CN114508380B - 一种栅格法划分煤田火区建立帷幕墙治理煤自燃的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种栅格法划分煤田火区建立帷幕墙治理煤自燃的方法，包括：确定煤层分布情况及发火情况；以火源或煤层高温区在地面上的竖直投影为中心将地面划分为栅格；在划分好的栅格线位置上分别从地面竖直向下施工钻孔；通过钻孔在煤层水平方向上打炮眼钻孔，安装爆破管并向爆破管中填塞炸药，进行爆破，使得栅格线在煤层的竖直投影上形成地下空间；形成地下帷幕墙：通过钻孔注入阻燃材料形成地下帷幕墙，阻断煤火传播。本发明利用煤层分布情况规划网格，通过定向爆破建立地下帷幕墙，截断火路实现了火无可燃物而自灭；并且阻燃材料截断漏气通道，阻止火路的发展，实现火无氧而自熄，将火区控制在小范围内，能够有效预防大范围煤田火灾的发生。
Description
技术领域
本发明涉及煤炭资源开发与利用技术领域，具体涉及一种栅格法划分煤田火区建立帷幕墙治理煤自燃的方法。
背景技术
我国是煤炭产量大国，在我国新疆、内蒙古、宁夏等很多煤矿中，煤层自燃火灾十分严重。据统计，由于煤田火灾导致煤炭资源损失量为4.2Gt，每年因自燃直接烧损的煤炭资源量达10～13.6Mt煤田火灾造成大量资源浪费，生态环境严重破坏。而针对煤田火灾问题，现阶段治理煤层火区的方法有1)地表覆盖法；2)钻孔注浆法；3)剥离灭火法；4)综合灭火法。地表覆盖法是利用黄土填埋火区地表裂缝，及废弃井工小窑，抑制火区的供养通风，达到使火区火源缓慢窒息的目的。此方法优点是施工快，工艺过程简单，但是由于灭火周期长且受地形影响大，所以使用率低。钻孔注浆法是将水与阻燃材料(如黄土)一定的配比，制成适当浓度的浆状液体，通过输浆管道直接沿地表裂隙灌浆，或利用钻孔直接注入发火煤层带。此方法对阻燃材料性能要求较高，要求阻燃材料易脱水具有一定的稳定性，粒径必须大于1mm小于2mm，且小于1mm的颗粒不应小于75％，浆状液体密度范围为2.4～2.8g/m3；剥离灭火法是在火区范围内超前注水，剥离台阶与注水台阶分开，自上而下分台阶剥离，直至挖除着火体。其灭火效果彻底，适应性强，但工艺施工特殊、复杂且不容易操作。
煤的燃烧与其他物质的燃烧一样，必须具备3个条件：可燃物、充足的氧气、适宜的温度。在制定灭火方案时，往往采用隔绝空气，消灭供氧条件，使火因缺氧而熄灭。但是这些方法存在复燃率高、根治不彻底、工程量大、治理成本高等问题，且只能暂时缓解小范围的煤田火灾，不能解决大范围煤田火灾问题。防火隔离带是对森林火灾进行主动预防的一种措施，在高危火险区域、重要风景名胜区、原始森林等需要控制的面积和地势区域可以修建防火隔离带，设置成具有防火能力的闭合网络，以控制森林内部火灾的蔓延。在森林火灾发生时，防火隔离带往往发挥关键作用。目前国内外对于煤田火区的问题仍停留在灭火治理的层面上，而对于煤田划分栅格分区治理预防火区还未有相关研究应用。
发明内容
为了解决现主流灭火技术中根治不彻底、工程量大等问题，本发明提供一种栅格法划分煤田火区建立帷幕墙治理煤自燃的方法，为了实现上述技术目的，本发明采用如下技术方案：
一种栅格法划分煤田火区建立帷幕墙治理煤自燃的方法，包括如下步骤：
S1：确定煤层分布情况及发火情况；
S2：将地面划分为栅格：以火源或煤层高温区在地面上的竖直投影为中心将地面划分为20mX20m-60mX60m的栅格；
S3：施工钻孔：在划分好的横向、纵向栅格线位置上分别从地面竖直向下施工若干钻孔，钻孔深度到达煤层底板；
S4：爆破形成地下空间：通过钻孔在煤层水平方向上打炮眼钻孔，安装爆破管并向爆破管中填塞炸药，进行集中定向爆破贯通相邻钻孔，使得栅格线在煤层的竖直投影上形成地下空间；
S5：形成地下帷幕墙：通过钻孔注入阻燃材料形成地下帷幕墙，阻断煤火传播。
优选地，步骤S1利用遥感技术或采用无人机携带红外测温仪对煤田火区温度进行探测后，演算出煤田火区温度分布云图以及煤田火区温度火区蔓延方向图，根据煤田火区温度分布云图以及火区蔓延方向图进行区域划分，识别出高温煤田火区的基础上，通过地面钻孔分析孔底温度、煤层厚度，确定煤层分布情况及发火情况。
