露天矿火区内三类爆破钻孔快速灭火降温方法研究

蔡光琪，赵云龙，朱朝炳，沈　威，张　微，史广义

(1.中煤平朔集团有限责任公司，山西 朔州 036000；2.平煤十二矿，河南 平顶山 467000；3.中国矿业大学安全工程学院，江苏 徐州 221008)

露天矿火区内三类爆破钻孔快速灭火降温方法研究

蔡光琪1，赵云龙2，朱朝炳3，沈威3，张微3，史广义3

(1.中煤平朔集团有限责任公司，山西 朔州 036000；2.平煤十二矿，河南 平顶山 467000；3.中国矿业大学安全工程学院，江苏 徐州 221008)

摘要：针对露天矿火区上覆岩层爆破剥离前，高温爆破钻孔灭火降温的薄弱环节，以强化爆破钻孔特征为切入点，根据钻孔温度和孔底特性将露天矿火区高温爆破钻孔分为火区上部的爆破钻孔、打穿火区的爆破钻孔、火区附近的爆破钻孔等三类，并制定了三类高温爆破钻孔的灭火降温方案。根据灭火降温方案构建了以三相泡沫防灭火技术为主，灌浆、注水为辅的综合灭火降温系统，通过与单一的注水、注浆灭火降温效果对比，综合灭火降温系统具有快速、高效的特点，并成功的对东露天矿15万m2火区内的爆破钻孔灭火降温，保证了东露天矿的安全爆破和按时完成生产进度计划。

关键词：露天矿；爆破钻孔；灭火；三相泡沫

煤田火是由于煤炭自燃而产生的一种特殊灾害，煤田火灾在中国、印度、美国、俄罗斯、澳大利亚、印度尼西亚以及中亚等地区都存在[1-2]。在我国，煤田火灾主要分布于干旱少雨的北方地区，包括新疆、甘肃、青海、宁夏、陕西、山西、内蒙古、四川、重庆、福建等十个省、市、自治区，正在燃烧的面积达17～20km2[3]。自2001年以来，由于原井工矿巷道或采空区遗煤自燃，朔州等主要产煤区的露天矿内又形成了大片的煤田火。煤田火吞噬大量的煤炭资源，并产生大量的温室气体等[4-9]。同时我国露天煤矿的覆盖层硬度普遍较大，覆盖层的剥离往往需要辅以深孔松动爆破或定向抛掷爆破，然而大小不一、经久不息的煤田火形成大片的高温爆破钻孔，爆破的安全性受到极大的威胁。火区产生的高温一旦使爆破钻孔里的炸药达到了热感度，炸药便会发生早爆或拒爆，导爆索、雷管在高温下也可能失效，神华宁煤大峰露天煤矿2008年、2009年的两次爆破事故均与此有密切关系[10]。因此，加强对高温爆破钻孔快速灭火降温的理论研究和工程实践已经成为当务之急。

1三类高温爆破钻孔的快速灭火降温步骤

露天矿火区上覆坚硬岩层爆破剥离前，首先需要根据岩层地质条件和灭火介质的扩散特性[11]在作业平盘上布置一定深度和间距的爆破钻孔，一般以平盘的高度为深度，按8m×8m的间距均匀布置。露天矿火区常常位于旧煤巷和采空区内，煤体燃烧后会形成大大小小的燃烧空洞，同时火区围岩温度上升，当达到一定高温时，围岩失水、收缩、断裂、垮塌，形成虚量区，所以火区所处的环境中有容积不定的旧巷道，有大大小小的燃烧空洞，有回采塌陷或燃烧塌陷形成的虚量区，也有构造裂隙、采动裂隙和燃烧裂隙等[12]，进而爆破钻孔就会有不同的特性。通过对东露天矿火区内高温爆破钻孔的钻探、测温、分析，根据钻孔温度和孔底特性将露天矿火区高温爆破钻孔分为火区上部的爆破钻孔、打穿火区的爆破钻孔、火区附近的爆破钻孔等三类，其火情特性及治理步骤如下所述。

1.1火区上部的高温爆破钻孔

这类爆破钻孔的判断依据是该钻孔详情单上记录有钻孔未打穿空洞或虚量，整个钻孔内孔底温度最高。如图1所示，这类爆破钻孔与火区通过裂隙和岩体传热，孔底裂隙发育多且离火区最近，所以温度最高。由于裂隙很小，灭火介质很难大流量渗透到下部火区，所以很难以这类钻孔为通道快速的将下部的大片火区扑灭。

