煤礦采空區(qū)防滅火材料的選擇

煤礦采空區(qū)防滅火材料的選擇

煤炭是人們生存和發(fā)展的重要資源，也是中國經(jīng)濟(jì)發(fā)展的生命線。由于遺留在采空區(qū)內(nèi)的煤炭很容易發(fā)生自燃發(fā)火的因素,煤礦采空區(qū)火災(zāi)事故經(jīng)常發(fā)生,一旦發(fā)生煤礦火災(zāi),就要立即采取有效的措施進(jìn)行施救。三相泡沫滅火法是近幾年形成的一種新型滅火方法,對(duì)煤礦火災(zāi)特別是煤礦采空區(qū)火災(zāi)的撲滅十分有效。因此,研究設(shè)計(jì)合理的采空區(qū)滅火時(shí)的三相泡沫噴漿量,對(duì)煤礦火災(zāi)后提高煤礦救火效率和減少經(jīng)濟(jì)損失十分重要。為了得到合理的三相泡沫在救助煤礦采空區(qū)火災(zāi)時(shí)的噴漿量,需了解三相泡沫是如何起到滅火作用的。1三大公共泡沫概念和滅火原則1發(fā)泡劑和穩(wěn)泡劑三相泡沫就是由固態(tài)不燃物(粉煤灰或黃泥等)和惰氣,再加入一定量的表面活性劑(發(fā)泡劑、穩(wěn)泡劑),以一定分散度分散在水中形成的體系。2固—)三相泡沫的滅火原理。a)三相泡沫的發(fā)泡機(jī)理。在純固—液漿液中和純水中一樣,很難形成固—液—?dú)獾娜嗯菽?。因?必須加入表面活性劑來降低漿液的表面張力,再將氣體通入漿液中,通過加壓或強(qiáng)烈的機(jī)械攪拌形成三相泡沫。當(dāng)向固—液漿液中充氣加壓或者攪拌時(shí),在固體顆粒和氣泡周圍出現(xiàn)了水化層。由于漿液運(yùn)動(dòng)和表面間引力的作用,固體顆粒和氣泡開始出現(xiàn)了相互接觸的機(jī)會(huì)。接著,固體顆粒開始與氣泡的水化層相接觸,原來固體顆粒與氣泡間的普通水層,由于固體顆粒向氣泡逼近,逐漸從夾縫中被擠走,直至固體顆粒表面的水化層與氣泡表面的水化層相互接觸。在外加能的作用下,水化層變薄形成水化膜,此時(shí)水化膜表現(xiàn)出不穩(wěn)定性,固體顆粒和氣泡進(jìn)一步逼近,自由能降低,水化膜的厚度自發(fā)變薄,此時(shí)固體顆粒向氣泡自發(fā)逼近。最后,水化膜進(jìn)一步變薄直至破裂,固體顆粒與氣泡接觸并且附著在氣泡壁上形成了固—液—?dú)獾娜嗯菽?。b)三相泡沫的滅火原理。泥漿通過注入惰氣發(fā)泡后形成三相泡沫,體積大幅快速增加,并在采空區(qū)中向高處堆積,對(duì)低、高處的浮煤都能覆蓋,能夠避免注入的漿體從底部流失。三相泡沫的滅火性能試驗(yàn)表明,三相泡沫可在較致密的多孔介質(zhì)中向不同方向流動(dòng),滲透性強(qiáng),流動(dòng)范圍廣,可撲滅較大范圍區(qū)域內(nèi)的高位火源和隱蔽地點(diǎn)的火源。注入在采空區(qū)的惰氣被封裝在泡沫之中,能較長(zhǎng)時(shí)間滯留在采空區(qū)內(nèi),充分發(fā)揮惰氣的窒息滅火功能。三相泡沫中含有粉煤灰或黃泥等固態(tài)物質(zhì),這些固態(tài)物質(zhì)是三相泡沫面膜的一部分,可較長(zhǎng)時(shí)間保持泡沫的穩(wěn)定性,即使泡沫破碎了,具有一定黏度的粉煤灰或黃泥仍然可較均勻地覆蓋在浮煤上,可持久有效地阻礙煤對(duì)氧的吸附,防止煤體氧化的加速,從而有效地防治煤炭繼續(xù)燃燒,這是三相泡沫滅火性能的優(yōu)越性。