CN112943343A - 煤矿采空区不同类型火灾地面钻孔高效快速灭火方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了煤矿采空区不同类型火灾地面钻孔高效快速灭火方法，包括以下步骤：S1，根据井下漏风位置的不同和采空区自燃三带分布的不同，将采空区火灾类型划分并设计不同灭火方案；S2，根据不同灭火方案选择地面泵注井类型、井位和层位；S3，根据不同灭火方案选择不同的地面泵注井的井身结构；S4，根据步骤S3中不同的井身结构设置钻进工艺；S5，地面泵注优化，所述地面泵注优化包括氮/氮气泵注参数优化和混合砂浆泵注程序优化；S6，灭火效果评价；本发明划分了采空区火灾发生类型，根据不同火灾发生类型，分别提出针对性煤矿采空区安全、高效灭火工艺技术；与传统灭火工艺相比，能够实现对不同煤矿采区＝等规则或不规则情况下的快速、安全灭火。
Description
技术领域
本发明涉及煤矿区抢险救灾工程技术领域，特别是一种煤矿采空区不同火灾类型地面钻孔高效快速灭火方法。
背景技术
我国一些地区的煤本身具有自燃倾向性，当煤与空气中的氧气发生反应，生成氧化物。随着温度的升高，当达到煤自燃温度时，煤会自燃从而可能发生煤矿火灾。煤矿井下作业时，一些高温或易产生明火的设备与易燃物接触，点燃易燃物，也可能发生火灾。当煤矿发生火灾时，由于煤层内一般含有瓦斯气体，容易点燃煤层中的瓦斯气体，导致火灾进一步扩大甚至发生煤矿瓦斯爆炸，危及生命，财产受到损失。因此，及时扑灭煤矿采区的火灾显得非常重要。
目前，煤矿采区灭火的方法主要有注水法、注浆法、喷注阻燃剂法、注惰性泡沫气体法。采用注水法灭火时，需要对火源位置非常明确。当火源位置比较隐蔽时，采用注水法可能无法完全灭火，导致未熄灭的火再次复燃，造成二次火灾。采用该灭火法在火灾现场进行灭火时，人身安全受到一定的威胁。采用注浆法进行灭火时，浆体的粘度相对比较大，可能无法完全隔绝着火点附近的氧气，灭火效果一般。而且浆体注入后，与煤混合到一起，容易造成污染。当火势相对较小时，采用喷注阻燃剂法能起到灭火的作用；当火势相对较大时，应用此法灭火效果相对较差。与其他几种方法相比，注惰性泡沫气体法灭火效果相对较好，但惰性泡沫气体成本造价较高，推广应用受到一定的限制。而且在煤矿井下进行灭火时，人身安全受到一定的威胁。采用地面钻孔灭火，既能保证人身安全，同时又能达到快速灭火的目的。但煤矿采空区起火类型不同，采取的地面灭火方法也不同。目前，虽然在地面进行了钻孔灭采空区的施工，但针对煤矿采空区不同的火灾类型，如何高效、快速的灭火工艺技术却相对匮乏，灭火工艺技术的针对性不强。针对目前煤矿采空区火灾类型多样、火源位置差异、火走势差异等问题，亟需设计出一种地面钻孔高效、快速灭火工艺与方法。
发明内容
为了克服上述不足，本发明的目的是要提供一种煤矿采空区不同火灾类型地面钻孔高效快速灭火方法。
为达到上述目的，本发明是按照以下技术方案实施的：
煤矿采空区不同类型火灾地面钻孔高效快速灭火方法，包括以下步骤：
S1，根据井下漏风位置的不同和采空区自燃三带分布的不同，将采空区火灾类型划分并设计不同灭火方案；
S2，根据不同灭火方案选择地面泵注井类型、井位和层位，所述地面泵注井包括注浆封闭井和注氮灭火井；
S3，根据不同灭火方案选择不同的地面泵注井的井身结构，所述地面泵注井包括直井和多分支水平井；
S4，根据步骤S3中不同的井身结构设置钻进工艺；
S5，地面泵注优化，所述地面泵注优化包括氮/氮气泵注参数优化和混合砂浆泵注程序优化；