图1　火区上部的高温爆破钻孔布置示意图

这类爆破钻孔的治理思路为：先对孔底下面火区局部降温后构造隔温层。首先向钻孔注水，疏通裂隙，大量的水进入火区，蒸发吸热，使裂隙附近的岩体降温；而后向钻孔注三相泡沫，主要对钻孔下面的局部火区和孔壁降温，灌注6h即可；最后灌浆，堵塞孔底裂隙，并形成隔热层；灌注完毕及时封闭孔口。爆破前注水20min，使钻孔和隔热层再次冷却，这样装药爆破时间内钻孔温度就能维持在50℃以下。

1.2打穿火区的高温爆破钻孔

这类爆破钻孔的判断依据是：钻孔详情单上记录有在孔底有空洞或者虚量，且孔口有青烟、黄烟或者火焰冒出，见图2。一般情况下火区面积大，空洞体积大，已形成高位煤火，打穿的爆破钻孔增强了火风压作用，火区供氧量更大，火势更旺，钻孔内的温度主要来源于火区煤体燃烧和围岩传热。

图2　打穿火区的高温爆破钻孔布置示意图

总体治理思路是直接灭火降温。首先向钻孔内注1小时的水，使空洞内的空气和底板降温，并疏通主要裂隙，然后连续不断向钻孔中灌注三相泡沫，主要依赖三相泡沫的大流量、强堆积性等特点，直到钻孔中的温度降到50℃以下，最后封盖好钻孔。如果钻孔温度在灌注过程中不停的下降，说明空洞火区较小，只需连续灌注即可，最长需要灌注2d即可达到治理效果；一旦遇到灌注泡沫1d后，钻孔温度下降不明显，说明该爆破钻孔打穿了的巷道火区空洞特别大，往往可达上万立方米。针对这种打穿特大空洞的爆破钻孔，综合考虑成本和效率，总体的治理思路是继续向现有的爆破钻孔中连续灌注三相泡沫，控制钻孔周围的火势，同时根据现有爆破钻孔的钻孔详情，在该爆破钻孔附近布置一些不打穿火区的爆破钻孔，按照打在火区上方的爆破钻孔的治理方法进行治理即可。

1.3火区附近的高温爆破钻孔

这类爆破钻孔的判断依据是：爆破钻孔内孔底的温度不是最高的。如图3所示，这种爆破钻孔位于火区附近，火区的热量通过斜向裂隙传递到钻孔，裂隙传递热量的能力大于覆岩，所以尽管钻孔下部离火区近，但是斜向上的裂隙将大量的热量传递给了爆破钻孔中上部，所以钻孔底部的温度不是最高的。

图3　火区附近的高温爆破钻孔布置示意图

这类主要通过裂隙对流传热导致的爆破钻孔温度过高的情况，堵塞裂隙并降低钻孔围岩和附近火区的温度是治理的关键。可以依靠三相泡沫的高含水性、强堆积性和泥浆封堵围岩裂隙的特点。所以首先向钻孔中注高压水，将孔底的温度降低，而后连续灌注高压力、大流量的三相泡沫，使更大区域的围岩温度降低，并将裂隙堵死，杜绝或减弱火区热量向钻孔传递，由于三相泡沫向裂隙中灌注比较难，所以孔口密封要求较高。连续灌注2天三相泡沫后，封闭好钻孔，保证不漏风。爆破前注水20min，使钻孔再次冷却。

2露天矿火区综合灭火系统

2.1三相泡沫灭火技术

三相泡沫灭火技术是在粉煤灰或黄泥浆液中添加极少量的发泡剂、稳泡剂等添加剂，并引入氮气或空气，通过三相泡沫发泡器物理机械发泡，形成粉煤灰或黄泥颗粒均匀地附着在气泡壁上的多相体系，其制备流程如图4所示。三相泡沫灭火技术充分利用粉煤灰或黄泥包裹覆盖可燃物的性能、水的吸热降温作用和氮气的窒息能力来防治煤炭自燃与灭火，并将这三相作为一个有机的整体长时间保留在采空区，充分发挥三相材料的防灭火功能。该技术特别适用于扑灭和防治采空区大面积火灾、防治大倾角俯采综放采空区煤炭自燃、捕寻采空区高位和隐蔽火源等[13-16]。

