露天矿松散介质火区灭火降温技术研究与应用

汤笑飞 曹 凯 张 微

(徐州安云矿业科技有限公司，江苏省徐州市，221008)

松散介质高温区是露天矿煤层自燃火灾火区常见的表现形式之一，其产生的高温烟气和有毒有害气体对环境和人员造成破坏和伤害，对露天矿生产也造成极大的影响。国家和企业每年投入大量人力物力对火区进行治理，但松散介质高温火区灭火降温问题一直以来都未得到很好的解决。这类火区一直没有快速高效的治理方案和治理技术，传统上采用注水、注浆、剥离、覆盖、地表浇灌等措施，虽然具有一定的效果但灭火效率不高。采用注水、注浆和地表浇灌的方法时，水和浆液易流失且无法堆积，难以对立体高温区整体降温，材料利用率低；剥离和覆盖的方法受露天矿生产工序和高温限制，需要对火区先降温爆破、再剥离回填，工作量大、施工周期长、施工困难。笔者长期从事露天矿火区治理工作，对松散介质高温区的特性进行了分析，结合露天矿生产工序和灭火需求，将两相泡沫技术应用于松散介质高温区的治理中，并对工艺方法进行了改进，大大提高了灭火降温效率，满足了露天矿生产需求。

1 松散介质高温区成因、特性及治理难点

松散介质高温区指煤体或岩体呈破碎堆积，受其中或周围自燃煤体影响所形成的明火或高温区域。松散介质高温区的形成需要两个条件，一方面是需要有煤体或岩体呈大面积破碎堆积状态，形成这种堆积状态主要原因有爆破作业时形成的松散岩体或煤体、小窑采空区垮落后形成的煤岩堆积、煤火燃烧造成的塌陷区和垮落区、排土场矸石排放等；另一方面是在自然风压和火风压造成的漏风条件下导致积压在内部的煤体或煤矸石自然发火，产生的热量通过烟气对流的方式在破碎煤岩体内传播，导致煤岩体整体高温。由于松散介质高温区成因的特殊性使得这类火区具有不同于其他火区的特性：

(1)松散介质高温区为松散多孔介质状态，热量通过高温烟气对流传播，造成松散介质整体高温，形成立体高温火区。

(2)由于多孔介质具有良好的蓄热性，且周围岩石热传导系数较小，因此松散介质高温火区热容量极大且热量不易扩散，火区一旦形成，灭火降温十分困难。

(3)火源点定位困难，甚至有的火区内部不存在火源点，而是其他联通巷道自燃产生的高温烟气扩散至该区域，因此垂直钻孔往往探测不到火源点，造成火区治理不能达到根治的目的。

为了保证露天矿各个生产环节的安全高效作业，要求对松散介质高温区进行快速高效的治理，同时保证火区爆破钻孔完好，爆破工作能够正常开展。鉴于松散介质高温区多孔介质立体高温的特点，要想快速实现降温，必须选择高热容灭火降温材料并让灭火介质充分扩散至所有的松散区域。

2 火区治理思路

与液态惰气相比，水热容量较大，取材方便，是最好的吸热降温介质，因此提高水的利用率是治理这类火区的首选思路。泡沫相比于其他胶体类灭火介质具有堆积特性和易扩散性等优势，通过大流量注入泡沫可使整个松散介质高温区内短时间充满灭火介质。综合以上两个方面，气水两相泡沫能够满足灭火需求，被认为是松散介质高温区快速降温的最佳选择。

由于两相泡沫具有不凝固、不残留的特点，因此能够很好地保护钻孔不被破坏，同时为了节省灭火成本、提高灭火效率，利用爆破钻孔兼做灭火钻孔。两相泡沫在松散介质中扩散具有较大的阻力，为了保证泡沫扩散范围，必须采用封孔加压灌注工艺，因此对松散介质高温区的治理采用加压多点灌注两相泡沫技术进行治理。

3 泡沫灭火降温特性分析

为了说明水以泡沫形式灌注的利用率高于直接灌注的利用率，以现场试验为基础，基于降温时间、温度变化、用水量、用泡沫量等参数，计算出泡沫的水利用率和注水的水利用率。具体方案如下，在东露天矿确定一片火区，选取两个条件相同且相互不受影响的高温钻孔，如图1所示，水的利用效率通过将松散介质高温区降低相同温度时的耗水量与理论水量的比值计算。

