关于三相泡沫在采空区火灾救助中的应用分析

訾美幸,闫 壮,武争光

关于三相泡沫在采空区火灾救助中的应用分析

訾美幸①,闫 壮,武争光

(中国矿业大学安全工程学院)

火灾是制约我国煤矿安全生产的一个重要因素。为更好地对煤矿火灾实施救助,中国矿业大学通风防灭火研究所开发出了三相泡沫防灭火材料。因此,确定采空区火灾救助时合理的喷浆量,对煤矿火灾的救助和减少救火开支具有实际的意义。本文通过对采空区火灾进行合理的假设后,利用数学分析方法对三相泡沫的最优喷浆量进行了合理的设计。

三相泡沫;灭火;采空区;火灾救助;经济性;喷浆量

煤炭是人们赖以生存的重要资源,是我国经济发展的命脉。由于遗留在采空区内的煤炭很容易发生自燃发火的因素,煤矿采空区火灾事故经常发生,一旦发生煤矿火灾,就要立即采取有效的措施进行施救。三相泡沫灭火法是近几年形成的一种新型灭火方法,对煤矿火灾特别是煤矿采空区火灾的扑灭十分有效。因此,研究设计合理的采空区灭火时的三相泡沫喷浆量,对煤矿火灾后提高煤矿救火效率和减少经济损失十分重要。为了得到合理的三相泡沫在救助煤矿采空区火灾时的喷浆量,需了解三相泡沫是如何起到灭火作用的。

1 三相泡沫的概念和灭火原理

1)三相泡沫的概念。三相泡沫就是由固态不燃物(粉煤灰或黄泥等)和惰气,再加入一定量的表面活性剂(发泡剂、稳泡剂),以一定分散度分散在水中形成的体系。

2)三相泡沫的灭火原理。

a)三相泡沫的发泡机理。在纯固—液浆液中和纯水中一样,很难形成固—液—气的三相泡沫。因此,必须加入表面活性剂来降低浆液的表面张力,再将气体通入浆液中,通过加压或强烈的机械搅拌形成三相泡沫。当向固—液浆液中充气加压或者搅拌时,在固体颗粒和气泡周围出现了水化层。由于浆液运动和表面间引力的作用,固体颗粒和气泡开始出现了相互接触的机会。接着,固体颗粒开始与气泡的水化层相接触,原来固体颗粒与气泡间的普通水层,由于固体颗粒向气泡逼近,逐渐从夹缝中被挤走,直至固体颗粒表面的水化层与气泡表面的水化层相互接触。在外加能的作用下,水化层变薄形成水化膜,此时水化膜表现出不稳定性,固体颗粒和气泡进一步逼近,自由能降低,水化膜的厚度自发变薄,此时固体颗粒向气泡自发逼近。最后,水化膜进一步变薄直至破裂,固体颗粒与气泡接触并且附着在气泡壁上形成了固—液—气的三相泡沫。

b)三相泡沫的灭火原理。泥浆通过注入惰气发泡后形成三相泡沫,体积大幅快速增加,并在采空区中向高处堆积,对低、高处的浮煤都能覆盖,能够避免注入的浆体从底部流失。三相泡沫的灭火性能试验表明,三相泡沫可在较致密的多孔介质中向不同方向流动,渗透性强,流动范围广,可扑灭较大范围区域内的高位火源和隐蔽地点的火源。注入在采空区的惰气被封装在泡沫之中,能较长时间滞留在采空区内,充分发挥惰气的窒息灭火功能。三相泡沫中含有粉煤灰或黄泥等固态物质,这些固态物质是三相泡沫面膜的一部分,可较长时间保持泡沫的稳定性,即使泡沫破碎了,具有一定黏度的粉煤灰或黄泥仍然可较均匀地覆盖在浮煤上,可持久有效地阻碍煤对氧的吸附,防止煤体氧化的加速,从而有效地防治煤炭继续燃烧,这是三相泡沫灭火性能的优越性。

2 对采空区火灾进行合理假设

由于在采空区处理过程中,采取了很多的措施(如：修建隔离墙、挂屏风幕帘等),防止巷道向采空区内漏风,故在采空区内的风力并不是很大;遗留在采空区内的煤炭大都按散落状分布。因此,可以对煤矿井下采空区发生火灾时进行理想性假设：

1)煤矿采空区的着火过程是在风力不大、煤炭散落分布的条件下进行的,失火时刻为：t=0,开始救火时刻为 t=t1,灭火时刻为t=t2。

2)时刻 t,煤炭燃烧量为 B(t)。

3)煤矿损失与煤炭燃烧量B(t2)成正比,比例系数c1为燃烧单位煤炭量(每吨)的损失。

4)从失火到开始救火这段时间(0≤t≤t1)内,火势蔓延程度与时间t成正比,比例系数β称火势蔓延速度。

5)向采空区喷三相泡沫 x后,在开始救火到火被扑灭这段时间(0≤t≤t2)内,火势蔓延速度将为β-λx,其中λ为单位量三相泡沫的平均灭火速度。

6)单位量三相泡沫在单位时间的灭火费用和一次性开支分别为c2和c3。

3 对三相泡沫灭火总费用和喷浆量建立数学模型

由假设一可见,火势以失火点为中心,以均匀速度向四周蔓延,蔓延的半径 r与时间t成正比。煤炭燃烧量 B(t)与 r2成正比,所以,B(t)与 t2成正比,从而与时间t成正比。火势蔓延程度在0≤t≤t1内线性的增加,在 t1≤t≤t2内线性的减少,见图1。

