普瑞特防滅火材料在米泉三道壩火區(qū)的應用*

張文強,包興東

(1.新疆煤田滅火工程局,新疆 烏魯木齊 830063;2.新疆維吾爾自治區(qū)礦山安全服務保障中心,新疆 烏魯木齊 830063)

0 引言

煤炭自燃火災危及人員生命、損毀機電設備和耗費國家資源,嚴重影響著礦井的安全和持續(xù)生產[1-3],為防治礦井煤自燃災害,國內外學者提出灌漿、注惰氣、使用凝膠和阻化劑等多種防滅火技術[4],當前國內外煤田火區(qū)治理技術還是以剝離、鉆探、注水、注漿、覆蓋和植被恢復為主[5-6],其中注水的好壞對煤田火區(qū)治理起到決定性的作用。注水是通過地表、魚鱗坑、裂隙、鉆孔向高溫的煤巖體注水,水與高溫體反應使水汽化吸熱,從而熄滅火源和降低煤巖體的溫度,達到治理火區(qū)的目的。實際施工過程中,一般采用地面鉆孔直接灌水,但水在破碎煤體內一般會迅速垂直向下流動[7],橫向擴散半徑很小,單個鉆孔注水范圍有限,水的降溫效率極低,由于水沒有堆積性,因此在采空區(qū)、燒空區(qū)頂部無法進行注水降溫。為了提高水的滅火利用效率,當前煤田滅火主要采用兩相泡沫降溫,大幅度提高水的擴散性能,單個鉆孔的治理范圍在一定程度得到了提高。但是在實際的應用中也存在一些局限性,一是兩相泡沫受熱失水速度快,堆積效果較差,治理區(qū)域溫度容易反彈,給施工組織銜接帶來較大壓力;二是兩相泡沫注入到特高溫火區(qū)時,瞬時受熱蒸發(fā)大量水蒸氣,呈現水蒸氣物理爆炸動力現象,存在一定的安全隱患。為了解決以上問題,在新疆米泉三道壩煤田火區(qū)的施工治理中應用了普瑞特防滅火材料,普瑞特防滅火技術集氮氣、凝膠、三相泡沫、阻化劑等防滅火技術優(yōu)點于一體[8],具備立體擴散性、熱穩(wěn)定性和較好保水性等性能。切實提高水的降溫滅火利用效率,該材料對以后煤田火區(qū)內的采空區(qū)、燒空區(qū)、裂隙發(fā)育區(qū)和塌陷區(qū)等地注水降溫具有較好的效果,在煤田火區(qū)治理中將起到巨大作用。

1 火區(qū)概況

新疆的米泉三道壩煤田火區(qū)西距烏魯木齊市約34 km,行政區(qū)劃屬烏魯木齊市米東區(qū)管轄,交通極為便利?；饏^(qū)內僅出露中侏羅統(tǒng)西山窯組(J2x)和第四系(Q)地層,火區(qū)位于八道灣向斜南翼,向北西傾斜的單斜構造,地層傾角79°～80°,含煤9層,火區(qū)燃燒煤層5層分別為39號、41號、42號、43號和45號煤層,屬于煤層群燃燒。煤層為急傾斜(傾角79°～81°)、特厚煤層(43號、45號煤層最大厚度分別為46.78 m、39.6 m),煤層間距小(3.5～7.5 m),煤層為易自燃的長焰煤,發(fā)火期3～5個月,煤礦采用倉儲式開采,回采率低,在+767 m水平采空區(qū)內遺煤曾發(fā)生自燃,雖采取防滅火措施,但未能徹底治理,經長期開采后,造成地表大范圍塌陷,地表共有塌陷坑18處,如圖1所示,主要集中在火區(qū)的中部和東部,塌陷坑周圍10 m范圍內裂隙較發(fā)育,形成連續(xù)供氧通道,加速火區(qū)燃燒?；饏^(qū)東西走向長約2 790 m,南北寬80～260 m,火區(qū)總面積為599 225 m2,最深燃燒底界為+665 m水平,最大燃燒深度為191 m,火區(qū)沿煤層露頭呈條帶狀展布。火區(qū)年損失煤炭資源儲量為27.22萬t,受威脅的煤炭資源儲量達1 957萬t。火區(qū)燃燒還釋放出大量的有毒有害氣體、粉塵和熱量,對地形地貌、植被、土壤環(huán)境和大氣環(huán)境都造成極大的破壞,如圖2所示,按照火區(qū)的空間存在狀態(tài)可以將米泉三道壩火區(qū)分為未垮落采空區(qū)火區(qū)、松散煤巖體火區(qū)與煤層露頭火區(qū)[9]。

