露天礦火區(qū)內(nèi)三類爆破鉆孔快速滅火降溫方法研究

蔡光琪，趙云龍，朱朝炳，沈　威，張　微，史廣義

(1.中煤平朔集團(tuán)有限責(zé)任公司，山西 朔州 036000；2.平煤十二礦，河南 平頂山 467000；3.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)安全工程學(xué)院，江蘇 徐州 221008)

露天礦火區(qū)內(nèi)三類爆破鉆孔快速滅火降溫方法研究

蔡光琪1，趙云龍2，朱朝炳3，沈威3，張微3，史廣義3

(1.中煤平朔集團(tuán)有限責(zé)任公司，山西 朔州 036000；2.平煤十二礦，河南 平頂山 467000；3.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)安全工程學(xué)院，江蘇 徐州 221008)

摘要：針對(duì)露天礦火區(qū)上覆巖層爆破剝離前，高溫爆破鉆孔滅火降溫的薄弱環(huán)節(jié)，以強(qiáng)化爆破鉆孔特征為切入點(diǎn)，根據(jù)鉆孔溫度和孔底特性將露天礦火區(qū)高溫爆破鉆孔分為火區(qū)上部的爆破鉆孔、打穿火區(qū)的爆破鉆孔、火區(qū)附近的爆破鉆孔等三類，并制定了三類高溫爆破鉆孔的滅火降溫方案。根據(jù)滅火降溫方案構(gòu)建了以三相泡沫防滅火技術(shù)為主，灌漿、注水為輔的綜合滅火降溫系統(tǒng)，通過(guò)與單一的注水、注漿滅火降溫效果對(duì)比，綜合滅火降溫系統(tǒng)具有快速、高效的特點(diǎn)，并成功的對(duì)東露天礦15萬(wàn)m2火區(qū)內(nèi)的爆破鉆孔滅火降溫，保證了東露天礦的安全爆破和按時(shí)完成生產(chǎn)進(jìn)度計(jì)劃。

關(guān)鍵詞：露天礦；爆破鉆孔；滅火；三相泡沫

煤田火是由于煤炭自燃而產(chǎn)生的一種特殊災(zāi)害，煤田火災(zāi)在中國(guó)、印度、美國(guó)、俄羅斯、澳大利亞、印度尼西亞以及中亞等地區(qū)都存在[1-2]。在我國(guó)，煤田火災(zāi)主要分布于干旱少雨的北方地區(qū)，包括新疆、甘肅、青海、寧夏、陜西、山西、內(nèi)蒙古、四川、重慶、福建等十個(gè)省、市、自治區(qū)，正在燃燒的面積達(dá)17～20km2[3]。自2001年以來(lái)，由于原井工礦巷道或采空區(qū)遺煤自燃，朔州等主要產(chǎn)煤區(qū)的露天礦內(nèi)又形成了大片的煤田火。煤田火吞噬大量的煤炭資源，并產(chǎn)生大量的溫室氣體等[4-9]。同時(shí)我國(guó)露天煤礦的覆蓋層硬度普遍較大，覆蓋層的剝離往往需要輔以深孔松動(dòng)爆破或定向拋擲爆破，然而大小不一、經(jīng)久不息的煤田火形成大片的高溫爆破鉆孔，爆破的安全性受到極大的威脅?；饏^(qū)產(chǎn)生的高溫一旦使爆破鉆孔里的炸藥達(dá)到了熱感度，炸藥便會(huì)發(fā)生早爆或拒爆，導(dǎo)爆索、雷管在高溫下也可能失效，神華寧煤大峰露天煤礦2008年、2009年的兩次爆破事故均與此有密切關(guān)系[10]。因此，加強(qiáng)對(duì)高溫爆破鉆孔快速滅火降溫的理論研究和工程實(shí)踐已經(jīng)成為當(dāng)務(wù)之急。