S6，灭火效果评价；
具体的，步骤S1中，所述采空区火灾类型包括矿井间漏风型火灾、地表裂隙漏风型火灾、通风构筑物漏风型火灾、煤柱裂隙漏风型火灾和采空区底板岩层漏风型火灾，其中，矿井间漏风型火灾使用直井注浆封堵和直井地面注氮气的结合方式进行灭火，地表裂隙漏风型火灾使用顶板多分支水平井注浆和直井注液氮的结合方式进行灭火，通风构筑物漏风型火灾使用通风系统减少风量、通风构筑物维修和直井地面注氮气的方式进行灭火，煤柱裂隙漏风型火灾使用通风系统风量调整、地面直井注浆封堵和注氮气的方式进行灭火，采空区底板岩层漏风型火灾使用底板多分支水平井注液氮的方式进行灭火；
具体的，注氮气、液氮、注浆均采用采空区注氮注浆装置进行，所述采空区注氮注浆装置包括动力系统、第一灭火系统、第二灭火系统、钻进系统和辅助系统，所述动力系统用于向第一灭火系统和第二灭火系统提高氮气，所述钻进系统用于打井，所述辅助系统用于对灭火状况监测，所述动力系统包括制氮机、储气罐、空气压缩机，空气压缩机与制氮机相连接，制氮机与储气罐相连接；所述第一灭火系统包括增压机、氮气泵车、单流阀、采气树和放空阀，所述储气罐通过高压管线连接增压机和氮气泵车，所述单流阀安装在高压管线上，所述采气树插入井口内，所述采气树上安装有放空阀，所述第二灭火系统包括原料车、搅拌机、盛浆桶、注浆泵、注浆管和止浆塞，所述原料车将原料倒入搅拌机，搅拌好的浆料直接流入盛浆桶，注浆泵利用注浆管向井口内注浆，井口内壁上设置止浆塞；所述钻进系统包括辅助架、钻杆、空气潜孔锤钻头、钻铤和钻机，所述钻进系统利用高压管线连接储气罐，钻机依次与钻杆、空气潜孔锤钻头相连接，钻机负责提供钻进动力，钻杆用于传递钻机回转动力及加压动力给钻头，并保证钻孔的深度和方向，空气潜孔锤钻头以压缩空气为动力对岩层进行高频冲击，在钻机和钻杆的带动下完成岩层钻孔作业；所述辅助系统包括仪表车、流量传感器和压力传感器，所述流量传感器和压力传感器为两组、分别安装在第一灭火系统的采气树上和第二灭火系统的注浆管上；
具体的，骤S3中，所述多分支水平井井身结构包括一开直井段、二开直井段、造斜段和水平段和多个分支组成，一直开井段钻进完成后利用水泥进行封固，凝固再进行二开钻进，多个分支均与水平段相连通；
具体的，步骤S5中，氮/氮气泵注参数优化包括以下步骤：根据工作面采空区漏风量以及采空区氧气浓度计算所需采空区灭火泵注氮气最小速度：
式中，QN-泵注氮气速度；K-根据矿井实际情况选取的备用系数，1.2～1.5；Q0-采空区氧化带漏风量；C1-采空区氧化带初始氧气浓度；C2-煤的自燃临界氧气浓度；CN-注入氮气浓度；
根据采空区体积、未封闭的巷道体积、采空区漏风情况，计算出总注氮量应为：
Q＝3×(L1×L2×H+V巷) (2)
式中，Q-总注氮量，m3；L1-采空区走向长度；L2-工作面宽度，m；H-煤层采高；V巷-未封闭通风巷道体积；
根据计算出的总注氮量和注氮速度可以计算出对应注氮时间：
式中，TN-注氮天数，天；Q-注氮总量，m3；QN-注氮速度，m3/min；
具体的，步骤S5中，混合砂浆泵注程序优化包括以下步骤：首先利用注浆封闭井钻孔，根据漏风通道不同类型，采取不同封堵方式；通风巷道及煤壁破裂漏风：向煤壁漏风位置实施定向喷洒水泥砂浆，依次注入砂砾骨料、水，形成3-5m骨架堆后，下入注浆管喷洒水混合砂浆，喷洒混合砂浆前在混合砂浆中混入水泥浆速凝剂，使其在井下能够快速凝固，喷洒的混合砂浆能够完全覆盖砂砾骨架和水形成的骨架堆之后停止泵注，取出注浆管候凝，继续循环下入砂砾骨料、水、水泥浆，使得封堵高度每次循环增高3-5m；根据井下漏风通道规模确定循环次数，直至封堵作业完成；采空区顶底板裂隙漏风：利用水平井主分支分别向顶底板裂隙注入混合水泥砂浆，实现顶底板裂隙封堵；