2采空區(qū)點(diǎn)火及急救速度模型由于在采空區(qū)處理過程中,采取了很多的措施(如:修建隔離墻、掛屏風(fēng)幕簾等),防止巷道向采空區(qū)內(nèi)漏風(fēng),故在采空區(qū)內(nèi)的風(fēng)力并不是很大;遺留在采空區(qū)內(nèi)的煤炭大都按散落狀分布。因此,可以對(duì)煤礦井下采空區(qū)發(fā)生火災(zāi)時(shí)進(jìn)行理想性假設(shè):1)煤礦采空區(qū)的著火過程是在風(fēng)力不大、煤炭散落分布的條件下進(jìn)行的,失火時(shí)刻為:t=0,開始救火時(shí)刻為t=t1,滅火時(shí)刻為t=t2。2)時(shí)刻t,煤炭燃燒量為B(t)。3)煤礦損失與煤炭燃燒量B(t2)成正比,比例系數(shù)c1為燃燒單位煤炭量(每噸)的損失。4)從失火到開始救火這段時(shí)間(0≤t≤t1)內(nèi),火勢(shì)蔓延程度dBdtdBdt與時(shí)間t成正比,比例系數(shù)β稱火勢(shì)蔓延速度。5)向采空區(qū)噴三相泡沫x后,在開始救火到火被撲滅這段時(shí)間(0≤t≤t2)內(nèi),火勢(shì)蔓延速度將為β-λx,其中λ為單位量三相泡沫的平均滅火速度。6)單位量三相泡沫在單位時(shí)間的滅火費(fèi)用和一次性開支分別為c2和c3。3b3bt1由假設(shè)一可見,火勢(shì)以失火點(diǎn)為中心,以均勻速度向四周蔓延,蔓延的半徑r與時(shí)間t成正比。煤炭燃燒量B(t)與r2成正比,所以,B(t)與t2成正比,從而dBdtdBdt與時(shí)間t成正比?；饎?shì)蔓延程度dBdtdBdt在0≤t≤t1內(nèi)線性的增加,在t1≤t≤t2內(nèi)線性的減少,見圖1。計(jì)t=t1時(shí),dBdt=bdBdt=b,煤炭燃燒量B(t2)=?t20dBdtdtB(t2)=?0t2dBdtdt恰為圖中三角形的面積,顯然有B(t2)12bt2B(t2)12bt2。又(λx-β)(t2-t1)=b=βt1,即火勢(shì)以β速度蔓延,t1時(shí)間內(nèi)火勢(shì)蔓延到了b程度,當(dāng)火勢(shì)蔓延到b程度的火勢(shì)以λx-β速度減弱,t2-t1時(shí)間內(nèi)熄滅。所以:t2?t1=βt1λx?β(1)t2-t1=βt1λx-β(1)于是:B(t2)=βt212+β2t212(λx?β)(2)B(t2)=βt122+β2t122(λx-β)(2)則煤礦的煤炭損失(包括誤工煤炭損失和燃燒煤炭損失)為:c1B(t2);滅火費(fèi)用(包括人員的調(diào)度費(fèi)用)為:c2x(t2-t2)+c3x救火總費(fèi)用:C(x)=c1B(t2)+c2x(t2-t2)+c3x(3)將式(1),式(2)代入(3),得到救火總費(fèi)用為:C(x)=c1βt212+c1β2t212(λx?β)+c2βt1xλx?β+c3x(4)C(x)=c1βt122+c1β2t122(λx-β)+c2βt1xλx-β+c3x(4)所以,煤礦采空區(qū)救火費(fèi)用最小數(shù)學(xué)模型為:min0≤xC(x)=c1βt212+c1β2t212(λx?β)+c2βt1xλx?β+c3x(5)min0≤xC(x)=c1βt122+c1β2t122(λx-β)+c2βt1xλx-β+c3x(5)這是一個(gè)無約束的非線性規(guī)劃問題,其最優(yōu)解可以用微積分方法求的,令dCdx=0dCdx=0,可以得到向采空區(qū)噴射的三項(xiàng)泡沫最優(yōu)量為:x?