普瑞特防灭火材料在米泉三道坝火区的应用*

张文强,包兴东

(1.新疆煤田灭火工程局,新疆 乌鲁木齐 830063;2.新疆维吾尔自治区矿山安全服务保障中心,新疆 乌鲁木齐 830063)

0 引言

煤炭自燃火灾危及人员生命、损毁机电设备和耗费国家资源,严重影响着矿井的安全和持续生产[1-3],为防治矿井煤自燃灾害,国内外学者提出灌浆、注惰气、使用凝胶和阻化剂等多种防灭火技术[4],当前国内外煤田火区治理技术还是以剥离、钻探、注水、注浆、覆盖和植被恢复为主[5-6],其中注水的好坏对煤田火区治理起到决定性的作用。注水是通过地表、鱼鳞坑、裂隙、钻孔向高温的煤岩体注水,水与高温体反应使水汽化吸热,从而熄灭火源和降低煤岩体的温度,达到治理火区的目的。实际施工过程中,一般采用地面钻孔直接灌水,但水在破碎煤体内一般会迅速垂直向下流动[7],横向扩散半径很小,单个钻孔注水范围有限,水的降温效率极低,由于水没有堆积性,因此在采空区、烧空区顶部无法进行注水降温。为了提高水的灭火利用效率,当前煤田灭火主要采用两相泡沫降温,大幅度提高水的扩散性能,单个钻孔的治理范围在一定程度得到了提高。但是在实际的应用中也存在一些局限性,一是两相泡沫受热失水速度快,堆积效果较差,治理区域温度容易反弹,给施工组织衔接带来较大压力;二是两相泡沫注入到特高温火区时,瞬时受热蒸发大量水蒸气,呈现水蒸气物理爆炸动力现象,存在一定的安全隐患。为了解决以上问题,在新疆米泉三道坝煤田火区的施工治理中应用了普瑞特防灭火材料,普瑞特防灭火技术集氮气、凝胶、三相泡沫、阻化剂等防灭火技术优点于一体[8],具备立体扩散性、热稳定性和较好保水性等性能。切实提高水的降温灭火利用效率,该材料对以后煤田火区内的采空区、烧空区、裂隙发育区和塌陷区等地注水降温具有较好的效果,在煤田火区治理中将起到巨大作用。

1 火区概况

新疆的米泉三道坝煤田火区西距乌鲁木齐市约34 km,行政区划属乌鲁木齐市米东区管辖,交通极为便利。火区内仅出露中侏罗统西山窑组(J2x)和第四系(Q)地层,火区位于八道湾向斜南翼,向北西倾斜的单斜构造,地层倾角79°～80°,含煤9层,火区燃烧煤层5层分别为39号、41号、42号、43号和45号煤层,属于煤层群燃烧。煤层为急倾斜(倾角79°～81°)、特厚煤层(43号、45号煤层最大厚度分别为46.78 m、39.6 m),煤层间距小(3.5～7.5 m),煤层为易自燃的长焰煤,发火期3～5个月,煤矿采用仓储式开采,回采率低,在+767 m水平采空区内遗煤曾发生自燃,虽采取防灭火措施,但未能彻底治理,经长期开采后,造成地表大范围塌陷,地表共有塌陷坑18处,如图1所示,主要集中在火区的中部和东部,塌陷坑周围10 m范围内裂隙较发育,形成连续供氧通道,加速火区燃烧。火区东西走向长约2 790 m,南北宽80～260 m,火区总面积为599 225 m2,最深燃烧底界为+665 m水平,最大燃烧深度为191 m,火区沿煤层露头呈条带状展布。火区年损失煤炭资源储量为27.22万t,受威胁的煤炭资源储量达1 957万t。火区燃烧还释放出大量的有毒有害气体、粉尘和热量,对地形地貌、植被、土壤环境和大气环境都造成极大的破坏,如图2所示,按照火区的空间存在状态可以将米泉三道坝火区分为未垮落采空区火区、松散煤岩体火区与煤层露头火区[9]。

图1 米泉三道坝火区塌陷坑相对位置

图2 米泉三道坝火区燃烧状况

2 注泡装备及工艺

普瑞特采用的“微胶囊”技术,是利用纳米级的包衣材料对原料A和B中的成胶材料分别处理,在其表面形成纳米级的包衣,即“微胶囊”[10]。移动式普瑞特制备系统如图3所示,普瑞特防灭火原材料由A料和B料组成,分别与水按质量比2%和1%混合形成预混液,在发泡装置引入压风进行高效发泡,最终生成的普瑞特泡沫材料的发泡倍数为18～22倍,泡沫热稳定性温度高,具有较好的堆积性如图4所示。再将制备的普瑞特泡沫通过注泡管路压注入火区钻孔内,该系统发泡原理与两相泡沫发泡原理属同类,完全满足应用需求,注泡系统技术参数为注泡流量10 m3/h,供气压力≥0.5 MPa,供气流量≥4 m3/min,螺杆泵功率10 kW,普瑞特添加比例3%～6%。