具体的，步骤S6中，利用气体浓度分析、感温元件对灭火效果评价，并依据辅助系统的流量传感器和压力传感器数据实时监测调整第一灭火系统和第二灭火系统的泵注参数。
与现有技术相比，本发明的煤矿采空区不同类型火灾地面钻孔高效快速灭火方法具备以下有益效果：
(1)本发明的步骤S1主要通过不同漏风方式引发火灾对采空区火灾类型进行划分，根据采空区火灾类型提出针对性灭火方案，实现漏风通道快速封堵和注氮吸热灭火；和传统采空区火灾灭火工艺相比，本工艺综合了均压灭火、隔绝灭火、惰性气体灭火等多种灭火手段，能够大幅度提高灭火效率和安全保证：①通过调整通风系统风量减少采空区系统压差，可以减缓火灾规模进一步扩大；②使用泥浆封堵漏风通道，既可以有效隔绝氧气来源，减小火灾规模，又能避免灭火后火灾复燃；③采用惰性气体灭火，可以快速寻找火源，稀释氧气浓度，吸热灭火。根据不同火灾发生类型适用条件进行优化组合搭配，能够在对采空区火灾进行快速高效治理。
(2)本发明的步骤S2和传统地面泵注井井位、层位设计相比，根据地面泵注井类型、漏风位置差异等对地面泵注井井位位置分布、目的层位确定进行优化；优化后的井位、层位方案，可以使水泥砂浆、液氮/氮气快速泵注至目标区域，减少气体扩散过程，缩短灭火时间。
(3)本发明的步骤S3公开了多分支水平井，根据采空区漏风裂隙位置差异，对地面井井型进行优化，多分支水平井在采空区顶底板漏风裂隙封堵和注氮效果方面效率优于垂直井。
(4)和传统钻进工艺相比，进行了以下工艺优化：①考虑到采空区上部裂隙带瓦斯富集效应，采用常规钻进极易发生瓦斯事故，故选用空气潜孔锤钻头，安全系数高，施工速度快；②考虑到采空区地表情况复杂，修路施工工期长、井场铺设难度大、运氮车运载能力有限等特点，选择地面制氮与运氮车组合供氮的方式，减少氮气使用成本，减小修路施工压力，也可以为灭火后采空区氮气防火工程提供基础。
(5)和传统泵注工艺相比，本发明：①根据工作面采空区漏风量以及采空区氧气浓度精确计算液氮/氮气的泵注速度、泵注时间、泵注总量，减少氮气/液氮的浪费，减少采空区注氮灭火时间；②优化了井下漏风通道注浆封堵程序，根据井下漏风通道类型不同，针对性采用不同封堵程序，可以有效节省水泥砂浆用量，减少水泥砂浆凝结时间，达到快速封堵效果。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的工艺流程示意图；
图2为本发明实施例的地面泵注井井位结构示意图；
图3为本发明实施例的注浆封闭井结构示意图；
图4为本发明实施例的注氮灭火井结构示意图；
图5为本发明实施例的多分支水平井井身结构示意图；
图6为本发明实施例的采空区注氮注浆装置结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步描述，在此发明的示意性实施例以及说明用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
