我國金屬礦山熱動(dòng)力災(zāi)害防治技術(shù)研究現(xiàn)狀與展望

高懿偉 郭志國 張 俊 鄭彪華

(江西理工大學(xué)應(yīng)急管理與安全工程學(xué)院,江西 贛州 341000)

金屬礦產(chǎn)資源是一種重要的國家級(jí)戰(zhàn)略物資,在日常生活、基礎(chǔ)建設(shè)、國防工業(yè)和尖端技術(shù)等方面有廣泛的應(yīng)用。黨和政府一直高度重視金屬礦山安全開采,經(jīng)過多年對(duì)安全生產(chǎn)的資金投入、政策扶持以及加強(qiáng)安全監(jiān)管力度,我國金屬礦山安全生產(chǎn)水平已得到顯著提高,事故發(fā)生概率及死亡人數(shù)呈下降趨勢(shì)。但開采過程中熱動(dòng)力災(zāi)害時(shí)有發(fā)生,不僅造成大量人員傷亡、巨大經(jīng)濟(jì)損失,還會(huì)帶來惡劣的社會(huì)影響?？梢?金屬礦山熱動(dòng)力災(zāi)害防治技術(shù)的研究迫在眉睫。黨的十四五規(guī)劃中指出:“堅(jiān)持人民至上、生命至上,健全公共安全體制機(jī)制,嚴(yán)格落實(shí)公共安全責(zé)任和管理制度,保障人民生命安全”,“加強(qiáng)礦山深部開采與重大災(zāi)害防治等領(lǐng)域先進(jìn)技術(shù)裝備創(chuàng)新應(yīng)用”。為此,筆者首先確定了金屬礦山熱動(dòng)力災(zāi)害概念,歸納并提出金屬礦山熱動(dòng)力災(zāi)害的4 個(gè)特性,對(duì)金屬礦山熱動(dòng)力災(zāi)害理論與防治技術(shù)的研究成果進(jìn)行了整理和分析,指出現(xiàn)有研究存在的問題以及今后的發(fā)展方向,為金屬礦山熱動(dòng)力災(zāi)害科學(xué)防治提供依據(jù)和參考。

1 金屬礦山熱動(dòng)力災(zāi)害的概念與屬性

金屬礦山熱動(dòng)力災(zāi)害是指在特定的時(shí)間內(nèi),金屬礦山中蓄積的能量對(duì)人發(fā)生持續(xù)性或爆發(fā)性的不期望轉(zhuǎn)移,是多種復(fù)雜的、難以控制的熱力學(xué)現(xiàn)象導(dǎo)致的災(zāi)害總稱。經(jīng)大量查閱文獻(xiàn),筆者將金屬礦山熱動(dòng)力災(zāi)害分為兩類:外因?yàn)?zāi)害和內(nèi)因?yàn)?zāi)害?；谑鹿手乱蚶碚?主要由人的不安全行為引起的熱動(dòng)力災(zāi)害被認(rèn)定為外因?yàn)?zāi)害,主要由于物的不安全狀態(tài)導(dǎo)致的金屬礦山熱動(dòng)力災(zāi)害被歸為內(nèi)因?yàn)?zāi)害。外因?yàn)?zāi)害通常指的是外因火災(zāi),內(nèi)因?yàn)?zāi)害包括硫化礦自燃、硫化礦塵爆炸和礦井熱害三類。

2 金屬礦山熱動(dòng)力災(zāi)害特性

金屬礦山熱動(dòng)力災(zāi)害同時(shí)具有持久性和突發(fā)性。其中硫化礦自燃和礦井熱害具備持久性,而外因火災(zāi)與硫化礦塵爆炸具有突發(fā)性。各類災(zāi)害之間相互耦合作用,使金屬礦山熱動(dòng)力災(zāi)害具有4 種特性:難監(jiān)測(cè)性、關(guān)聯(lián)性、頻發(fā)性和污染性。

2.1 難監(jiān)測(cè)性

井下地質(zhì)環(huán)境結(jié)構(gòu)復(fù)雜,與地表有很大差異。熱動(dòng)力災(zāi)害在井下隨時(shí)可能發(fā)生,且發(fā)生地點(diǎn)不可預(yù)測(cè),需要準(zhǔn)確的監(jiān)測(cè)預(yù)警技術(shù)以及人員的規(guī)范操作來保證監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)正常運(yùn)行。監(jiān)測(cè)設(shè)備的放置與投入使用往往滯后于開采工作,因此從新的采空區(qū)出現(xiàn)到建立相應(yīng)監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)的這一段時(shí)間的熱動(dòng)力災(zāi)害監(jiān)測(cè)難度較大。另外,礦井下可能伴有SO2等有毒有害氣體從硫化礦體中溢出,當(dāng)人員進(jìn)行近距離檢測(cè)時(shí)存在吸入有毒氣體的風(fēng)險(xiǎn),嚴(yán)重者可能當(dāng)場(chǎng)窒息死亡,這給礦井安全成產(chǎn)造成極大困難。

