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(chǎn)[1-3],為防治礦井煤自燃災害,國內(nèi)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(shù)[4],當前國內(nèi)外煤田火區(qū)治理技術(shù)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?jīng)Q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(nèi)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(xiàn)水蒸氣物理爆炸動力現(xiàn)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(shù)集氮氣、凝膠、三相泡沫、阻化劑等防滅火技術(shù)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(nèi)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。火區(qū)內(nèi)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(gòu)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(nèi)遺煤曾發(fā)生自燃,雖采取防滅火措施,但未能徹底治理,經(jīng)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(nèi)裂隙較發(fā)育,形成連續(xù)供氧通道,加速火區(qū)燃燒。火區(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?；饏^(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(shù),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(zhì)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(shù)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(nèi),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(shù)參數(shù)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(xiàn)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(jù)現(xiàn)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(jù)現(xiàn)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(jù)注泡設備流量參數(shù),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(jié)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?；饏^(qū)內(nèi)煤、巖及氣體溫度降至100 ℃以下,且48 h內(nèi)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(xiàn)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(nèi)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(nèi)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(xiàn)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(shù)據(jù),并持續(xù)觀測記錄停注后每隔12 h的溫度變化數(shù)據(jù),與注漿前測溫記錄各孔初始溫度數(shù)據(jù)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(jié)束后溫度值

表2 ZK12鉆孔各個深度注泡結(jié)束后溫度值

表3 ZK51鉆孔各個深度注泡結(jié)束后溫度值

表4 ZK214鉆孔各個深度注泡結(jié)束后溫度值

圖6 鉆探施工及普瑞特現(xiàn)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(jié)束后,各鉆孔內(nèi)最高溫度降溫明顯,普瑞特表現(xiàn)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(jié)束后的60 h內(nèi)溫度穩(wěn)定,大多保持在100 ℃以內(nèi);60～72 h溫度局部溫度值出現(xiàn)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(jié)論

灌注普瑞特防滅火材料后的結(jié)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(jié)束后的60 h內(nèi)溫度基本穩(wěn)定,保持在100 ℃以內(nèi),處于穩(wěn)定期,60 h后溫度出現(xiàn)局部位置反彈,但整體溫度保持較為穩(wěn)定。各鉆孔內(nèi)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(shù)煤田火區(qū)周圍水資源相對稀缺,火區(qū)內(nèi)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(shù),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(nèi)快速析水滲流產(chǎn)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。