如图1所示，本实施例煤矿采空区不同火灾类型地面钻孔高效快速灭火工艺主要包括：采空区火灾类型划分及灭火方案优化、不同灭火方案地面泵注井井位/层位设计优化、地面泵注井井身结构设计优化、钻进工艺设计优化、地面泵注参数/程序优化、灭火效果评价等6部分组成。其中，采空区火灾类型划分及灭火方案部分主要根据不同成因类型对采空区火灾进行划分，并提出针对性高效灭火工艺；不同灭火方案地面泵注井井位/层位设计部分主要根据不同采空区火灾发生类型下的漏风位置及火源位置差异，对地面泵注井的井位/层位位置进行优化；地面泵注井井身结构设计部分主要根据井位/层位优化方案以及对应灭火方案需求进行井身结构设计；钻进工艺设计部分主要结合地层结构和井身结构设计选取钻井开次和钻具组合；地面泵注参数/程序优化部分用于计算合理泵注参数和泵注程序；灭火效果评价部分用于高效灭火施工结束后的灭火效果评价。
具体方法步骤为：
S1，根据井下漏风位置的不同和采空区自燃三带分布的不同，将采空区火灾类型划分并设计不同灭火方案；
采空区火灾是煤矿井下常见的由煤炭自然发火引发的自因火灾之一。其发生原理为井下漏风导致采空区氧气浓度上升，采空区堆积遗煤氧化升温至一定程度后煤体发生自燃，形成采空区火灾。综合考虑各种灭火方法及采空区煤炭自燃发火原理，根据漏风位置不同，采空区自燃“三带”分布不同。可以将采空区火灾发生类型化分为以下5种，并提出针对性灭火措施。采空区火灾类型划分及灭火方案见表1。
表1采空区火灾发生类型划分及针对性灭火方案
其中，氮气、液氮、注浆均采用采空区注氮注浆装置进行，所述采空区注氮注浆装置包括动力系统101、第一灭火系统102、第二灭火系统103、钻进系统104和辅助系统105，所述动力系统101用于向第一灭火系统102和第二灭火系统103提供氮气，所述钻进系统104用于打井，所述辅助系统105用于对灭火状况监测，所述动力系统101包括制氮机9、储气罐10、空气压缩机11，空气压缩机11与制氮机9相连接，制氮机9与储气罐10相连接；所述第一灭火系统102包括增压机12、氮气泵车15、单流阀13、采气树16和放空阀17，所述储气罐10通过高压管线14连接增压机12和氮气泵车15，所述单流阀13安装在高压管线14上，所述采气树16插入井口内，所述采气树16上安装有放空阀17，所述第二灭火系统103包括原料车29、搅拌机30、盛浆桶31、注浆泵32、注浆管33和止浆塞34，所述原料车29将原料倒入搅拌机30，搅拌好的浆料直接流入盛浆桶31，注浆泵32利用注浆管33向井口内注浆，井口内壁上设置止浆塞34；所述钻进系统104包括辅助架22、钻杆23、空气潜孔锤钻头24、钻铤25和钻机26，所述钻进系统104利用高压管线14连接储气罐10，钻机26依次与钻杆23、空气潜孔锤钻头24相连接，钻机26负责提供钻进动力，钻杆23用于传递钻机26回转动力及加压动力给钻头24，并保证钻孔的深度和方向，空气潜孔锤钻头24以压缩空气为动力对岩层进行高频冲击，在钻机26和钻杆23的带动下完成岩层钻孔作业；所述辅助系统105包括仪表车28、流量传感器18和压力传感器19，所述流量传感器18和压力传感器19为两组、分别安装在第一灭火系统102的采气树16上和第二灭火系统103的注浆管33上。
S2，根据不同灭火方案选择地面泵注井类型、井位和层位，所述地面泵注井包括注浆封闭井和注氮灭火井；注浆封闭井主要用于向通风系统巷道、煤壁裂隙泵注水泥浆封堵漏风通道，防止通风系统继续向目标火灾区泄露氧气，通过隔绝氧气来源抑制火灾范围进一步扩大；注氮灭火井则主要是通过向采空区注入液氮/氮气，通过弥散作用稀释采空区内的氧气浓度、吸收目标火灾区域温度和平衡区域内外压力，达到快速灭火降温的目的。