2.2 關(guān)聯(lián)性

金屬礦山熱動(dòng)力災(zāi)害之間具有緊密的聯(lián)系。如圖1所示,外因火災(zāi)可以成為硫化礦自燃、硫化礦塵爆炸和礦井熱害的誘因。熱害會(huì)導(dǎo)致井下環(huán)境濕度上升,降低井下人員的工作舒適度,增加人員操作失誤的概率。井下局部堆礦區(qū)發(fā)生自燃或爆炸,熱量會(huì)以熱輻射和空氣熱傳導(dǎo)等方式傳遞到其他作業(yè)區(qū)域,加重其他區(qū)域的熱害。硫化礦自燃發(fā)生后,一旦形成密閉空間以及硫化礦塵云,則自燃的火焰可作為硫化礦塵爆炸的點(diǎn)火源。同時(shí),井下某區(qū)域發(fā)生硫化礦塵爆炸,可對(duì)周邊巖體產(chǎn)生機(jī)械力作用,加強(qiáng)硫化礦的化學(xué)活性[1],使其更容易發(fā)生自燃。

圖1 金屬礦山熱動(dòng)力災(zāi)害之間關(guān)系Fig.1 Relationship between thermodynamic hazards in metal mines

2.3 頻發(fā)性

井下環(huán)境條件復(fù)雜,溫度高、濕度大,部分機(jī)械開采作業(yè)會(huì)產(chǎn)生揚(yáng)塵以及對(duì)巖體的能量累積,各類熱動(dòng)力災(zāi)害發(fā)生的初始條件容易滿足,熱動(dòng)力災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)無處不在。井下特殊的環(huán)境會(huì)對(duì)人的心理和生理造成影響,增加人失誤的概率[2],提高熱動(dòng)力災(zāi)害發(fā)生的可能性。

2.4 污染性

我國約20%～30%的黃鐵礦和5%～10%的有色金屬或多金屬硫化物礦山具有硫化礦石自燃的潛力[3],這些硫化礦石發(fā)生自燃或爆炸時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量SO2等污染性有毒氣體以及大量金屬粉塵,在災(zāi)害發(fā)生后會(huì)立即或緩慢地排放到空氣中,進(jìn)入大氣循環(huán)和水循環(huán)等生態(tài)系統(tǒng),在周圍地區(qū)形成沉降,有的甚至?xí)练e到25 km 以外的地方[4],長此以往會(huì)對(duì)周邊水源和土壤造成嚴(yán)重污染。

3 金屬礦山熱動(dòng)力災(zāi)害理論研究現(xiàn)狀

3.1 硫化礦自燃

硫化礦石自燃是一個(gè)復(fù)雜的非穩(wěn)態(tài)的混沌演化過程[5]。目前研究對(duì)于硫化礦石自燃機(jī)理主要有4種解釋:物理吸附機(jī)理、熱化學(xué)機(jī)理、電化學(xué)機(jī)理、微生物作用機(jī)理[6-7]。

(1)物理吸附機(jī)理。當(dāng)硫化礦塊破碎且與空氣接觸時(shí),硫礦石表面最先發(fā)生對(duì)氧氣的物理吸附作用,同時(shí)釋放出少量的吸附熱。物理吸附普遍作用于礦塊表面,其吸附速度較快,且伴隨著逆作用。物理吸附不能夠產(chǎn)生大量熱量,聚熱過程較為緩慢。但其為化學(xué)熱作用提供了條件。

(2)熱化學(xué)機(jī)理。熱化學(xué)機(jī)理認(rèn)為硫化礦石與空氣接觸時(shí),其內(nèi)部的金屬硫化物與空氣中的氧氣和水發(fā)生反應(yīng),并伴有放熱現(xiàn)象。在實(shí)際情況中,硫鐵礦石更容易自燃。其反應(yīng)過程復(fù)雜且受環(huán)境濕度影響很大。濕度較大的環(huán)境下,硫鐵礦更容易集熱發(fā)生自燃。

(3)電化學(xué)機(jī)理。在井下潮濕且富氧的條件下,硫化礦石的表面水層與空氣中的水蒸氣產(chǎn)生電位差,兩者形成一個(gè)電極系統(tǒng)[6]。隨著電化學(xué)反映的進(jìn)行,電能和熱能積聚,從而引發(fā)硫化礦自燃。

(4)微生物作用機(jī)理。處于斷層破碎帶的氧化礦石中,微生物含量極高,這些微生物與礦粒發(fā)生大量接觸。微生物通過自身分泌的EPS 作為反應(yīng)溶液,在溶液中Fe3+與礦粒反應(yīng)生成Fe2+和硫代硫酸鹽。微生物再通過自養(yǎng)作用菌T.f與L.f將Fe2+氧化成Fe3+,之后T.f和T.t再將硫代硫酸鹽分解產(chǎn)生的硫氧化為硫酸鹽[8]。