圖1 米泉三道壩火區(qū)塌陷坑相對位置

圖2 米泉三道壩火區(qū)燃燒狀況

2 注泡裝備及工藝

普瑞特采用的“微膠囊”技術,是利用納米級的包衣材料對原料A和B中的成膠材料分別處理,在其表面形成納米級的包衣,即“微膠囊”[10]。移動式普瑞特制備系統(tǒng)如圖3所示,普瑞特防滅火原材料由A料和B料組成,分別與水按質量比2%和1%混合形成預混液,在發(fā)泡裝置引入壓風進行高效發(fā)泡,最終生成的普瑞特泡沫材料的發(fā)泡倍數為18～22倍,泡沫熱穩(wěn)定性溫度高,具有較好的堆積性如圖4所示。再將制備的普瑞特泡沫通過注泡管路壓注入火區(qū)鉆孔內,該系統(tǒng)發(fā)泡原理與兩相泡沫發(fā)泡原理屬同類,完全滿足應用需求,注泡系統(tǒng)技術參數為注泡流量10 m3/h,供氣壓力≥0.5 MPa,供氣流量≥4 m3/min,螺桿泵功率10 kW,普瑞特添加比例3%～6%。

圖3 移動式普瑞特制備系統(tǒng)

圖4 普瑞特防滅火材料發(fā)泡及堆積性

在米泉三道壩火區(qū)前期開展了普瑞特防滅火材料的現場試驗,確定普瑞特實驗鉆孔1#孔、2#孔、3#孔、4#孔。實驗鉆孔間距為8 m,菱形布置,鉆孔深度根據現場實際確定,在4個孔的中心位置增打1個觀測孔5#孔如圖5所示。測量記錄各靶區(qū)4個注泡孔不同深度測點的溫度值和5#孔不同深度測點的溫度值,鉆孔測點深度根據現場實際確定;普瑞特配水量均為240 t。普瑞特添加比例為2.4%,即普瑞特用量為5.76 t;4個鉆孔平均分配注泡量,每個孔分配用水量60 t,即普瑞特單孔使用量為1.44 t。各孔注泡量分6次循環(huán)灌注,每次分配用水量10 t,根據注泡設備流量參數,單孔單次注泡時間為1 h;各實驗靶區(qū)注泡順序為1#孔→2#孔→3#孔→4#孔→1#孔…,依次循環(huán)灌注,直至灌注完畢,共計4 d時間注泡完畢;普瑞特注泡前,4個注泡鉆孔及1個觀測孔的不同深度的原始溫度均高于100 ℃。普瑞特注泡結束,4個注泡鉆孔及1個觀測孔的不同深度測點的溫度均降至100 ℃以下,滿足實驗要求。5#孔觀測孔注泡后溫度達標,說明普瑞特防滅火材料擴散半徑大于4 m。

圖5 5個試驗鉆孔分布

3 普瑞特防滅火材料在火區(qū)的應用

米泉三道壩火區(qū)周圍水量充沛,為火區(qū)治理提供良好的條件,傳統(tǒng)注水方式主要是靜壓注水和壓力注水[11]。注水施工應采用先高溫區(qū)后低溫區(qū)的順序,為保證水的充分汽化,應采用分散、間歇、交替注水。火區(qū)內煤、巖及氣體溫度降至100 ℃以下,且48 h內無上升趨勢時,方可停止注水。