根据两种地面井不同用途，通过查明采空区火灾发生类型和井下通风系统结构划分火灾发生范围及流场分布，结合煤层走向、倾角确定地面泵注井井位位置分布，根据煤矿开采规模和采空区空间大小确定泵注井个数。不同灭火方案地面泵注井井位、层位设计方案见表2。
表2不同灭火方案地面泵注井井位、层位设计方案
以某工作面为例布井设计方案见图2。
图2中，1为巷道注浆封闭井，2为采空区注氮灭火井，3为密封墙，4为工作面，5为回风巷，6为进风巷，7为采空区，8为目标火灾区。
S3，根据不同灭火方案选择不同的地面泵注井的井身结构，所述地面泵注井包括直井和多分支水平井；根据采空区火灾类型划分及针对性灭火方案，可以将地面泵注井划分为直井式注浆封闭井、多分支水平井式注浆封闭井、直井式注氮灭火井和多分支水平井式注氮灭火井等4种类型。其中，直井式注浆封闭井用于泥浆封堵煤壁裂隙、巷道裂隙等漏风通道，目的层位为巷道顶板、采空区上部等处；多分支水平井式注浆封闭井用于泥浆封堵浅层煤层采空区上部与地表联通裂隙，目的层位为采空区上部裂隙带；直井式注氮灭火井用于向采空区泵注氮气/液氮，目的层位为采空区上部；多分支水平井式注氮灭火井用于向采空区泵注氮气/液氮，目的层位为采空区底板裂隙带。
考虑到煤矿火灾危险性，需要选择施工简便，技术难度低的施工方案，因此地面泵注井均选择二开结构，由于水泥浆和液氮/氮气粘度等物理性质以及岩层结构差异，要求巷道注浆封闭井井径大于采空区注氮灭火井井径。
以某地煤层基岩厚度40m，目标煤层顶板埋深300m为例，井身结构设计见表3、表4。
表3注浆封闭井井身结构数据
表4注氮灭火井井身结构数据
S4，根据步骤S3中不同的井身结构设置钻进工艺；该部分主要由动力系统和钻进系统组合而成。其中动力系统主要用于提供钻进动力，钻进系统负责实现煤层或岩层的钻进。主要装置包括：制氮机9、储气罐10、空压机11、增压机12、单流阀13、高压管线14、钻机26、钻杆23、空气潜孔锤钻头24及连接装置等。
如图5所示，利用高压管线14依次连接空压机11、增压机12、制氮机9、增压机12、储气罐10、单流阀13、增压机12、钻进系统/灭火系统。其中空压机11用于压缩空气为制氮机9提供原材料，增压机12用于为气体增压，制氮机9用于利用压缩空气制作氮气，储气罐10用于存储制作好的氮气，单流阀13用于控制氮气流向钻进系统/灭火系统，提供钻进/灭火所需的压缩空气/氮气。钻机26依次与钻杆23、空气潜孔锤钻头24相连接。其中钻机负责提供钻进动力，钻杆23用于传递钻机回转动力及加压动力给钻头24，并保证钻孔的深度和方向，空气潜孔锤钻头24以压缩空气为动力对岩层进行高频冲击，在钻机26和钻杆23的带动下完成岩层钻孔作业。其中多分支水平井井身结构包括一开直井段(一开)35、二开直井段(二开)36、造斜段39和水平段40和多个分支41组成，一直开井段35钻进完成后利用水泥进行封固，凝固再进行二开36钻进，多个分支41均与水平段40相连通，具体的：
a.注浆封闭井
直井式注浆封闭井：如图3所示，其中35为一开，36为二开，37为巷道；
一开35采用445.00mm空气潜孔锤开孔，钻至稳定基岩下10m，下入377.00mm套管，环空水泥浆返至地面。
二开36采用311.15mm空气潜孔锤钻进，钻至巷道以上70m或在钻进过程中出现漏风，单纯用空压机带动潜孔锤的压力和排量不足以继续钻进，更换为氮气循环介质施工，使用泵车将液氮加压后输送至钻机空气管汇带动潜孔锤工作，直至钻入巷道。
多分支水平井式注浆封闭井：