3.2 硫化礦塵爆炸

宏觀上硫化礦塵爆炸條件與粉塵爆炸條件類似,根據(jù)粉塵爆炸五邊形理論[9],硫化礦塵爆炸必須同時(shí)滿足5 個(gè)條件:① 點(diǎn)火源;② 氧化劑;③ 密閉空間;④ 硫化礦塵;⑤ 粉塵云狀態(tài)。從微觀角度上主要有3 種機(jī)理被大部分學(xué)者認(rèn)可[10]。

(1)氣相爆炸機(jī)理。硫化礦塵通過熱輻射、熱對(duì)流等方式從外界獲得引爆能量,當(dāng)?shù)V塵顆粒表面溫度達(dá)到熱分解溫度時(shí),礦塵顆粒迅速分解,從固相轉(zhuǎn)化為氣相。分解產(chǎn)生的氣體與空氣混合發(fā)生反應(yīng),釋放反應(yīng)熱并產(chǎn)生火焰。反應(yīng)熱進(jìn)一步促進(jìn)礦塵分解,形成鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。

(2)表面非均相爆炸機(jī)理。該機(jī)理認(rèn)為硫化礦塵著火過程分為3 個(gè)階段:空氣中氧氣與硫化礦塵顆粒表面發(fā)生氧化反應(yīng),進(jìn)而產(chǎn)生燃燒;燃燒產(chǎn)生的揮發(fā)分環(huán)繞在礦塵顆粒四周形成氣相層,阻止了氧氣向外部擴(kuò)散;最后,揮發(fā)分發(fā)生燃燒,促使粉塵顆粒接連燃燒。

(3)爆炸性混合物爆炸機(jī)理。該機(jī)理認(rèn)為可燃性氣體存在于礦塵自身中間,故也可以將其看作為爆炸性混合物爆炸。一旦爆炸性混合物與點(diǎn)火源相接觸,便會(huì)在這一點(diǎn)產(chǎn)生原子或自由基。以這一點(diǎn)為連鎖反應(yīng)的作用中心,爆炸熱從內(nèi)向外傳遞促使臨近層的爆炸混合物發(fā)生化學(xué)反應(yīng),接著又為更外一層提供熱能,從而產(chǎn)生連鎖爆炸反應(yīng)。

另外,硫化礦塵爆炸的條件參數(shù)如最小點(diǎn)火能、最大爆炸壓力和硫化礦塵云爆炸濃度下限等都對(duì)爆炸程度有著重要影響,有不少學(xué)者對(duì)這些條件進(jìn)行了研究。例如,田長順等[11]建立了縮核—揮發(fā)分爆炸反應(yīng)過程機(jī)理模型,提出了專用于金屬硫化礦塵爆炸反應(yīng)過程機(jī)理模型的方程式。饒運(yùn)章等[12]測(cè)試了不同硫含量、粒徑和濃度的金屬硫化礦塵爆炸時(shí)的爆炸壓力和最低爆炸濃度,得出硫化礦塵爆炸壓力等級(jí)為St1 級(jí),以及3 種變量對(duì)爆炸壓力和最低爆炸濃度的影響規(guī)律。

3.3 外因火災(zāi)

外因火災(zāi)是指由于明火、電器設(shè)備短路、機(jī)械摩擦生熱以及高溫火花等外在原因造成的不可控的燃燒現(xiàn)象。隨著井下開采機(jī)械化程度的提高,外因火災(zāi)發(fā)生概率也隨之增大。外因火災(zāi)的發(fā)生通常是由于人員的違規(guī)操作、失誤行為以及管理不到位造成的,工人未經(jīng)專業(yè)操作培訓(xùn)、無證上崗、安全意識(shí)不高、疲勞作業(yè)導(dǎo)致注意力不集中;管理人員擅自離崗或?qū)ΜF(xiàn)場(chǎng)情況和規(guī)章制度不了解;雜物隨意堆放未及時(shí)處理,消防設(shè)施裝備滯后,未對(duì)機(jī)械設(shè)備以及皮帶裝置進(jìn)行定期維護(hù)等都會(huì)增加井下外因火災(zāi)的風(fēng)險(xiǎn)。

火災(zāi)發(fā)生時(shí),煙氣會(huì)通過巷道迅速傳播至整個(gè)通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)。在煙流運(yùn)移規(guī)律研究方面,王樹剛、周心權(quán)等[13-14]分別提出了煙流滾退距離的函數(shù)關(guān)系和一種更切于實(shí)際的火風(fēng)壓計(jì)算公式。也有學(xué)者通過數(shù)值模擬軟件探究煙流運(yùn)移影響因素,賈靜、李宗翔等[15-16]分別利用TF1M3D 軟件與COMSOL 軟件,得出在下行風(fēng)流火災(zāi)時(shí)期火風(fēng)壓、火區(qū)熱阻力以及風(fēng)流的變化規(guī)律和不同因素下的臨界風(fēng)速。