1三類高溫爆破鉆孔的快速滅火降溫步驟

露天礦火區(qū)上覆堅(jiān)硬巖層爆破剝離前，首先需要根據(jù)巖層地質(zhì)條件和滅火介質(zhì)的擴(kuò)散特性[11]在作業(yè)平盤上布置一定深度和間距的爆破鉆孔，一般以平盤的高度為深度，按8m×8m的間距均勻布置。露天礦火區(qū)常常位于舊煤巷和采空區(qū)內(nèi)，煤體燃燒后會(huì)形成大大小小的燃燒空洞，同時(shí)火區(qū)圍巖溫度上升，當(dāng)達(dá)到一定高溫時(shí)，圍巖失水、收縮、斷裂、垮塌，形成虛量區(qū)，所以火區(qū)所處的環(huán)境中有容積不定的舊巷道，有大大小小的燃燒空洞，有回采塌陷或燃燒塌陷形成的虛量區(qū)，也有構(gòu)造裂隙、采動(dòng)裂隙和燃燒裂隙等[12]，進(jìn)而爆破鉆孔就會(huì)有不同的特性。通過(guò)對(duì)東露天礦火區(qū)內(nèi)高溫爆破鉆孔的鉆探、測(cè)溫、分析，根據(jù)鉆孔溫度和孔底特性將露天礦火區(qū)高溫爆破鉆孔分為火區(qū)上部的爆破鉆孔、打穿火區(qū)的爆破鉆孔、火區(qū)附近的爆破鉆孔等三類，其火情特性及治理步驟如下所述。

1.1火區(qū)上部的高溫爆破鉆孔

這類爆破鉆孔的判斷依據(jù)是該鉆孔詳情單上記錄有鉆孔未打穿空洞或虛量，整個(gè)鉆孔內(nèi)孔底溫度最高。如圖1所示，這類爆破鉆孔與火區(qū)通過(guò)裂隙和巖體傳熱，孔底裂隙發(fā)育多且離火區(qū)最近，所以溫度最高。由于裂隙很小，滅火介質(zhì)很難大流量滲透到下部火區(qū)，所以很難以這類鉆孔為通道快速的將下部的大片火區(qū)撲滅。

圖1　火區(qū)上部的高溫爆破鉆孔布置示意圖

這類爆破鉆孔的治理思路為：先對(duì)孔底下面火區(qū)局部降溫后構(gòu)造隔溫層。首先向鉆孔注水，疏通裂隙，大量的水進(jìn)入火區(qū)，蒸發(fā)吸熱，使裂隙附近的巖體降溫；而后向鉆孔注三相泡沫，主要對(duì)鉆孔下面的局部火區(qū)和孔壁降溫，灌注6h即可；最后灌漿，堵塞孔底裂隙，并形成隔熱層；灌注完畢及時(shí)封閉孔口。爆破前注水20min，使鉆孔和隔熱層再次冷卻，這樣裝藥爆破時(shí)間內(nèi)鉆孔溫度就能維持在50℃以下。

1.2打穿火區(qū)的高溫爆破鉆孔

這類爆破鉆孔的判斷依據(jù)是：鉆孔詳情單上記錄有在孔底有空洞或者虛量，且孔口有青煙、黃煙或者火焰冒出，見(jiàn)圖2。一般情況下火區(qū)面積大，空洞體積大，已形成高位煤火，打穿的爆破鉆孔增強(qiáng)了火風(fēng)壓作用，火區(qū)供氧量更大，火勢(shì)更旺，鉆孔內(nèi)的溫度主要來(lái)源于火區(qū)煤體燃燒和圍巖傳熱。