一开35采用445.00mm空气潜孔锤开孔，钻至稳定基岩下10m，下入377.00mm套管，环空水泥浆返至地面。
二开36采用311.15mm空气潜孔锤钻进，钻至150m进行定点造斜，根据采空区上覆岩层裂隙带高度计算将多分支水平井主支纵向位置布置在裂隙带中部。多分支水平井主支走向采用垂直裂隙带主裂隙走向。
b.注氮灭火井
直井式氮灭火井：如图4所示，其中35为一开，36为二开，38为采空区；
一开35采用311.15mm空气潜孔锤开孔，钻至稳定基岩下10m，下入244.5mm套管，环空水泥浆返至地面。
二开36采用215.90mm空气潜孔锤钻进，钻至巷道以上70m或在钻进过程中出现漏风，更换为氮气循环介质施工，直至钻入采空区。下入139.7mm套管，套管下深距采空区顶1-2m处。
多分支水平井式注氮灭火井：
一开35采用311.15mm空气潜孔锤开孔，钻至稳定基岩下10m，下入244.5mm套管，环空水泥浆返至地面。
二开36采用215.90mm空气潜孔锤钻进，钻至150m进行定点造斜，将多分支水平井主支纵向位置布置在采空区底板裂隙带中部。多分支水平井主支走向采用垂直裂隙带主裂隙走向。
钻具组合设计见表5，表6。
表5直井钻具组合设计
表6水平井钻具组合设计
S5，地面泵注优化，所述地面泵注优化包括氮/氮气泵注参数优化和混合砂浆泵注程序优化；地面泵注优化主要包括：包括①液氮/氮气泵注参数优化和②混合砂浆泵注程序优化。
a.液氮/氮气泵注参数优化
该部分主要优化液氮/氮气的泵注速度、泵注时间、泵注气体总量等。
根据工作面采空区漏风量以及采空区氧气浓度计算所需采空区灭火泵注氮气最小速度：
式中，QN-泵注氮气速度，m3/min；K-根据矿井实际情况选取的备用系数，1.2～1.5；Q0-采空区氧化带漏风量(取工作面风量1％)，m3/min；C1-采空区氧化带初始氧气浓度(一般为10％～18％，取15％)，％；C2-煤的自燃临界氧气浓度(一般为7％～10％，取7％)，％；CN-注入氮气浓度(一般为97％)，％。
根据采空区体积、未封闭的巷道体积、采空区漏风情况，一般实际注氮体积应为采空区体积3倍左右，可以计算出总注氮量应为：
Q＝3×(L1×L2×H+V巷) (2)
式中，Q-总注氮量，m3；L1-采空区走向长度(根据采空区“自燃”三带划分，氧化带一般为距工作面30m～150m，取150m)，m；L2-工作面宽度，m；H-煤层采高，m；V巷-未封闭通风巷道体积，m3。
根据计算出的总注氮量和注氮速度可以计算出对应注氮时间：
式中，TN-注氮天数，天；Q-注氮总量，m3；QN-注氮速度，m3/min。
b.混合砂浆泵注程序优化
该部分主要优化向井下漏风通道注浆封堵的泵注程序。
为了达到井下漏风通道快速封堵的效果，需要对传统注浆封堵泵注程序进行工序优化。首先利用注浆封闭井钻孔，根据漏风通道不同类型，采取不同封堵方式。通风巷道及煤壁破裂漏风：向煤壁漏风位置实施定向喷洒水泥砂浆，依次注入砂砾骨料、水，形成3-5m骨架堆后，下入注浆管喷洒水泥浆(混合砂浆)，喷洒水泥浆前在水泥浆中混入水泥浆速凝剂(“水玻璃”等)，使其在井下能够快速凝固，喷洒的水泥浆能够完全覆盖砂砾骨架和水形成的骨架堆之后停止泵注，取出注浆管候凝，继续循环下入砂砾骨料、水、水泥浆，使得封堵高度每次循环增高3-5m。根据井下漏风通道规模确定循环次数，直至封堵作业完成；采空区顶底板裂隙漏风：利用水平井主分支分别向顶底板裂隙注入混合水泥砂浆，实现顶底板裂隙封堵。