3.4 礦井熱害

當(dāng)前礦井熱害熱源較為明了,主要有圍巖散熱、空氣自壓縮熱和機(jī)械設(shè)備放熱以及其他熱源。

(1)圍巖散熱。井下圍巖可釋放出大量熱量[17],占所有熱源放熱量的40% ～50%[18]。由表1 可見[19],隨著開采深度的增加,圍巖溫度也隨之上升。

表1 中國礦井按溫度分類Table 1 Classification of mines by temperature in China

圍巖散熱通過對(duì)井下空氣熱傳導(dǎo)作用,對(duì)其進(jìn)行加熱,主要分為2 種方式:巖體直接導(dǎo)熱與涌水散熱。只要有新的采空區(qū)出現(xiàn),巖體就會(huì)對(duì)氣流進(jìn)行持續(xù)的加熱作用,直至氣流與巖體溫度一致。

(2)空氣壓縮熱。井外空氣進(jìn)入井內(nèi)后由于氣體自身重力作用,形成由井口到井下方向的氣流,氣流運(yùn)動(dòng)過程中與礦體發(fā)生摩擦,并最終轉(zhuǎn)變?yōu)殪?。氣流向礦底部運(yùn)動(dòng)的過程中會(huì)產(chǎn)生壓力值的變化,影響環(huán)境溫度。深井內(nèi)每向下100 m,風(fēng)流壓縮升溫約1 ℃[20]。

(3)機(jī)械設(shè)備放熱。機(jī)械設(shè)備放熱來源于井下各種機(jī)械設(shè)備工作運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)總理論能量減去有效能量所余出的熱能。隨著采礦技術(shù)的現(xiàn)代化與智能化,更多的機(jī)械設(shè)備被投放到深井作業(yè)中使用,隨之也使得機(jī)械設(shè)備放熱比例增大。

(4)其他熱源。井下的其他熱源包括礦石氧化放熱、開采時(shí)的爆破放熱以及人體放熱等。氧化放熱在金屬礦山中隨著深度的增加放熱量占比逐漸上升。爆破放熱多是瞬時(shí)性的,非持續(xù)性的放熱形式,與人體放熱等其他熱源放熱占比較少。

4 金屬礦山熱動(dòng)力災(zāi)害防治技術(shù)研究現(xiàn)狀

4.1 硫化礦自燃

硫化礦石初期的氧化較為緩慢,而中后期的氧化升溫速率較高[7],采取措施將極其困難。故監(jiān)測(cè)預(yù)警技術(shù)研究較多,較少關(guān)于防滅火方面的技術(shù)。

(1)自燃傾向性評(píng)價(jià)法。自燃傾向性評(píng)價(jià)法通過對(duì)礦樣的幾項(xiàng)特定指標(biāo)參數(shù)綜合權(quán)重,分析得到其自燃傾向?qū)傩?對(duì)后續(xù)的自燃防治工作具有指導(dǎo)作用。但是該類評(píng)價(jià)方法只能將礦樣移至實(shí)驗(yàn)室操作,無法快速地在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行評(píng)價(jià)。目前我國學(xué)者對(duì)于自燃傾向性評(píng)價(jià)的方法較為豐富,其判別指標(biāo)也各有不同。潘偉等[21-22]利用最大Lyapunov 指數(shù)對(duì)硫化礦石自燃傾向性進(jìn)行定性判斷。李志超等[23]提出硫化礦石自燃傾向性分級(jí)的RS-標(biāo)準(zhǔn)云模型。陽富強(qiáng)等[24]運(yùn)用正態(tài)云模型結(jié)合熵權(quán)法對(duì)自燃傾向性等級(jí)進(jìn)行劃分。韓梓晴等[25]對(duì)指標(biāo)權(quán)重信息構(gòu)造偏序矩陣,得出硫化礦石自燃傾向性偏序集模型。

(2)紅外測(cè)溫技術(shù)。紅外測(cè)溫技術(shù)具有使用方便、快速、準(zhǔn)確、非接觸、可操作性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),是自燃火災(zāi)探測(cè)應(yīng)用的趨勢(shì)。受發(fā)射率等因素的影響,紅外測(cè)溫技術(shù)的精度有待提高,相關(guān)學(xué)者對(duì)此做了大量研究。李珞銘等[26]分析了影響測(cè)溫準(zhǔn)度的因素,得出硫化礦堆自熱時(shí)受環(huán)境影響較大。李孜軍等[27]將粉塵濃度引入影響因子當(dāng)中,建立了距離、角度和粉塵濃度的回歸方程。石東平等[28]提出了一種無需發(fā)射率測(cè)量的三波段測(cè)溫方法,避免了發(fā)射率帶來的測(cè)量誤差。也有學(xué)者對(duì)礦石自熱起始溫度進(jìn)行探究,Jin等[29]利用Hurst 指數(shù)判斷硫化礦石的自熱起始溫度。該研究結(jié)合以上紅外測(cè)溫技術(shù)可以對(duì)硫化礦石自燃災(zāi)害做出更準(zhǔn)確的判斷。