图4　三相泡沫制备流程图

2.2综合灭火系统

现场构建包含灌注三相泡沫、注水、注浆等技术工艺的综合灭火系统见图5。综合灭火系统包括制浆罐、输送管路、阀门、泥浆泵、三相泡沫发生装置以及附属配件。注水时，只需打开阀门2，关闭阀门1、3即可。注浆时，打开阀门1，关闭阀门2、4，将筛分好的黄土以一定的添加速度添加到制浆罐中，通过电机搅拌制浆，再通过泥浆泵输送到注浆管路。注三相泡沫时，打开阀门1、4、5、6，关闭阀门2、3，泥浆经注浆管路进入三相泡沫专用管路，通过定量螺杆泵将发泡剂添加到浆液中，浆液与发泡剂经混合器混合后进入发泡器，在发泡器中接入气源，气体与含有发泡剂的黄泥浆相互作用产生三相泡沫，最后注入火区。

图5　综合灭火系统示意图

3效果考察

为深入探索综合灭火技术对三类高温爆破钻孔的灭火特性，了解灭火降温过程中火区温度演化规律，在东露天矿火区内选取了火区上部的高温爆破钻孔、打穿火区的高温爆破钻孔、火区附近的高温爆破钻孔等三类钻孔，将单一的注水法、注浆法的治理效果分别与综合灭火技术的治理效果进行对比，每4h记录一组钻孔最高温度，并制成温度下降曲线，见图6～8。

图6　火区上部的高温爆破钻孔最高温度下降曲线

图7　打穿火区的高温爆破钻孔最高温度下降曲线

图8　火区附近的高温爆破钻孔最高温度下降曲线

从火区上部的高温爆破钻孔最高温度下降曲线可以看出，起初阶段三种方法都能起到一定的降温作用，注浆法能够堵塞钻孔底部裂隙，并形成隔温层，降温效果好于注水，但是注水法和注浆法都不能将钻孔下面的局部高位隐蔽火区熄灭，所以后期降温不明显，经过一天治理，钻孔温度仍在130℃以上，不能安全爆破，而采用综合灭火降温技术时，三相泡沫能够将钻孔下面的局部火区熄灭[17-18]，孔壁温度也不断下降，并堵塞裂隙，在钻孔底部形成厚厚的隔温层，钻孔温度快速下降至50℃以下。

从打穿火区的高温爆破钻孔最高温度下降曲线可以看出，这类钻孔温度高达350℃以上，注水法和注浆法都只能熄灭局部低位火区，而综合灭火降温方法中的三相泡沫技术能够快速有效的实现对大面积高位隐蔽火源的灭火降温，所以注水法和注浆法经过两天的治理钻孔温度仍在100℃以上，综合灭火降温方法的钻孔温度降到了30℃以下。

从火区附近的高温爆破钻孔最高温度下降曲线可以看出，以三相泡沫技术为主的综合灭火方法对这类钻孔降温效果最快、最好。这类高温爆破钻孔较难治理，原因在于灭火介质很难大量扩散到火区，而且钻孔孔壁上的裂隙较难封堵严实，所以采用注水、注浆法时效果不明显，采用综合灭火降温方法时，大流量的三相泡沫通过长时间的灌注、增压扩散到火区，高温钻孔的温度经2d治理才降到50℃以下。

5结论

1)将露天矿火区高温爆破钻孔按照钻孔温度和孔底特性分为火区上部的爆破钻孔、打穿火区的爆破钻孔、火区附近的爆破钻孔等三类。

2)针对火区上部的高温爆破钻孔的治理思路为先对孔底下面火区局部降温后构造隔温层；针对打穿火区的高温爆破钻孔的治理思路是将孔底火区熄灭或在钻孔附近重新布置不打穿火区的爆破钻孔再进行灭火降温；针对火区附近的高温爆破钻孔主要治理思路是先对临近围岩和火区局部降温后堵塞裂隙。

3)提出了以三相泡沫为主，注水、灌浆相结合的综合防灭火技术，与注水法、注浆法相比，综合防灭火技术通常能够在1～2天时间内将高温爆破钻孔内的最高温度降低到50℃以下，实现安全爆破，既快速、高效、彻底，又比单纯依靠三相泡沫经济，所以对今后高温爆破钻孔的灭火降温有重要的借鉴意义。

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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

作者简介：蔡光琪(1977-)，男，湖北武汉人，学士，高级工程师，2000年毕业于中国矿业大学露天开采专业，长期从事露天矿开采和露天矿生产、管理工作，现任中煤平朔集团有限公司东露天矿总工程师。

中图分类号：TD75

文献标识码：A

文章编号：1004-4051(2016)01-0169-04