S6，灭火效果评价；
该部分主要用于利用气体浓度分析、感温元件等辅助系统对灭火效果进行评价。辅助系统主要功能是实时监测获取工艺流程中的关键参数。该系统主要装置包括仪表车28、数据线缆27、流量传感器18、压力传感器19等。
如图5所示，仪表车28利用数据线缆27分别与流量传感器18、压力传感器19相连接。其中流量传感器10，压力传感器11分别用于实时监测整个测试装置内不同位置的压力和气、液体流量数据，并通过数据线缆27传输至仪表车28内的计算机中，用于辅助调整泵注方案参数，评价灭火效果。
本实施例划分了采空区火灾发生类型，根据不同火灾发生类型，分别提出针对性煤矿采空区安全、高效灭火工艺技术。与传统灭火工艺相比，能够实现对不同煤矿采区(巷道、采空区、采煤工作面)等规则或不规则情况下的快速、安全灭火。
本实施例能够准确查明采空区漏风位置，确定火灾火源位置的火灾发生类型，可以通过地面注浆封堵、通风巷道维护等手段，快速隔绝采空区的氧气来源，地面大排量泵注氮气，实现针对性灭火；对于不能够准确查明漏风位置和火灾火源位置的火灾发生类型，通过地面泵注井向采空区注液氮，一方面降低采空区系统内外压差，减少氧气泄露速率，另一方面快速降低火源附近的氧气浓度和温度，实施起来安全，能实现隐蔽火源的灭火，显著降低了煤层再次发生火灾的可能性。
本发明的技术方案不限于上述具体实施例的限制，凡是根据本发明的技术方案做出的技术变形，均落入本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.煤矿采空区不同类型火灾地面钻孔高效快速灭火方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1，根据井下漏风位置的不同和采空区自燃三带分布的不同，将采空区火灾类型划分并设计不同灭火方案；
S2，根据不同灭火方案选择地面泵注井类型、井位和层位，所述地面泵注井包括注浆封闭井和注氮灭火井；
S3，根据不同灭火方案选择不同的地面泵注井的井身结构，所述地面泵注井包括直井和多分支水平井；
S4，根据步骤S3中不同的井身结构设置钻进工艺；
S5，地面泵注优化，所述地面泵注优化包括氮/氮气泵注参数优化和混合砂浆泵注程序优化；
S6，灭火效果评价。
2.根据权利要求1所述的煤矿采空区不同类型火灾地面钻孔高效快速灭火方法，其特征在于，步骤S1中，所述采空区火灾类型包括矿井间漏风型火灾、地表裂隙漏风型火灾、通风构筑物漏风型火灾、煤柱裂隙漏风型火灾和采空区底板岩层漏风型火灾，其中，矿井间漏风型火灾使用直井注浆封堵和直井地面注氮气的结合方式进行灭火，地表裂隙漏风型火灾使用顶板多分支水平井注浆和直井注液氮的结合方式进行灭火，通风构筑物漏风型火灾使用通风系统减少风量、通风构筑物维修和直井地面注氮气的方式进行灭火，煤柱裂隙漏风型火灾使用通风系统风量调整、地面直井注浆封堵和注氮气的方式进行灭火，采空区底板岩层漏风型火灾使用底板多分支水平井注液氮的方式进行灭火。