(3)微生物脫硫技術(shù)。硫化礦石中的硫含量是決定硫化礦石能否自燃的關(guān)鍵[30],利用微生物脫硫技術(shù)降低硫化礦石中的硫含量可以有效抑制硫化礦自燃。Pan 等[31]通過添加表面活性劑改善了硫化礦生物浸出,加強(qiáng)了微生物的脫硫作用。Tang 等[32]通過Plackett-Burman 實(shí)驗(yàn)從6 個(gè)影響生物浸出率的因素中篩選出3 個(gè)影響最強(qiáng)的,并且對(duì)這3 個(gè)因素的交互影響進(jìn)行優(yōu)化,得到了最佳脫硫方法。還有學(xué)者利用超聲波處理對(duì)微生物脫硫過程進(jìn)行優(yōu)化[33],在一定條件下可以顯著提高對(duì)小粒徑礦石的脫硫率。

(4)化學(xué)泡沫阻化劑技術(shù)。與注水、灌泥漿等方法類似,化學(xué)泡沫阻燃技術(shù)屬于隔離滅火方法中的一種,利用物理隔絕與化學(xué)反應(yīng)雙重效果抑制硫化礦石自燃。但前者缺點(diǎn)明顯,滅火效果不佳,還可能造成拉鉤現(xiàn)象?；瘜W(xué)阻化泡沫具有效果穩(wěn)定、粘性好等特點(diǎn),是今后發(fā)展新型阻化劑的趨勢(shì)。李孜軍等[34-35]先后提出了氯化鎂微膠囊泡沫阻化劑和以硫酸鋁、碳酸氫鈉、三氯化鐵和植物水解蛋白為原料的化學(xué)泡沫阻化劑,都具有較好的阻化性。

4.2 硫化礦塵爆炸

硫化礦塵爆炸防治技術(shù)可分為爆炸之前的預(yù)防預(yù)測(cè)措施與爆炸發(fā)生后的結(jié)構(gòu)防護(hù)措施。由于井下環(huán)境條件限制以及硫化礦石爆炸會(huì)產(chǎn)生大量SO2氣體等特殊性[36],采取爆炸發(fā)生之后的結(jié)構(gòu)防護(hù)措施難以實(shí)現(xiàn),所以重點(diǎn)是在爆炸之前的預(yù)防預(yù)測(cè)技術(shù)。而目前我國關(guān)于這方面的研究有限,值得學(xué)者進(jìn)一步探究。

(1)采用合理的通風(fēng)系統(tǒng)。降低浮沉與硫化礦塵堆積的可能性,無法形成粉塵云,就不可能形成爆炸。出現(xiàn)通風(fēng)死角,立刻采取局部通風(fēng)等措施進(jìn)行消除,避免出現(xiàn)局部密閉空間。使硫化礦塵較多的巷道保持合適的風(fēng)量,應(yīng)滿足《冶金礦山安全規(guī)程(井下礦山)》規(guī)定的粉塵濃度:使作業(yè)地點(diǎn)空氣含塵量小于2 mg/m3、作業(yè)區(qū)空氣含塵量小于10 g/m3?？刂七M(jìn)風(fēng)空氣的質(zhì)量,入風(fēng)井巷和采掘工作面進(jìn)風(fēng)風(fēng)源的粉塵濃度應(yīng)小于0.5 mg/m3,空氣溫度不高于28 ℃[37]。

(2)采用濕式鑿巖。在出礦時(shí)對(duì)礦石以及巷道內(nèi)壁進(jìn)行灑水降塵,防止粉塵云的產(chǎn)生以及二次飛揚(yáng)[9],降低空氣中硫化礦塵的濃度,使其保持在爆炸下限濃度以下。灑水降塵具有方法簡單,經(jīng)濟(jì)實(shí)惠,效率高且無污染等優(yōu)點(diǎn),同時(shí)也能降低井下溫度[38]。同時(shí)要避免留礦時(shí)間過長,做到及時(shí)出礦,阻止硫化礦石黏結(jié)而形成礦堆空洞。

(3)消除點(diǎn)火源。任何明火、電火花、撞擊、劇烈摩擦、高溫自燃等都可能作為點(diǎn)火源。嚴(yán)禁在井下吸煙以及將打火機(jī)等火源帶入作業(yè)場(chǎng)所。在高爆炸危險(xiǎn)區(qū)域的作業(yè)應(yīng)采用防爆的設(shè)備,加強(qiáng)機(jī)械設(shè)備的定期檢查與維修,避免設(shè)備因機(jī)械故障而產(chǎn)生高溫或者電火花。維修設(shè)備時(shí)采取不會(huì)產(chǎn)生火花的防爆工具。

(4)降低氧氣含量。使用惰性氣體(如二氧化碳[39]、氮?dú)獾?對(duì)井下環(huán)境進(jìn)行填充。或使井下環(huán)境處于負(fù)壓狀態(tài),抽離其中的空氣,使其無法形成爆炸。但以上2 種措施在井下作業(yè)中均無法實(shí)現(xiàn),因?yàn)榫鹿ぷ餍枰o人通以充足的氧氣且要保證井下通風(fēng)系統(tǒng)實(shí)時(shí)工作。