优选地，步骤S2中栅格尺寸具体划分如下：以着火点为中心，做半径20m的圆，当圆内过火面积大于圆面积的40％时，栅格尺寸为20mX20m-30mX30m；当圆内过火面积大于等于圆面积的20％且小于等于圆面积的40％时，栅格尺寸为30mX30m-50mX50m；当圆内过火面积小于圆面积的20％时，栅格尺寸为50mX50m-60mX60m。
优选地，步骤S4中炮眼钻孔直径200mm-400mm；炸药安装垂直间距600mm-800mm；爆破管采用PVC管，管壁厚度为50mm；爆破管直径及长度计算如下：
D＝D0-15
H＝H0-25
其中，D0为炮眼钻孔直径，H0为炮眼钻孔深度，D为爆破管直径，H为爆破管长度，单位mm。
优选地，步骤S4中炸药密度为：1.0～2.0kg/m2；单孔炸药的质量m计算如下：
其中，ρ为炸药密度，H为爆破管长度，D为爆破管直径，T0为爆破点初始温度。
优选地，步骤S5中阻燃材料为高保水胶合材料浆液，高保水胶合材料浆液由高保水胶合材料和水混合而成，高保水胶合材料、灌浆总用水量、高保水胶合材料浆液质量计算如下：
高保水胶合材料：Q料＝K1LhT(1+K2)
灌浆总用水量：Q水＝6Q料
高保水胶合材料浆液：Q浆＝Q料+Q水；
其中，L为帷幕墙长度，h为煤层厚度，T为帷幕墙厚度，K1为高保水胶合材料浆填充系数，静压注浆取为0.6，K2为高保水胶合材料浆自然流失系数，取为0.05。
优选地，步骤S5中通过钻孔注入阻燃材料过程如下：
第一次灌浆：多钻孔同时灌浆，进浆速度为第一次灌浆起始进浆速度的1/4时结束第一次灌浆；第二次灌浆：多钻孔同时灌浆，灌浆压力达到0.3MPa并稳定10min且进浆速度为第二次灌浆起始进浆速度的1/4时结束第二次灌浆。
优选地，步骤S5中地下帷幕墙厚度具体划分如下：以着火点为中心，做半径20m的圆，当圆内过火面积大于圆面积的40％时，帷幕墙厚度0.3m-0.4m；当圆内过火面积大于等于圆面积的20％且小于等于圆面积的40％时，帷幕墙厚度0.2m-0.3m；当圆内过火面积小于圆面积的20％时，帷幕墙厚度0.15m-0.2m。
优选地，当炸药的爆炸半径为R时，栅格线上钻孔的间距为2R。
优选地，步骤S5中阻燃材料为混泥土浆液或黄土泥浆，具有充填支护作用。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
与现有技术相比，本发明分割煤田为栅格建立帷幕墙治理自燃方法不同于传统的发现火情-治理火区的被动灭火思路，结合煤燃烧的三个条件：可燃物、充足的氧气、适宜的温度，利用煤层分布情况规划网格，通过定向爆破建立地下帷幕墙，截断火路实现了火无可燃物而自灭；并且阻燃材料截断漏气通道，阻止火路的发展，实现火无氧而自熄，将火区控制在小范围内，能够有效预防大范围煤田火灾的发生。减少了传统剥离灭火、灌浆灭火方法施工工艺复杂，灵活性较差的缺点，不需要将剥离物运到指定排渣场排弃，大幅减少了剥离火源后期土地复垦复杂流程及后期投入，特别适用于煤田火区预防治理。
附图说明
为了更清楚的说明本发明实施例或现有技术的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见的，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域中的普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可根据这些附图获得其他附图。
图1为本发明方法流程图；
图2为本发明方法布置示意图；
图3为炮眼钻孔布置示意图；
图4为一个栅格钻孔、炮眼钻孔布置示意图。
图中：1-煤层；2-地面；3-钻孔；4-帷幕墙；5-阻燃材料；6-栅格；7-炮眼钻孔。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
一种栅格法划分煤田火区建立帷幕墙治理煤自燃的方法，包括如下步骤：
S1：采用无人机携带红外测温仪对煤田火区温度进行探测后演算出煤田火区温度分布云图，根据煤田火区温度分布云图进行区域划分，识别出高温煤田火区的基础上，通过地面钻孔分析孔底温度、煤层厚度，确定煤层分布情况及发火情况。