图3 移动式普瑞特制备系统

图4 普瑞特防灭火材料发泡及堆积性

在米泉三道坝火区前期开展了普瑞特防灭火材料的现场试验,确定普瑞特实验钻孔1#孔、2#孔、3#孔、4#孔。实验钻孔间距为8 m,菱形布置,钻孔深度根据现场实际确定,在4个孔的中心位置增打1个观测孔5#孔如图5所示。测量记录各靶区4个注泡孔不同深度测点的温度值和5#孔不同深度测点的温度值,钻孔测点深度根据现场实际确定;普瑞特配水量均为240 t。普瑞特添加比例为2.4%,即普瑞特用量为5.76 t;4个钻孔平均分配注泡量,每个孔分配用水量60 t,即普瑞特单孔使用量为1.44 t。各孔注泡量分6次循环灌注,每次分配用水量10 t,根据注泡设备流量参数,单孔单次注泡时间为1 h;各实验靶区注泡顺序为1#孔→2#孔→3#孔→4#孔→1#孔…,依次循环灌注,直至灌注完毕,共计4 d时间注泡完毕;普瑞特注泡前,4个注泡钻孔及1个观测孔的不同深度的原始温度均高于100 ℃。普瑞特注泡结束,4个注泡钻孔及1个观测孔的不同深度测点的温度均降至100 ℃以下,满足实验要求。5#孔观测孔注泡后温度达标,说明普瑞特防灭火材料扩散半径大于4 m。

图5 5个试验钻孔分布

3 普瑞特防灭火材料在火区的应用

米泉三道坝火区周围水量充沛,为火区治理提供良好的条件,传统注水方式主要是静压注水和压力注水[11]。注水施工应采用先高温区后低温区的顺序,为保证水的充分汽化,应采用分散、间歇、交替注水。火区内煤、岩及气体温度降至100 ℃以下,且48 h内无上升趋势时,方可停止注水。

火区从2017年8月开始钻探工作,共投入德国钻1台,汽车钻5台,根管钻机3台,采用在燃烧剧烈区加密钻孔的布钻方式布钻,燃烧剧烈区钻孔间距为8 m,燃烧程度较低的区域钻孔间距15～30 m。共完成钻孔913个,累计钻进约50 000 m,现以其中的钻孔ZK5、ZK12、ZK51、ZK214为例介绍普瑞特防灭火材料在火区的应用情况。

ZK5位于火区内松散煤岩体高温区,ZK12在燃烧空区,ZK51为燃烧采空区,ZK214为高温裂隙区,4个钻孔孔深分别为40 m、45 m、45 m和55 m,钻孔内均燃烧剧烈。钻孔完成后各个钻孔分别每5 m深度测量并记录一次原始温度值,然后开始注泡工作,ZK5、ZK12、ZK51、ZK214等4个注泡孔灌注普瑞特防灭火材料,现场施工如图6所示,为了达到更好的注泡效果,每个钻孔分6次循环灌注单孔单次注泡时间为1 h,直至灌注完毕。注泡完毕后,测温记录各孔停注后温度数据,并持续观测记录停注后每隔12 h的温度变化数据,与注浆前测温记录各孔初始温度数据进行比较,得出普瑞特防灭火材料的降温效果,见表1～表4。

表1 ZK5钻孔各个深度注泡结束后温度值

表2 ZK12钻孔各个深度注泡结束后温度值

表3 ZK51钻孔各个深度注泡结束后温度值

表4 ZK214钻孔各个深度注泡结束后温度值

图6 钻探施工及普瑞特现场施工

可得,①普瑞特注泡前,4个注泡钻孔不同深度的原始温度均高于100 ℃,其中ZK5、ZK12、ZK51、ZK214原始最高温度分别为381 ℃、298 ℃、272 ℃和231 ℃。普瑞特注泡结束后,各钻孔内最高温度降温明显,普瑞特表现出较好的降温效果。②普瑞特防灭火材料注泡后的钻孔,注泡结束后的60 h内温度稳定,大多保持在100 ℃以内;60～72 h温度局部温度值出现反弹趋势,整体温度保持较为稳定。③4个注泡钻孔资料显示,钻孔最优注浆时间为48～60 h之间,对于48 h温度值高于100 ℃的钻孔,需对其再次注泡降温,使其不同深度测点的温度均降至100 ℃以下,符合《煤田火灾灭火规范》要求。

4 结论

灌注普瑞特防灭火材料后的结果显示,普瑞特凝胶体具备优越的保水性和热稳定性,持续吸热冷却,注泡结束后的60 h内温度基本稳定,保持在100 ℃以内,处于稳定期,60 h后温度出现局部位置反弹,但整体温度保持较为稳定。各钻孔内温度均有大幅度下降,降温明显,普瑞特具有较好的降温效果,尤其在新疆多数煤田火区周围水资源相对稀缺,火区内烧空区、采空区较多,裂隙极为发育的条件下,普瑞特具有较好的堆积性和较大的发泡倍数,不仅大幅度提高水灭火降温利用率,节约水资源,同时有效延长降温达标后的稳定时间,提高施工衔接周期,避免高温环境下其他防灭火材料短时间内快速析水渗流产生大量的高温水蒸气等。通过在米泉三道坝煤田火区的应用,证明普瑞特能很好地应用在裂隙区、采空区、烧空区以及其他煤田火区治理施工中。