(5)硫化礦塵濃度監(jiān)測(cè)。實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)硫化礦塵濃度可以在形成爆炸的危險(xiǎn)之前作出有效防范措施,可以預(yù)防硫化礦塵的爆炸。傳統(tǒng)的測(cè)塵儀需要收集現(xiàn)場(chǎng)粉塵,不方便測(cè)量,無法做到實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),且?guī)щ?具有引燃的危險(xiǎn)性。新型粉塵濃度監(jiān)測(cè)儀器可發(fā)揮巨大作用。丁云峰等[40]提出一種基于光纖光柵和光纖準(zhǔn)直器的新型測(cè)量技術(shù),能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)井下硫化礦塵濃度,可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離不帶電作業(yè)。

(6)使用抑爆劑。在爆炸危險(xiǎn)度高的作業(yè)區(qū),將石灰及惰性巖石粉等或凝膠干粉型抑爆劑覆蓋到礦體表面,可減少粉塵的產(chǎn)生以及減緩礦石氧化速度。合理地使用抑爆劑能阻止火焰的傳播以及形成爆炸的危險(xiǎn)[41]。

4.3 外因火災(zāi)

外因火災(zāi)方面,我國學(xué)者主要從火災(zāi)監(jiān)測(cè)、細(xì)水霧防滅火技術(shù)和煙氣防治技術(shù)3 個(gè)方面進(jìn)行研究。

(1)火災(zāi)監(jiān)測(cè)技術(shù)。由于外因火災(zāi)具有突發(fā)性和不可預(yù)測(cè)性,在井下環(huán)境中預(yù)防外因火災(zāi)極其困難,所以火災(zāi)發(fā)生初期的防滅火技術(shù)顯得尤為重要。在火災(zāi)發(fā)生的初期,燃燒產(chǎn)生的火焰具有光學(xué)特征以及產(chǎn)生溫度場(chǎng)、熱輻射等,利用這些性質(zhì),對(duì)火焰進(jìn)行判斷、報(bào)警與遏制,可有效減少外因火災(zāi)帶來的損失。解學(xué)才等[42]采用氣體指標(biāo)分析、光纖溫度傳感以及紅外圖像技術(shù)結(jié)合建立了礦井火災(zāi)事故預(yù)警系統(tǒng)。孫繼平等[43-44]先后提出了利用可見光雙目攝像機(jī)與紅外雙目攝像機(jī)結(jié)合溫度、氣體等參數(shù)對(duì)火災(zāi)進(jìn)行預(yù)警監(jiān)測(cè),同時(shí)雙目攝像機(jī)具有判定火源位置的功能;利用紫外攝像機(jī)對(duì)電火花和火焰的圖像進(jìn)行判別和報(bào)警。

(2)細(xì)水霧防滅火技術(shù)。細(xì)水霧是經(jīng)由特殊的噴嘴以及壓力產(chǎn)生的微小水珠,其冷卻性能好,在遇熱汽化過程中可在局部占有較大體積分?jǐn)?shù)從而降低局部氧氣體積占比,也可削弱熱輻射,附著于燃燒物體表面起到隔絕作用[45]。劉紅威[46]將氮?dú)獾亩杌饔门c細(xì)水霧的滅火作用相結(jié)合,提出了氮?dú)狻?xì)水霧兩相流防滅火技術(shù)。李小然[47]提出了帶有非離子添加劑的細(xì)水霧防滅火技術(shù),能有效削減燃燒反應(yīng)的劇烈程度。Sun 等[48]建立隧道模型,分析了細(xì)水霧以及縱向通風(fēng)對(duì)于火源的平均流場(chǎng)與溫度場(chǎng)的影響。岳寧芳等[49]利用FDS 軟件構(gòu)建運(yùn)輸巷膠帶蔓延火災(zāi)模型,得出細(xì)水霧對(duì)火災(zāi)有冷卻作用,對(duì)高溫?zé)煔鈹U(kuò)散有阻擋作用。

(3)煙氣防治技術(shù)。礦井工作環(huán)境與外界相對(duì)隔離,屬于受限空間,一旦發(fā)生火災(zāi),煙氣會(huì)迅速填充整個(gè)空間,致使人員窒息以及設(shè)備損壞。有效控制煙氣走向可減少傷亡,降低經(jīng)濟(jì)損失,也為救援工作的展開提供便利。王凱等[50]建立了多組可遠(yuǎn)程控制監(jiān)控的風(fēng)門,通過控制風(fēng)門組的開閉狀態(tài)可阻止煙氣進(jìn)入采區(qū)人員密集地帶。郭軍等[51]研究煙氣的時(shí)空變化規(guī)律,對(duì)火災(zāi)救援行動(dòng)中的危險(xiǎn)區(qū)域進(jìn)行劃分。有學(xué)者結(jié)合智能化調(diào)控與多源冗余技術(shù)提出了分布式聯(lián)動(dòng)遠(yuǎn)程控制通風(fēng)系統(tǒng)[52],該應(yīng)用中的智能監(jiān)控調(diào)節(jié)模塊是未來煙氣防治技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)。

4.4 礦井熱害

井下發(fā)生熱害時(shí),需要通過改善通風(fēng)來降低溫度,當(dāng)通風(fēng)降溫?zé)o法保證舒適的溫度時(shí),需采取人工制冷技術(shù)。

