底部較大裂隙。一般先對鉆孔注水降溫，如果水位無上升則進行注漿，同時對注漿量和漿液濃度進行控制，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，封孔裝置可重復利用，封孔壓力0.5 MPa以上。根據(jù)封孔要求設計了一款露天礦地面鉆孔封孔器，其結構示意圖和實物圖見圖3。封孔器由灌注管、手柄和圓柱橡膠管組成。使用時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有氣體溫度采集口和控制閥門，通過控制閥門的開啟對鉆孔內(nèi)部溫度、氣體成分和濃度進行分析。

圖3 封孔器結構示意圖與實物圖

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)或通過分配器分為若干分支，分別灌注到多個滅火鉆孔內(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上去掉其中固相介質(zhì)而來，由于無固相介質(zhì)，因此不會對鉆孔造成堵塞和破壞，同時為了提高灌注壓力，要求兩相泡沫發(fā)泡倍數(shù)不應過高。根據(jù)現(xiàn)場條件和防滅火需要，為了充分發(fā)揮兩相泡沫的滅火性能，達到良好的防滅火效果，測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

為了滿足多個鉆孔的同時灌注，通過對分流設備進行反復的試驗和測試，最后采用能同時滿足5個鉆孔灌注需求的分流器。分配器設計如圖5所示。分流器入口段與主管路相連，5條支路通過高壓消防水帶與鉆孔封孔器連接，分流器各出口安裝閘閥，控制每個鉆孔的灌注量。

1-入口；2-穩(wěn)壓管；3-支管；4-閥門；5-快速接頭圖5 分配器設計圖

4.5 降溫效果考察

東露天礦1260平盤松散介質(zhì)高溫火區(qū)治理前鉆孔平均溫度約200℃，地表具有炙烤感，且鉆孔有高溫煙氣冒出?；饏^(qū)治理后鉆孔最高溫度下降至50 ℃以下，地表溫度20℃左右，達到火區(qū)爆破要求并成功對火區(qū)進行爆破?；饏^(qū)治理共施工鉆孔32個，部分鉆孔溫度隨時間變化情況如表3和圖6所示。

表3 火區(qū)鉆孔溫度隨時間變化 ℃

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，前期的降溫速率明顯高于后期的降溫速率，也就是說從高溫降到中溫100℃較容易，再從中溫降到常溫則比較困難。這是因為溫差是傳熱的主要動力來源，初始階段的高溫與環(huán)境溫差較大，傳熱強度大；隨著溫度的降低，與環(huán)境的溫差逐漸減小，傳熱強度明顯減弱，表現(xiàn)出降溫時間上大大延長、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 結語

(1)對松散介質(zhì)高溫火區(qū)概念、成因和火區(qū)特性進行了介紹和分析，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)提出采用加壓多點灌注兩相泡沫技術對露天礦松散介質(zhì)高溫區(qū)進行治理，并對火區(qū)特性和技術特點、工藝流程進行了設計和優(yōu)化，并將該技術在東露天礦1260平盤火區(qū)進行治理，取得了較好的治理效果。

(3)該技術的提出和應用解決了露天礦煤層自燃火災松散介質(zhì)高溫區(qū)降溫問題，滿足了露天礦安全生產(chǎn)需要，同時也希望社會對露天礦煤層自燃火災引起重視，推動露天礦滅火技術研究工作的進步。

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