S2：将地面2划分为栅格6：以火源或煤层高温区在地面上的竖直投影为中心将地面2划分为20mX20m-60mX60m的栅格6；栅格6尺寸具体划分如下：以着火点为中心，做半径20m的圆，当圆内过火面积大于圆面积的40％时，栅格6尺寸为20mX20m-30mX30m；当圆内过火面积大于等于圆面积的20％且小于等于圆面积的40％时，栅格6尺寸为30mX30m-50mX50m；当圆内过火面积小于圆面积的20％时，栅格6尺寸为50mX50m-60mX60m。
S3：施工钻孔：在划分好的横向、纵向栅格6线位置上分别从地面2竖直向下施工若干钻孔3，钻孔3深度到达煤层底板，若突破煤层底板对底板造成损伤，则增加漏风的可能，造成火往上烧，注浆时水和注浆材料往下流的不利局面。
S4：爆破形成地下空间：通过钻孔3在煤层水平方向上打炮眼钻孔7，安装爆破管并向爆破管中填塞炸药，进行集中定向爆破贯通相邻钻孔，使得栅格6线在煤层的竖直投影上形成地下空间。通过密集的小范围的爆破，最小程度的影响周围煤体，减少煤层裂隙的形成和地面裂隙的形成，进而减少煤与氧气接触的可能性。炮眼钻孔7直径200mm-400mm；炸药安装垂直间距600mm-800mm；爆破管采用PVC管，管壁厚度为50mm；爆破管直径及长度计算如下：
D＝D0-15
H＝H0-25
其中，D0为炮眼钻孔7直径，H0为炮眼钻孔7深度，D为爆破管直径，H为爆破管长度，单位mm。
炸药密度为：1.0～2.0kg/m2；单孔炸药的质量m计算如下：
其中，ρ为炸药密度，H为爆破管长度，D为爆破管直径，T0为爆破点初始温度。
S5：形成地下帷幕墙：通过钻孔3注入阻燃材料5形成地下帷幕墙4，阻断煤火传播，将火区控制在一个小范围的方格中，无可燃物燃烧而自灭；在注浆建立帷幕墙4时，墙体周围的裂隙会被浆液填充，漏风通道减少。阻燃材料5为高保水胶合材料浆液，高保水胶合材料具有粘结性好、保水性强、不可燃的性能，高保水胶合材料作为墙体填充物，使得墙体比较密实，阻燃效果好。高保水胶合材料浆液由高保水胶合材料和水混合而成，高保水胶合材料、灌浆总用水量、高保水胶合材料浆液质量计算如下：
高保水胶合材料：Q料＝K1LhT(1+K2)
灌浆总用水量：Q水＝6Q料
高保水胶合材料浆液：Q浆＝Q料+Q水；
其中，L为帷幕墙长度，h为煤层厚度，T为帷幕墙厚度，K1为高保水胶合材料浆填充系数，静压注浆取为0.6，K2为高保水胶合材料浆自然流失系数，取为0.05。
通过钻孔3注入阻燃材料5过程如下：
第一次灌浆：多钻孔3同时灌浆，进浆速度为第一次灌浆起始进浆速度的1/4时结束第一次灌浆；第二次灌浆：多钻孔3同时灌浆，灌浆压力达到0.3MPa并稳定10min且进浆速度为第二次灌浆起始进浆速度的1/4时结束第二次灌浆。
地下帷幕墙4厚度具体划分如下：以着火点为中心，做半径20m的圆，当圆内过火面积大于圆面积的40％时，帷幕墙4厚度0.3m-0.4m；当圆内过火面积大于等于圆面积的20％且小于等于圆面积的40％时，帷幕墙4厚度0.2m-0.3m；当圆内过火面积小于圆面积的20％时，帷幕墙4厚度0.15m-0.2m。当炸药的爆炸半径为R时，栅格6线上钻孔3的间距为2R。
与现有技术相比，本发明分割煤田为栅格建立帷幕墙治理自燃方法不同于传统的发现火情-治理火区的被动灭火思路，结合煤燃烧的三个条件：可燃物、充足的氧气、适宜的温度，利用煤层分布情况规划网格，通过定向爆破建立地下帷幕墙，截断火路实现了火无可燃物而自灭；并且阻燃材料截断漏气通道，阻止火路的发展，实现火无氧而自熄，将火区控制在小范围内，能够有效预防大范围煤田火灾的发生。减少了传统剥离灭火、灌浆灭火方法施工工艺复杂，灵活性较差的缺点，不需要将剥离物运到指定排渣场排弃，大幅减少了剥离火源后期土地复垦复杂流程及后期投入，特别适用于煤田火区预防治理。本发明较好地解决传统地表覆盖法、钻孔注浆法、剥离灭火法的根治不彻底、工程量大等弊端。本发明能够将煤田分割为独立区域，火路无法传播，火区控制在栅格区域内，能够预防大范围煤田火灾的形成。本发明地下帷幕墙的寿命长，对于建好的帷幕墙不需要后期投入，且墙体对阻燃材料性能要求不高，可以就地取材，施工简单方便、容易操作、安全性高。
Claims (7)