(1)通風(fēng)降溫技術(shù)。通風(fēng)降溫方法具有經(jīng)濟(jì)、簡單、高效等優(yōu)點(diǎn),通過改善局部風(fēng)量分配以及整體風(fēng)量大小來降低工作環(huán)境溫度,此方法大多需運(yùn)用到模擬軟件。Zhou 等[53]經(jīng)過模擬得出雙管道通風(fēng)相較于單管道通風(fēng)在溫度均勻性和局部風(fēng)速等方面更具有優(yōu)勢(shì),且在增加井下作業(yè)舒適度的同時(shí)減少了降溫成本。程力等[54]提出了一種新型移動(dòng)式通風(fēng)降溫除塵技術(shù),含有除塵、除濕和制冷3 個(gè)機(jī)組,通過局部通低溫空氣將某礦井一分段巷作業(yè)面和穿脈口的溫度分別降低4.17 ℃和3.12 ℃。Huang 等[55]對(duì)長距離巷道采用分段通風(fēng),經(jīng)過模擬得出不同區(qū)域采用獨(dú)特通風(fēng)方式的最佳方案。汪仁建等[56]通過擬新建聯(lián)絡(luò)風(fēng)井,增加額外主扇等方式優(yōu)化大柳行金礦奄口礦區(qū)的通風(fēng)系統(tǒng),增加通風(fēng)量,模擬后期降溫效果可達(dá)到17.5 ℃。

(2)人工制冷技術(shù)。人工制冷技術(shù)利用熱力學(xué)中的逆卡諾循環(huán),使得能量流向高溫物體,具有制冷能力強(qiáng)、降溫效果明顯等優(yōu)點(diǎn),常用于治理較為嚴(yán)重的礦井熱害。主要包括傳統(tǒng)的制冷水降溫、制冰降溫技術(shù),例如賈敏濤等[57]通過金屬礦山深部掘進(jìn)巷道熱交換模擬測(cè)試平臺(tái)模擬巷道流場(chǎng)、溫度場(chǎng)及濕度場(chǎng)的變化規(guī)律,研究了制冷降溫系統(tǒng)的匹配優(yōu)化和冷量在工作面的配送方式對(duì)降溫效果的影響因素等。亓玉棟[58]提出了有效冷負(fù)荷和固定冷負(fù)荷等概念,分析了礦井空調(diào)負(fù)荷的構(gòu)成并給出了計(jì)算公式。除了制冷水制冰降溫技術(shù)之外,也有熱泵、熱管等新興理論出現(xiàn),具有很廣闊的應(yīng)用前景。朱海亮等[59]提出了能夠高效制冷和遠(yuǎn)距離傳熱的熱泵與動(dòng)力熱管復(fù)合系統(tǒng)。侯江麗等[60]提出了一種利用集熱管提取填土的熱量并將熱量置換到冷卻水中的集熱降溫系統(tǒng)。

5 金屬礦山熱動(dòng)力災(zāi)害防治技術(shù)研究展望

5.1 熱動(dòng)力災(zāi)害耦合孕災(zāi)機(jī)理與次生衍生災(zāi)害誘發(fā)機(jī)制研究

當(dāng)前各種金屬礦山熱動(dòng)力災(zāi)害之間的耦合作用孕災(zāi)機(jī)理尚未明晰,次生衍生災(zāi)害的誘導(dǎo)機(jī)制仍不明確,缺少具有普適性的基礎(chǔ)理論,無法為耦合災(zāi)害防治技術(shù)與次生衍生災(zāi)害防治技術(shù)提供可靠的理論參考和方向指導(dǎo)。因此應(yīng)該深入研究各熱動(dòng)力災(zāi)害之間的耦合孕災(zāi)機(jī)理與反應(yīng)過程,分析微觀與宏觀兩個(gè)視角下各災(zāi)害互相作為引導(dǎo)因子的作用機(jī)制,探明次生衍生災(zāi)害中的關(guān)鍵前后因果關(guān)系,結(jié)合真實(shí)次生衍生災(zāi)害事故過程,通過仿真模擬等技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步解析各災(zāi)害之間的銜接過程,構(gòu)建次生衍生災(zāi)害基礎(chǔ)理論研究體系。

5.2 金屬礦山熱動(dòng)力災(zāi)害智能精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)監(jiān)控平臺(tái)開發(fā)

受井下環(huán)境限制,實(shí)現(xiàn)傳感器與監(jiān)測(cè)裝置的零死角放置仍存在困難,而熱動(dòng)力災(zāi)害形成初期的監(jiān)測(cè)監(jiān)控極為重要;受氣體與溫度環(huán)境以及其他因素的影響,監(jiān)測(cè)器測(cè)量精度會(huì)有所下降,捕獲到錯(cuò)誤信號(hào)可能造成誤判以及漏判;近距離檢測(cè)不但效率低,對(duì)進(jìn)行檢測(cè)作業(yè)人員的人身安全也有一定威脅。因此應(yīng)當(dāng)重點(diǎn)研究具備監(jiān)測(cè)區(qū)域廣、捕獲能力強(qiáng)、響應(yīng)速度快,可遠(yuǎn)程操控的金屬礦山熱動(dòng)力災(zāi)害智能監(jiān)測(cè)監(jiān)控技術(shù),發(fā)展智能傳感器自動(dòng)響應(yīng)技術(shù),開發(fā)集成化的金屬礦山熱動(dòng)力災(zāi)害智能精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)監(jiān)控平臺(tái),推動(dòng)少人化或無人化的監(jiān)測(cè)監(jiān)控工作模式。