=βx+βc1λt21+2c2t12c3λ2????????√(6)x*=βx+βc1λt12+2c2t12c3λ2(6)4模型分析和討論1采空區(qū)噴漿量對(duì)滅火費(fèi)用的影響從式(4)可以看到,費(fèi)用由四部分組成:第一部分是救火前造成的經(jīng)濟(jì)損失;第二部分救火期間造成的經(jīng)濟(jì)損失;第三部分是救火期間的救火費(fèi)用;第四部分是一次性開支,這是符合煤礦發(fā)生火災(zāi)后救火實(shí)際的。通過對(duì)式(4)中參數(shù)對(duì)滅火總費(fèi)用的影響分析可得到:當(dāng)火勢(shì)蔓延速度β變大時(shí),三相泡沫滅火費(fèi)用明顯增大,這是與實(shí)際相符合的;從報(bào)警到施救開始的時(shí)間t1越小,滅火費(fèi)用也會(huì)越小,這也符合常識(shí);采空區(qū)噴漿量x變大時(shí),相應(yīng)的費(fèi)用也會(huì)增加;三相泡沫的平均滅火速度λ(即單位量的三相泡沫噴入采空區(qū)的滅火速度)變大時(shí),總的滅火費(fèi)用會(huì)大幅度降低。2采空區(qū)歷史時(shí)最大的噴漿量從式(6)可以看到,采用三相泡沫對(duì)采空區(qū)滅火的噴漿量由兩部分組成,一部分β/λ是為了把采空區(qū)的火撲滅所必需的最少三相泡沫噴漿量,只與火勢(shì)蔓延速度β和單位量的三相泡沫噴漿的平均滅火速度有關(guān),這是十分容易得到的,從圖1也可以看到,只有當(dāng)x>β/λ時(shí),煤礦采空區(qū)火勢(shì)才會(huì)減弱下來。另一部分是在最低限度之上的噴漿量,與問題的各個(gè)參數(shù)有關(guān)。當(dāng)滅火速度λ和一次性開支系數(shù)c1增大時(shí),三相泡沫噴漿量減少;當(dāng)火勢(shì)蔓延速度β、開始救火時(shí)刻t1及損失費(fèi)用系數(shù)t2增大時(shí),三相泡沫噴漿量增加,這明顯是與常識(shí)相互一致的。而當(dāng)滅火費(fèi)用系數(shù)c1增大時(shí)三相泡沫噴漿量也將增大,這雖不明顯,但也符合實(shí)際。在對(duì)具體煤礦進(jìn)行采空區(qū)噴漿量設(shè)計(jì)時(shí),c1、c2、c3都是已知常數(shù),β、λ由煤礦采空區(qū)巷道的布置情況、煤炭的類型、三相泡沫的滅火性能等因素決定,不同煤礦可以預(yù)先制定成表格已備發(fā)生火災(zāi)時(shí)查用,從采空區(qū)失火到煤礦實(shí)施三相泡沫救火的時(shí)間t1則要根據(jù)煤礦的報(bào)警和煤礦安排滅火設(shè)備的情況估計(jì)。當(dāng)對(duì)以上參數(shù)確定后,就可以利用公式(6)快速的設(shè)計(jì)出需要的噴漿量。5采空區(qū)火災(zāi)救助礦井火災(zāi)處理技術(shù)是一項(xiàng)系統(tǒng)工程,隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,礦井滅火技術(shù)也在不斷地創(chuàng)新。三相泡沫技術(shù)是一項(xiàng)既經(jīng)濟(jì)又高效的礦井滅火方法,在礦