图1 火势蔓延程度与时间t的关系

计t=t1时,=b,煤炭燃烧量 B(t2)=dt恰为图中三角形的面积,显然有 B(t2)bt2。又 (λx-β)(t2-t1)=b=βt1,即火势以β速度蔓延,t1时间内火势蔓延到了b程度,当火势蔓延到b程度的火势以λx -β速度减弱,t2-t1时间内熄灭。

则煤矿的煤炭损失(包括误工煤炭损失和燃烧煤炭损失)为:c1B(t2);

灭火费用(包括人员的调度费用)为:c2x(t2-t2)+c3x

救火总费用:

将式(1),式(2)代入(3),得到救火总费用为:

所以,煤矿采空区救火费用最小数学模型为：

这是一个无约束的非线性规划问题,其最优解可以用微积分方法求的,令,可以得到向采空区喷射的三项泡沫最优量为:

4 模型的分析和讨论

1)三相泡沫的经济性分析。从式(4)可以看到,费用由四部分组成：第一部分是救火前造成的经济损失;第二部分救火期间造成的经济损失;第三部分是救火期间的救火费用;第四部分是一次性开支,这是符合煤矿发生火灾后救火实际的。通过对式(4)中参数对灭火总费用的影响分析可得到：当火势蔓延速度β变大时,三相泡沫灭火费用明显增大,这是与实际相符合的;从报警到施救开始的时间 t1越小,灭火费用也会越小,这也符合常识;采空区喷浆量 x变大时,相应的费用也会增加;三相泡沫的平均灭火速度λ(即单位量的三相泡沫喷入采空区的灭火速度)变大时,总的灭火费用会大幅度降低。

2)三相泡沫喷浆量的设计分析。从式(6)可以看到,采用三相泡沫对采空区灭火的喷浆量由两部分组成,一部分β/λ是为了把采空区的火扑灭所必需的最少三相泡沫喷浆量,只与火势蔓延速度β和单位量的三相泡沫喷浆的平均灭火速度有关,这是十分容易得到的,从图1也可以看到,只有当 x＞β/λ时,煤矿采空区火势才会减弱下来。另一部分是在最低限度之上的喷浆量,与问题的各个参数有关。当灭火速度λ和一次性开支系数c1增大时,三相泡沫喷浆量减少;当火势蔓延速度β、开始救火时刻 t1及损失费用系数 t2增大时,三相泡沫喷浆量增加,这明显是与常识相互一致的。而当灭火费用系数c1增大时三相泡沫喷浆量也将增大,这虽不明显,但也符合实际。

在对具体煤矿进行采空区喷浆量设计时,c1、c2、c3都是已知常数,β、λ由煤矿采空区巷道的布置情况、煤炭的类型、三相泡沫的灭火性能等因素决定,不同煤矿可以预先制定成表格已备发生火灾时查用,从采空区失火到煤矿实施三相泡沫救火的时间t1则要根据煤矿的报警和煤矿安排灭火设备的情况估计。当对以上参数确定后,就可以利用公式(6)快速的设计出需要的喷浆量。

5 总 结

矿井火灾处理技术是一项系统工程,随着科学技术的发展,矿井灭火技术也在不断地创新。三相泡沫技术是一项既经济又高效的矿井灭火方法,在矿井火灾的救助符合使用三相泡沫灭火法的条件时应当积极的采用。通过三相泡沫法对采空区火灾救助的经济性分析和喷浆量设计,得到了根据煤矿具体情况而定的三相泡沫灭火法灭火最小费用的计算式(5)和喷浆量计算式(6),从而在煤矿采空区发生火灾时如何有效快速的进行灭火以及如何减少灭火费用、减少煤矿损失提供了理论依据。使火灾救助减少盲目性,提高准确性。

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[4] 严喜祖,宋中民,毕春加.数学建模及其实验[M].北京：科学出版社,2003：145-147.

Applied Analysis on Three-phase Froth in Fire Rescue of Goaf

Zi Mei-xing,Yan Zhuang,Wu Zheng-guang

The fire is an important attribute of restricting safety production of coal mine in our country.For better implemented the rescue to the coal mine fire,the ventilated against fire fighting research institute of Chinese Mining Industry University develops the three-phase froth against extinguish material.Therefore,when definite worked-out section fire rescue the reasonable gunite quantity has the actual significance to the coal mine fire’s rescue and the reduced fire fighting expenditure.This article carries on the reasonable supposition after the worked-out section fire,using the mathematical analysis method to the three-phase froth’s most superior gunite quantity has carried on the reasonable design.

Three-phase f roth;Fire fighting;Goaf;Fire salvage;Efficiency;Gunite quantity

TD753.4

B

1672-0652(2010)02-0004-03

訾美幸 男 1989年出生 2007年中国矿业大学安全工程学院在读本科生 徐州 221116

2009-12-31