图1 两种灭火介质水利用效率示意图

消耗水量可由现场实际记录，理论水量通过下式计算，实际统计结果如表1所示。

(1)

式中：c岩、c水——岩石与水的比热容，J/(kg·℃)；

ρ岩——岩石密度，kg/m3；

V——火区体积，m3；

m0——理论需水量，kg；

T——火区初始温度，℃；

T终——火区最终温度，℃；

T0——水的初始温度，℃；

φ——孔隙率；

Q′——水汽化潜热，取2260 kJ/kg。

表1 注水和注泡沫水的利用率对比

由表1可知，两种灌注方式水的利用率都小于1，这是因为现场灌注时有部分灭火介质没能完全作用到整个火区，造成灭火介质的浪费。但将条件相同的钻孔下降相同的温度，单纯注入水的情况下的用水量明显高于灌注泡沫的用水量，泡沫的耗水量接近理论需水量，侧面说明了相对于单纯注水而言泡沫对水的利用率较高。

4 火区治理技术应用

4.1 火区概况

中煤平朔集团有限公司东露天矿为国内大型露天矿之一，开采过程中在1260平盘揭露小煤窑采空区垮落后形成的松散介质火区，火区面积约2000 km2。火区的出现导致爆破和剥离作业无法进行，造成1245平盘及其以下平盘无法推进，阻碍了东露天矿的生产推进速度。为了尽快对火区进行灭火降温并进行爆破剥离，火区共施工爆破钻孔32个，兼顾作为灭火钻孔，钻孔深度平均20 m，平均温度约200 ℃。火区钻孔布置如图2所示。

图2 钻孔布置图

为了尽快治理火区，采用灭火降温—分区爆破—剥离的处理方式，选择加压灌注两相泡沫快速灭火降温技术。

4.2 钻孔预处理

(1)地表降温。地表降温的主要作用是保证火区上部作业人员和作业设备安全，降低地表及浅部火区温度，防止封孔设备接触高温损坏。采用地表洒水降温或鱼鳞坑注水降温的方式。

(2)钻孔预注水、注浆。钻孔预注水、注浆的主要作用是探查钻孔裂隙发育情况，有无与空洞采空区沟通；对钻孔进行初步降温，同时对底部进行灭火降温，封堵钻孔底部较大裂隙。一般先对钻孔注水降温，如果水位无上升则进行注浆，同时对注浆量和浆液浓度进行控制，至钻孔底部温度下降到70 ℃以下为止。

4.3 封孔

为了保证两相泡沫扩散半径(2 m以上)，必须采用钻孔封孔加压灌注的方式。封孔要求方便快捷，封孔装置可重复利用，封孔压力0.5 MPa以上。根据封孔要求设计了一款露天矿地面钻孔封孔器，其结构示意图和实物图见图3。封孔器由灌注管、手柄和圆柱橡胶管组成。使用时将封孔器放入钻孔内旋转手柄，将橡胶管与钻孔壁面压紧即可。变径钢管的弯头处设有气体温度采集口和控制阀门，通过控制阀门的开启对钻孔内部温度、气体成分和浓度进行分析。

图3 封孔器结构示意图与实物图

4.4 泡沫灌注两相

两相泡沫是在供水管路中加入发泡剂，发泡器引入空气后经物理发泡方式产生大量泡沫，两相泡沫通过四寸高压胶管向前传输，可直接灌注到采空区钻孔内或通过分配器分为若干分支，分别灌注到多个灭火钻孔内。两相泡沫灌注流程如图4所示。

两相泡沫是在三相泡沫基础上去掉其中固相介质而来，由于无固相介质，因此不会对钻孔造成堵塞和破坏，同时为了提高灌注压力，要求两相泡沫发泡倍数不应过高。根据现场条件和防灭火需要，为了充分发挥两相泡沫的灭火性能，达到良好的防灭火效果，测试了两相泡沫具体灌注参数：发泡倍数为15～20，供水量为10～12 m3/h，泡沫量大于或等于300 m3/h，气体压力大于或等于0.5 MPa，发泡剂添加量为0.5%。

图4 两相泡沫灌注流程图

为了满足多个钻孔的同时灌注，通过对分流设备进行反复的试验和测试，最后采用能同时满足5个钻孔灌注需求的分流器。分配器设计如图5所示。分流器入口段与主管路相连，5条支路通过高压消防水带与钻孔封孔器连接，分流器各出口安装闸阀，控制每个钻孔的灌注量。