圖2　打穿火區(qū)的高溫爆破鉆孔布置示意圖

總體治理思路是直接滅火降溫。首先向鉆孔內(nèi)注1小時(shí)的水，使空洞內(nèi)的空氣和底板降溫，并疏通主要裂隙，然后連續(xù)不斷向鉆孔中灌注三相泡沫，主要依賴三相泡沫的大流量、強(qiáng)堆積性等特點(diǎn)，直到鉆孔中的溫度降到50℃以下，最后封蓋好鉆孔。如果鉆孔溫度在灌注過(guò)程中不停的下降，說(shuō)明空洞火區(qū)較小，只需連續(xù)灌注即可，最長(zhǎng)需要灌注2d即可達(dá)到治理效果；一旦遇到灌注泡沫1d后，鉆孔溫度下降不明顯，說(shuō)明該爆破鉆孔打穿了的巷道火區(qū)空洞特別大，往往可達(dá)上萬(wàn)立方米。針對(duì)這種打穿特大空洞的爆破鉆孔，綜合考慮成本和效率，總體的治理思路是繼續(xù)向現(xiàn)有的爆破鉆孔中連續(xù)灌注三相泡沫，控制鉆孔周圍的火勢(shì)，同時(shí)根據(jù)現(xiàn)有爆破鉆孔的鉆孔詳情，在該爆破鉆孔附近布置一些不打穿火區(qū)的爆破鉆孔，按照打在火區(qū)上方的爆破鉆孔的治理方法進(jìn)行治理即可。

1.3火區(qū)附近的高溫爆破鉆孔

這類爆破鉆孔的判斷依據(jù)是：爆破鉆孔內(nèi)孔底的溫度不是最高的。如圖3所示，這種爆破鉆孔位于火區(qū)附近，火區(qū)的熱量通過(guò)斜向裂隙傳遞到鉆孔，裂隙傳遞熱量的能力大于覆巖，所以盡管鉆孔下部離火區(qū)近，但是斜向上的裂隙將大量的熱量傳遞給了爆破鉆孔中上部，所以鉆孔底部的溫度不是最高的。

圖3　火區(qū)附近的高溫爆破鉆孔布置示意圖

這類主要通過(guò)裂隙對(duì)流傳熱導(dǎo)致的爆破鉆孔溫度過(guò)高的情況，堵塞裂隙并降低鉆孔圍巖和附近火區(qū)的溫度是治理的關(guān)鍵?？梢砸揽咳嗯菽母吆?、強(qiáng)堆積性和泥漿封堵圍巖裂隙的特點(diǎn)。所以首先向鉆孔中注高壓水，將孔底的溫度降低，而后連續(xù)灌注高壓力、大流量的三相泡沫，使更大區(qū)域的圍巖溫度降低，并將裂隙堵死，杜絕或減弱火區(qū)熱量向鉆孔傳遞，由于三相泡沫向裂隙中灌注比較難，所以孔口密封要求較高。連續(xù)灌注2天三相泡沫后，封閉好鉆孔，保證不漏風(fēng)。爆破前注水20min，使鉆孔再次冷卻。

2露天礦火區(qū)綜合滅火系統(tǒng)

2.1三相泡沫滅火技術(shù)

三相泡沫滅火技術(shù)是在粉煤灰或黃泥漿液中添加極少量的發(fā)泡劑、穩(wěn)泡劑等添加劑，并引入氮?dú)饣蚩諝猓ㄟ^(guò)三相泡沫發(fā)泡器物理機(jī)械發(fā)泡，形成粉煤灰或黃泥顆粒均勻地附著在氣泡壁上的多相體系，其制備流程如圖4所示。三相泡沫滅火技術(shù)充分利用粉煤灰或黃泥包裹覆蓋可燃物的性能、水的吸熱降溫作用和氮?dú)獾闹舷⒛芰?lái)防治煤炭自燃與滅火，并將這三相作為一個(gè)有機(jī)的整體長(zhǎng)時(shí)間保留在采空區(qū)，充分發(fā)揮三相材料的防滅火功能。該技術(shù)特別適用于撲滅和防治采空區(qū)大面積火災(zāi)、防治大傾角俯采綜放采空區(qū)煤炭自燃、捕尋采空區(qū)高位和隱蔽火源等[13-16]。