3.根据权利要求2所述的煤矿采空区不同类型火灾地面钻孔高效快速灭火方法，其特征在于，注氮气、液氮、注浆均采用采空区注氮注浆装置进行，所述采空区注氮注浆装置包括动力系统、第一灭火系统、第二灭火系统、钻进系统和辅助系统，所述动力系统用于向第一灭火系统和第二灭火系统提供氮气，所述钻进系统用于打井，所述辅助系统用于对灭火状况监测，所述动力系统包括制氮机、储气罐、空气压缩机，空气压缩机与制氮机相连接，制氮机与储气罐相连接；所述第一灭火系统包括增压机、氮气泵车、单流阀、采气树和放空阀，所述储气罐通过高压管线连接增压机和氮气泵车，所述单流阀安装在高压管线上，所述采气树插入井口内，所述采气树上安装有放空阀，所述第二灭火系统包括原料车、搅拌机、盛浆桶、注浆泵、注浆管和止浆塞，所述原料车将原料倒入搅拌机，搅拌好的浆料直接流入盛浆桶，注浆泵利用注浆管向井口内注浆，井口内壁上设置止浆塞；所述钻进系统包括辅助架、钻杆、空气潜孔锤钻头、钻铤和钻机，所述钻进系统利用高压管线连接储气罐，钻机依次与钻杆、空气潜孔锤钻头相连接，钻机负责提供钻进动力，钻杆用于传递钻机回转动力及加压动力给钻头，并保证钻孔的深度和方向，空气潜孔锤钻头以压缩空气为动力对岩层进行高频冲击，在钻机和钻杆的带动下完成岩层钻孔作业；所述辅助系统包括仪表车、流量传感器和压力传感器，所述流量传感器和压力传感器为两组、分别安装在第一灭火系统的采气树上和第二灭火系统的注浆管上。
4.根据权利要求1或2所述的煤矿采空区不同类型火灾地面钻孔高效快速灭火方法，其特征在于，步骤S3中，所述多分支水平井井身结构包括一开直井段、二开直井段、造斜段和水平段和多个分支组成，一直开井段钻进完成后利用水泥进行封固，凝固再进行二开钻进，多个分支均与水平段相连通。
5.根据权利要求1或2所述的煤矿采空区不同类型火灾地面钻孔高效快速灭火方法，其特征在于，步骤S5中，氮/氮气泵注参数优化包括以下步骤：根据工作面采空区漏风量以及采空区氧气浓度计算所需采空区灭火泵注氮气最小速度：
式中，QN-泵注氮气速度；K-根据矿井实际情况选取的备用系数，1.2～1.5；Q0-采空区氧化带漏风量；C1-采空区氧化带初始氧气浓度；C2-煤的自燃临界氧气浓度；CN-注入氮气浓度；
根据采空区体积、未封闭的巷道体积、采空区漏风情况，计算出总注氮量应为：
Q＝3×(L1×L2×H+V巷) (2)
式中，Q-总注氮量，m3；L1-采空区走向长度；L2-工作面宽度，m；H-煤层采高；V巷-未封闭通风巷道体积；
根据计算出的总注氮量和注氮速度可以计算出对应注氮时间：
式中，TN-注氮天数，天；Q-注氮总量，m3；QN-注氮速度，m3/min。
6.根据权利要求1或2所述的煤矿采空区不同类型火灾地面钻孔高效快速灭火方法，其特征在于，步骤S5中，混合砂浆泵注程序优化包括以下步骤：首先利用注浆封闭井钻孔，根据漏风通道不同类型，采取不同封堵方式；通风巷道及煤壁破裂漏风：向煤壁漏风位置实施定向喷洒水泥砂浆，依次注入砂砾骨料、水，形成3-5m骨架堆后，下入注浆管喷洒水混合砂浆，喷洒混合砂浆前在混合砂浆中混入水泥浆速凝剂，使其在井下能够快速凝固，喷洒的混合砂浆能够完全覆盖砂砾骨架和水形成的骨架堆之后停止泵注，取出注浆管候凝，继续循环下入砂砾骨料、水、水泥浆，使得封堵高度每次循环增高3-5m；根据井下漏风通道规模确定循环次数，直至封堵作业完成；采空区顶底板裂隙漏风：利用水平井主分支分别向顶底板裂隙注入混合水泥砂浆，实现顶底板裂隙封堵。
7.根据权利要求3所述的煤矿采空区不同类型火灾地面钻孔高效快速灭火方法，其特征在于，步骤S6中，利用气体浓度分析、感温元件对灭火效果评价，并依据辅助系统的流量传感器和压力传感器数据实时监测调整第一灭火系统和第二灭火系统的泵注参数。
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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