1-入口；2-稳压管；3-支管；4-阀门；5-快速接头图5 分配器设计图

4.5 降温效果考察

东露天矿1260平盘松散介质高温火区治理前钻孔平均温度约200℃，地表具有炙烤感，且钻孔有高温烟气冒出。火区治理后钻孔最高温度下降至50 ℃以下，地表温度20℃左右，达到火区爆破要求并成功对火区进行爆破。火区治理共施工钻孔32个，部分钻孔温度随时间变化情况如表3和图6所示。

表3 火区钻孔温度随时间变化 ℃

图6 钻孔温度变化

从钻孔温度变化曲线可以看出：火区钻孔温度在50 h内均下降到50 ℃以下，钻孔温度变化呈现出“先快后慢”的趋势，前期的降温速率明显高于后期的降温速率，也就是说从高温降到中温100℃较容易，再从中温降到常温则比较困难。这是因为温差是传热的主要动力来源，初始阶段的高温与环境温差较大，传热强度大；随着温度的降低，与环境的温差逐渐减小，传热强度明显减弱，表现出降温时间上大大延长、温度降低缓慢的现象，但从总体看火区治理效果较好。

5 结语

(1)对松散介质高温火区概念、成因和火区特性进行了介绍和分析，提出松散介质高温火区多孔介质高热容立体高温特性。

(2)提出采用加压多点灌注两相泡沫技术对露天矿松散介质高温区进行治理，并对火区特性和技术特点、工艺流程进行了设计和优化，并将该技术在东露天矿1260平盘火区进行治理，取得了较好的治理效果。

(3)该技术的提出和应用解决了露天矿煤层自燃火灾松散介质高温区降温问题，满足了露天矿安全生产需要，同时也希望社会对露天矿煤层自燃火灾引起重视，推动露天矿灭火技术研究工作的进步。

参考文献：

[1] 曾强.新疆地区煤火燃烧系统热动力特性研究[D].中国矿业大学，2012

[2] 秦波涛, 王德明.矿井防灭火技术现状及研究进展[J]. 中国安全科学学报, 2007(12)

[3] 梁运涛, 罗海珠.中国煤矿火灾防治技术现状与趋势[J]. 煤炭学报,2008(2)

[4] 牛恒.博孜敦4号煤层露头火灾的综合治理技术研究[D].西安科技大学，2009

[5] 余明高.我国煤矿防灭火技术的最新发展及应用[J].矿业安全与环保，2000(1)

[6] 张忠温.浅埋煤层大面积火区快速治理技术实践[J]. 煤炭科学技术，2012(9)

[7] 牛立东, 王常兴, 王俊峰等.废弃小煤窑采空区自燃火区治理关键技术的应用研究[J].中国煤炭,2010(1)

[8] 邓军, 孙宝亮, 费金彪等.胶体防灭火技术在煤层露头火灾治理中的应用[J]. 煤炭科学技术,2007(11)

[9] 邵昊,蒋曙光,吴征艳等.二氧化碳和氮气对煤自燃性能影响的对比试验研究[J].煤炭学报,2014(11)

[10] 张玮,张微,郑克明等.两相泡沫在露天矿空间立体火区治理中的应用[J]. 内蒙古煤炭经济,2016(15)

[11] 孙宽,郑克明,王根涛等.东露天矿大范围高温火区降温技术研究[J]. 煤炭技术,2015(11)

[12] 汤笑飞.安家岭露天矿小窑火区快速治理技术研究[D].中国矿业大学, 2014

[13] 张微.东露天矿采空区火区防灭火技术研究与治理[D].中国矿业大学, 2016

[14] 时迁,郑克明,董帅军等. 露天矿火区成因分析及综合治理技术[J]. 煤炭技术,2016(11)

[15] 秦波涛. 防治煤炭自燃的三相泡沫理论与技术研究[D].中国矿业大学，2005

[16] 时国庆.防灭火三相泡沫在采空区中的流动特性与应用[D].中国矿业大学，2010

[17] 周福宝,王德明.特大型火区的地面钻孔注三相泡沫灭火技术[J].煤炭科学技术,2005(7)

[18] 王德明.矿井通风与安全[M].徐州：中国矿业大学出版社，2007

[19] 王德明.矿井火灾学[M]. 徐州：中国矿业大学出版社, 2008