圖4　三相泡沫制備流程圖

2.2綜合滅火系統(tǒng)

現(xiàn)場(chǎng)構(gòu)建包含灌注三相泡沫、注水、注漿等技術(shù)工藝的綜合滅火系統(tǒng)見(jiàn)圖5。綜合滅火系統(tǒng)包括制漿罐、輸送管路、閥門、泥漿泵、三相泡沫發(fā)生裝置以及附屬配件。注水時(shí)，只需打開(kāi)閥門2，關(guān)閉閥門1、3即可。注漿時(shí)，打開(kāi)閥門1，關(guān)閉閥門2、4，將篩分好的黃土以一定的添加速度添加到制漿罐中，通過(guò)電機(jī)攪拌制漿，再通過(guò)泥漿泵輸送到注漿管路。注三相泡沫時(shí)，打開(kāi)閥門1、4、5、6，關(guān)閉閥門2、3，泥漿經(jīng)注漿管路進(jìn)入三相泡沫專用管路，通過(guò)定量螺桿泵將發(fā)泡劑添加到漿液中，漿液與發(fā)泡劑經(jīng)混合器混合后進(jìn)入發(fā)泡器，在發(fā)泡器中接入氣源，氣體與含有發(fā)泡劑的黃泥漿相互作用產(chǎn)生三相泡沫，最后注入火區(qū)。

圖5　綜合滅火系統(tǒng)示意圖

3效果考察

為深入探索綜合滅火技術(shù)對(duì)三類高溫爆破鉆孔的滅火特性，了解滅火降溫過(guò)程中火區(qū)溫度演化規(guī)律，在東露天礦火區(qū)內(nèi)選取了火區(qū)上部的高溫爆破鉆孔、打穿火區(qū)的高溫爆破鉆孔、火區(qū)附近的高溫爆破鉆孔等三類鉆孔，將單一的注水法、注漿法的治理效果分別與綜合滅火技術(shù)的治理效果進(jìn)行對(duì)比，每4h記錄一組鉆孔最高溫度，并制成溫度下降曲線，見(jiàn)圖6～8。

圖6　火區(qū)上部的高溫爆破鉆孔最高溫度下降曲線

圖7　打穿火區(qū)的高溫爆破鉆孔最高溫度下降曲線

圖8　火區(qū)附近的高溫爆破鉆孔最高溫度下降曲線

從火區(qū)上部的高溫爆破鉆孔最高溫度下降曲線可以看出，起初階段三種方法都能起到一定的降溫作用，注漿法能夠堵塞鉆孔底部裂隙，并形成隔溫層，降溫效果好于注水，但是注水法和注漿法都不能將鉆孔下面的局部高位隱蔽火區(qū)熄滅，所以后期降溫不明顯，經(jīng)過(guò)一天治理，鉆孔溫度仍在130℃以上，不能安全爆破，而采用綜合滅火降溫技術(shù)時(shí)，三相泡沫能夠?qū)@孔下面的局部火區(qū)熄滅[17-18]，孔壁溫度也不斷下降，并堵塞裂隙，在鉆孔底部形成厚厚的隔溫層，鉆孔溫度快速下降至50℃以下。

從打穿火區(qū)的高溫爆破鉆孔最高溫度下降曲線可以看出，這類鉆孔溫度高達(dá)350℃以上，注水法和注漿法都只能熄滅局部低位火區(qū)，而綜合滅火降溫方法中的三相泡沫技術(shù)能夠快速有效的實(shí)現(xiàn)對(duì)大面積高位隱蔽火源的滅火降溫，所以注水法和注漿法經(jīng)過(guò)兩天的治理鉆孔溫度仍在100℃以上，綜合滅火降溫方法的鉆孔溫度降到了30℃以下。