火區(qū)從2017年8月開始鉆探工作,共投入德國鉆1臺,汽車鉆5臺,根管鉆機3臺,采用在燃燒劇烈區(qū)加密鉆孔的布鉆方式布鉆,燃燒劇烈區(qū)鉆孔間距為8 m,燃燒程度較低的區(qū)域鉆孔間距15～30 m。共完成鉆孔913個,累計鉆進約50 000 m,現以其中的鉆孔ZK5、ZK12、ZK51、ZK214為例介紹普瑞特防滅火材料在火區(qū)的應用情況。

ZK5位于火區(qū)內松散煤巖體高溫區(qū),ZK12在燃燒空區(qū),ZK51為燃燒采空區(qū),ZK214為高溫裂隙區(qū),4個鉆孔孔深分別為40 m、45 m、45 m和55 m,鉆孔內均燃燒劇烈。鉆孔完成后各個鉆孔分別每5 m深度測量并記錄一次原始溫度值,然后開始注泡工作,ZK5、ZK12、ZK51、ZK214等4個注泡孔灌注普瑞特防滅火材料,現場施工如圖6所示,為了達到更好的注泡效果,每個鉆孔分6次循環(huán)灌注單孔單次注泡時間為1 h,直至灌注完畢。注泡完畢后,測溫記錄各孔停注后溫度數據,并持續(xù)觀測記錄停注后每隔12 h的溫度變化數據,與注漿前測溫記錄各孔初始溫度數據進行比較,得出普瑞特防滅火材料的降溫效果,見表1～表4。

表1 ZK5鉆孔各個深度注泡結束后溫度值

表2 ZK12鉆孔各個深度注泡結束后溫度值

表3 ZK51鉆孔各個深度注泡結束后溫度值

表4 ZK214鉆孔各個深度注泡結束后溫度值

圖6 鉆探施工及普瑞特現場施工

可得,①普瑞特注泡前,4個注泡鉆孔不同深度的原始溫度均高于100 ℃,其中ZK5、ZK12、ZK51、ZK214原始最高溫度分別為381 ℃、298 ℃、272 ℃和231 ℃。普瑞特注泡結束后,各鉆孔內最高溫度降溫明顯,普瑞特表現出較好的降溫效果。②普瑞特防滅火材料注泡后的鉆孔,注泡結束后的60 h內溫度穩(wěn)定,大多保持在100 ℃以內;60～72 h溫度局部溫度值出現反彈趨勢,整體溫度保持較為穩(wěn)定。③4個注泡鉆孔資料顯示,鉆孔最優(yōu)注漿時間為48～60 h之間,對于48 h溫度值高于100 ℃的鉆孔,需對其再次注泡降溫,使其不同深度測點的溫度均降至100 ℃以下,符合《煤田火災滅火規(guī)范》要求。

4 結論

灌注普瑞特防滅火材料后的結果顯示,普瑞特凝膠體具備優(yōu)越的保水性和熱穩(wěn)定性,持續(xù)吸熱冷卻,注泡結束后的60 h內溫度基本穩(wěn)定,保持在100 ℃以內,處于穩(wěn)定期,60 h后溫度出現局部位置反彈,但整體溫度保持較為穩(wěn)定。各鉆孔內溫度均有大幅度下降,降溫明顯,普瑞特具有較好的降溫效果,尤其在新疆多數煤田火區(qū)周圍水資源相對稀缺,火區(qū)內燒空區(qū)、采空區(qū)較多,裂隙極為發(fā)育的條件下,普瑞特具有較好的堆積性和較大的發(fā)泡倍數,不僅大幅度提高水滅火降溫利用率,節(jié)約水資源,同時有效延長降溫達標后的穩(wěn)定時間,提高施工銜接周期,避免高溫環(huán)境下其他防滅火材料短時間內快速析水滲流產生大量的高溫水蒸氣等。通過在米泉三道壩煤田火區(qū)的應用,證明普瑞特能很好地應用在裂隙區(qū)、采空區(qū)、燒空區(qū)以及其他煤田火區(qū)治理施工中。