5.3 金屬礦山熱動(dòng)力災(zāi)害“全面—高效—協(xié)同”應(yīng)急管理體系構(gòu)建

金屬礦山熱動(dòng)力災(zāi)害常伴有嚴(yán)重性與污染性,一旦發(fā)生次生衍生災(zāi)害事故,其破壞力較強(qiáng),對(duì)人員和設(shè)備造成巨大傷害,爆發(fā)性的初階段災(zāi)害結(jié)束后伴有后續(xù)的污染性災(zāi)害對(duì)災(zāi)后的應(yīng)急救援行動(dòng)造成極大困難;應(yīng)急救援的通信聯(lián)絡(luò)問題存在技術(shù)難點(diǎn);災(zāi)害的嚴(yán)重程度與區(qū)域分布伴隨不可預(yù)測(cè)性和隨機(jī)性,這就要求應(yīng)急救援體系具備在各種災(zāi)害疊加的隨機(jī)條件下能夠快速地做出應(yīng)急響應(yīng)的能力。因此應(yīng)當(dāng)大力開展防災(zāi)減災(zāi)技術(shù)的開發(fā),促進(jìn)高效阻斷災(zāi)害連鎖反應(yīng)技術(shù)的創(chuàng)新,為應(yīng)急救援工作的開展提供便利;建立全面、高效、協(xié)同的應(yīng)急管理體系,形成反應(yīng)靈敏、上下聯(lián)動(dòng)的應(yīng)急管理體制,提高應(yīng)急救援的精準(zhǔn)定位能力與極端環(huán)境下的通信保障能力。

5.4 深部金屬礦山熱動(dòng)力災(zāi)害復(fù)雜致災(zāi)理論與綜合防控技術(shù)探究

隨著淺部金屬資源因大量開采而逐漸減少甚至枯竭,深部開采已成為趨勢(shì)。據(jù)統(tǒng)計(jì),我國開采深度達(dá)到或超過1 000 m 的金屬礦山已達(dá) 16 座[61]。相較于淺部開采環(huán)境,深部的各類熱動(dòng)力災(zāi)害致災(zāi)機(jī)理更為復(fù)雜,災(zāi)害演化性質(zhì)與組成有所不同,所處環(huán)境更容易引發(fā)熱動(dòng)力災(zāi)害,而針對(duì)于深部熱動(dòng)力災(zāi)害的致災(zāi)理論與防治技術(shù)研究較少。鑒于此,應(yīng)當(dāng)進(jìn)一步明晰在深部高地應(yīng)力、高環(huán)境溫度、強(qiáng)擾動(dòng)等復(fù)雜環(huán)境下熱動(dòng)力災(zāi)害形成與發(fā)展的機(jī)制,探究在熱、流、固等多場(chǎng)耦合作用下熱動(dòng)力災(zāi)害的動(dòng)力學(xué)演化過程;在現(xiàn)有淺層熱動(dòng)力災(zāi)害防治技術(shù)與裝備的基礎(chǔ)上,結(jié)合不同礦區(qū)特有的環(huán)境條件,從個(gè)體防護(hù)以及災(zāi)害防治等角度開發(fā)金屬礦山熱動(dòng)力災(zāi)害綜合防控技術(shù)。

6 結(jié) 語

(1)金屬礦山熱動(dòng)力災(zāi)害事故發(fā)生頻率較高,重特大事故時(shí)有發(fā)生,帶來人員傷亡以及巨大財(cái)產(chǎn)損失,是不容忽略的嚴(yán)重性較高的災(zāi)害。

(2)金屬礦山熱動(dòng)力災(zāi)害孕災(zāi)過程復(fù)雜多變,其防治技術(shù)的研究涉及多學(xué)科交叉融合,是我國金屬礦山安全生產(chǎn)亟待解決的重點(diǎn)問題之一。

(3)在“十四五”期間,為提高金屬礦山熱動(dòng)力災(zāi)害防治能力,應(yīng)堅(jiān)持創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展,努力實(shí)現(xiàn)金屬礦山熱動(dòng)力災(zāi)害致災(zāi)機(jī)理研究的突破,在金屬礦山熱動(dòng)力災(zāi)害智能精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)平臺(tái)方面取得創(chuàng)新性成果,推動(dòng)應(yīng)急救援體系的進(jìn)一步完善,加強(qiáng)深部熱動(dòng)力災(zāi)害復(fù)雜致災(zāi)理論與綜合防控技術(shù)的研究。