從火區(qū)附近的高溫爆破鉆孔最高溫度下降曲線可以看出，以三相泡沫技術(shù)為主的綜合滅火方法對(duì)這類鉆孔降溫效果最快、最好。這類高溫爆破鉆孔較難治理，原因在于滅火介質(zhì)很難大量擴(kuò)散到火區(qū)，而且鉆孔孔壁上的裂隙較難封堵嚴(yán)實(shí)，所以采用注水、注漿法時(shí)效果不明顯，采用綜合滅火降溫方法時(shí)，大流量的三相泡沫通過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的灌注、增壓擴(kuò)散到火區(qū)，高溫鉆孔的溫度經(jīng)2d治理才降到50℃以下。

5結(jié)論

1)將露天礦火區(qū)高溫爆破鉆孔按照鉆孔溫度和孔底特性分為火區(qū)上部的爆破鉆孔、打穿火區(qū)的爆破鉆孔、火區(qū)附近的爆破鉆孔等三類。

2)針對(duì)火區(qū)上部的高溫爆破鉆孔的治理思路為先對(duì)孔底下面火區(qū)局部降溫后構(gòu)造隔溫層；針對(duì)打穿火區(qū)的高溫爆破鉆孔的治理思路是將孔底火區(qū)熄滅或在鉆孔附近重新布置不打穿火區(qū)的爆破鉆孔再進(jìn)行滅火降溫；針對(duì)火區(qū)附近的高溫爆破鉆孔主要治理思路是先對(duì)臨近圍巖和火區(qū)局部降溫后堵塞裂隙。

3)提出了以三相泡沫為主，注水、灌漿相結(jié)合的綜合防滅火技術(shù)，與注水法、注漿法相比，綜合防滅火技術(shù)通常能夠在1～2天時(shí)間內(nèi)將高溫爆破鉆孔內(nèi)的最高溫度降低到50℃以下，實(shí)現(xiàn)安全爆破，既快速、高效、徹底，又比單純依靠三相泡沫經(jīng)濟(jì)，所以對(duì)今后高溫爆破鉆孔的滅火降溫有重要的借鑒意義。

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Study on the fire-extinguishing technology for three types of blasting borehole in open-pit mine burning area

CAI Guang-qi1，ZHAO Yun-long2，ZHU Chao-bing3，SHEN Wei3，ZHANG Wei3，SHI Guang-yi3

(1.China National Coal Pingshuo Group Coporation Ltd.，Shuozhou 036006，China；2.The Twelfth Coal Pingdingshan Coal Mining Group，Pingdingshan 467000，China；3.School of Mineral and Safety Engineering，China University of Mining and Technology，Xuzhou 221008，China)

Abstract:It’s difficult to cool the high temperatureblasting borehole before stripping the overlying strata in the open-pit mine fire zone.According to the location distribution of blasting boreholes relative to the fire zone，the blasting boreholes can be classifiedas three types：blasting boreholes above the fire zone，blasting boreholes through the fire zone and blasting boreholes near the fire zone.Based on the different blasting boreholesdistribution，the appropriate fire-extinguishing method is applied.The comprehensive fire-extinguishing scheme is based on three phase foam，supplemented by water injection and grouting.Compared with water injection and grouting，the comprehensive fire-extinguishing technology control the fire zone efficiently.A firing zone of 150，000m2 in Donglutian was completely controlled and the safety production on schedule was ensured.

Key words：open-pit mine；blasting borehole;fire-extinguishing；three phase foam

收稿日期：2015-05-25

作者簡(jiǎn)介：蔡光琪(1977-)，男，湖北武漢人，學(xué)士，高級(jí)工程師，2000年畢業(yè)于中國(guó)礦業(yè)大學(xué)露天開(kāi)采專業(yè)，長(zhǎng)期從事露天礦開(kāi)采和露天礦生產(chǎn)、管理工作，現(xiàn)任中煤平朔集團(tuán)有限公司東露天礦總工程師。

中圖分類號(hào)：TD75

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1004-4051(2016)01-0169-04