1.一种栅格法划分煤田火区建立帷幕墙治理煤自燃的方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1：确定煤层分布情况及发火情况：
利用遥感技术或采用无人机携带红外测温仪对煤田火区温度进行探测后，演算出煤田火区温度分布云图以及煤田火区温度火区蔓延方向图，根据煤田火区温度分布云图以及火区蔓延方向图进行区域划分，识别出高温煤田火区的基础上，通过地面钻孔分析孔底温度、煤层厚度，确定煤层分布情况及发火情况；
S2：将地面(2)划分为栅格(6)：以火源或煤层高温区在地面上的竖直投影为中心将地面(2)划分为20mX20m-60mX60m的栅格(6)；
S3：施工钻孔：在划分好的横向、纵向栅格(6)线位置上分别从地面(2)竖直向下施工若干钻孔(3)，钻孔(3)深度到达煤层底板；
S4：爆破形成地下空间：通过钻孔(3)在煤层水平方向上打炮眼钻孔(7)，安装爆破管并向爆破管中填塞炸药，进行集中定向爆破贯通相邻钻孔(3)，使得栅格(6)线在煤层的竖直投影上形成地下空间；炸药的爆炸半径为R时，栅格(6)线上钻孔(3)的间距为2R；
S5：形成地下帷幕墙：通过钻孔(3)注入阻燃材料(5)形成地下帷幕墙(4)，阻断煤火传播；通过钻孔(3)注入阻燃材料(5)过程如下：
第一次灌浆：多钻孔(3)同时灌浆，进浆速度为第一次灌浆起始进浆速度的1/4时结束第一次灌浆；第二次灌浆：多钻孔(3)同时灌浆，灌浆压力达到0.3MPa并稳定10min且进浆速度为第二次灌浆起始进浆速度的1/4时结束第二次灌浆。
2.根据权利要求1所述的栅格法划分煤田火区建立帷幕墙治理煤自燃的方法，其特征在于，步骤S2中栅格(6)尺寸具体划分如下：以着火点为中心，做半径20m的圆，当圆内过火面积大于圆面积的40％时，栅格(6)尺寸为20mX20m-30mX30m；当圆内过火面积大于等于圆面积的20％且小于等于圆面积的40％时，栅格(6)尺寸为30mX30m-50mX50m；当圆内过火面积小于圆面积的20％时，栅格(6)尺寸为50mX50m-60mX60m。
3.根据权利要求1所述的栅格法划分煤田火区建立帷幕墙治理煤自燃的方法，其特征在于，步骤S4中炮眼钻孔(7)直径200mm-400mm；炸药安装垂直间距600mm-800mm；爆破管采用PVC管，管壁厚度为50mm；爆破管直径及长度计算如下：
D＝D0-15
H＝H0-25
其中，D0为炮眼钻孔(7)直径，H0为炮眼钻孔(7)深度，D为爆破管直径，H为爆破管长度，单位mm。
4.根据权利要求1所述的栅格法划分煤田火区建立帷幕墙治理煤自燃的方法，其特征在于，步骤S4中炸药密度为：1.0～2.0kg/m2；单孔炸药的质量m计算如下：
其中，ρ为炸药密度，H为爆破管长度，D为爆破管直径，T0为爆破点初始温度。
5.根据权利要求1所述的栅格法划分煤田火区建立帷幕墙治理煤自燃的方法，其特征在于，步骤S5中阻燃材料(5)为高保水胶合材料浆液，高保水胶合材料浆液由高保水胶合材料和水混合而成，高保水胶合材料、灌浆总用水量、高保水胶合材料浆液质量计算如下：
高保水胶合材料：Q料＝K1LhT(1+K2)
灌浆总用水量：Q水＝6Q料
高保水胶合材料浆液：Q浆＝Q料+Q水；
其中，L为帷幕墙长度，h为煤层厚度，T为帷幕墙厚度，K1为高保水胶合材料填充系数，静压注浆取为0.6，K2为高保水胶合材料自然流失系数，取为0.05。
6.根据权利要求1所述的栅格法划分煤田火区建立帷幕墙治理煤自燃的方法，其特征在于，步骤S5中地下帷幕墙(4)厚度具体划分如下：以着火点为中心，做半径20m的圆，当圆内过火面积大于圆面积的40％时，帷幕墙(4)厚度0.3m-0.4m；当圆内过火面积大于等于圆面积的20％且小于等于圆面积的40％时，帷幕墙(4)厚度0.2m-0.3m；当圆内过火面积小于圆面积的20％时，帷幕墙(4)厚度0.15m-0.2m。
7.根据权利要求1所述的栅格法划分煤田火区建立帷幕墙治理煤自燃的方法，其特征在于，步骤S5中阻燃材料(5)为混泥土浆液或黄土泥浆，具有充填支护作用。
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