CN115773149B - 一种排矸场灭火综合施工方法 - Google Patents
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Abstract
本申请提供一种排矸场灭火综合施工方法，包括：根据所述排矸场内不同区域的监测温度，将所述排矸场划分为安全区、隐患区、临界区、蓄热区和发火区；对所述安全区、所述隐患区采用田字形开沟注浆封闭施工；对所述临界区采用U型换热管循环介质进行降温施工；对所述蓄热区采用钻孔注浆灭火施工；对所述发火区采用机械挖除换填灭火施工；对所述排矸场的场地坡顶平台、坡面采用全封闭防复燃施工。籍此，对排矸场的火情进行实时监控、分区，针对不同温度分区采取不同的灭火工艺，利用多种灭火方法相结合对排矸场进行灭火施工，确保对矸石山进行全面防火、灭火，而不仅仅是对地面观察到的火区进行灭火。
Description
技术领域
本申请涉及安全施工技术领域，特别涉及一种排矸场灭火综合施工方法。
背景技术
排矸石是一种在成煤过程中与煤伴生的含碳量较低、发热值较低、比煤坚硬的黑灰色岩石，是掘进、开采和洗煤过程中排放的固体废弃物，且是堆放量和存放量最大的固体废弃物之一。排矸场大都采用“由上而下，自然堆积，平整顶部，不断延伸”的排放方式，未分层碾压，表层仅覆盖薄层土，很容易发生硫化及不同程度的裂缝。
目前，排矸场的传统灭火方式中，对自然矸石山用水灭火，往往越灭越着，不仅不能灭火，还起到助燃作用。矸石山不加处理直接覆土，并不能彻底灭火，矸石内部仍可能在氧化、燃烧，而且由于覆土，内部压力得不到释放，极易产生高温高压，发生爆炸事故。
因而，亟需提供一种针对上述现有技术不足的技术方案。
发明内容
本申请的目的在于提供一种排矸场灭火综合施工方法，以解决或缓解上述现有技术中存在的问题。
为了实现上述目的，本申请提供如下技术方案：
本申请提供一种排矸场灭火综合施工方法，包括：步骤S101、根据所述排矸场内不同区域的监测温度，将所述排矸场划分为安全区、隐患区、临界区、蓄热区和发火区；步骤S102、对所述安全区、所述隐患区采用田字形开沟注浆封闭施工；步骤S103、对所述临界区采用U型换热管循环介质进行降温施工；步骤S104、对所述蓄热区采用钻孔注浆灭火施工；步骤S105、对所述发火区采用机械挖除换填灭火施工；步骤S106、对所述排矸场的场地坡顶平台、坡面采用全封闭防复燃施工。
优选的，在步骤S101中，通过无人机红外遥感航测获取的所述排矸场内不同区域的热红外影像，将所述排矸场划分为所述安全区、隐患区、临界区、蓄热区和发火区。
优选的，在步骤S102中，采用分段开挖方式，分别在所述安全区、所述隐患区由温度异常区域的等高线下游逐步向温度异常区域的等高线上游推进，进行田字形开挖沟槽，在开挖沟槽后，立即进行注浆封闭坡面及坑底。
优选的，在步骤S103中，在所述临界区范围内进行钻孔埋设竖直地埋管，在地埋管内安装U型换热管，所述U型换热管连接热泵机组，通过所述导热循环介质在所述临界区内矸石山进行换热。
优选的，在步骤S104中，在所述蓄热区钻多个灭火孔；其中，多个所述灭火孔呈矩形排布，相邻两个所述灭火孔的间距为3米；在所述蓄热区按照由周围至中心、温度由低到高的顺序对多个所述灭火孔进行注浆；响应于所述蓄热区内的温度异常区域温度下降至预设阈值，将所述灭火孔填平压实。
优选的，在对多个所述灭火孔进行注浆时，在所述蓄热区中心区域预留排气孔。
优选的，在步骤S105中，对所述发火区可见明火或者浓烟区域进行标定，并采用机械进行挖除矸石；在所述发火区矸石挖除完毕后，进行换填处理，换填自然土，并进行夯实。
优选的，在步骤S106中，所述排矸场温度分区为安全区部分，边坡采用削坡整形，坡面成坡率为1:1.5，距离坡面0.3米到1米范围内采用黄土回填，压实系数不小于0.85；距离坡面0米到0.3米范围回填种植土；所述排矸场温度分区为安全区以外部分，对其边坡进行削坡，削坡厚度为2米，坡面成坡率为1:1.5；在削坡完成后，立即对坡面进行喷浆封闭，并采用土矸混合物覆盖，覆盖厚度为1米，压实系数不小于0.85，距坡面0.3米到1米范围内采用黄土回填，压实系数不小于0.85；距离坡面0米到0.3米范围回填种植土。
优选的，还包括：通过预留温度监测孔对所述排矸场的矸石山进行温度监测；其中，通过WANK式铠装热电偶在所述安全区、隐患区、临界区采取品字型浅孔测温，在所述蓄热区、所述发火区采取品字型中深孔测温；所述WANK式铠装热电偶的坡面由上往下依次打孔，所述浅孔深度范围为1米到2米，孔间距为50米到80米；所述中深孔深度范围为6米到8米，孔间距为30米到50米。
优选的，所述安全区的温度范围为小于40摄氏度；所述隐患区的温度范围为大于等于40摄氏度小于70摄氏度；所述临界区的温度范围为大于等于70摄氏度小于90摄氏度；所述蓄热区的温度范围为大于等于90摄氏度小于230摄氏度；所述发火区的温度范围大于等于230摄氏度。
有益效果：
本申请实施例提供的排矸场灭火综合施工方法中，根据排矸场内不同区域的监测温度，将排矸场划分为安全区、隐患区、临界区、蓄热区和发火区；对安全区、隐患区采用田字形开沟注浆封闭施工，对临界区采用U型换热管循环介质进行降温施工，对蓄热区采用钻孔注浆灭火施工，对发火区采用机械挖除换填灭火施工，对排矸场的场地坡顶平台、坡面采用全封闭防复燃施工。籍此，通过由下而上、由外而内、由低温区向高温区逐步推进的方式，针对不同的温度分区采取不同的灭火施工方法进行灭火施工，施工过程简便快捷，灭火效果显著，避免了煤矸石自燃，解除了矿区生产的后顾之忧，减轻了矿产区的大气污染和地下水污染，减少二氧化硫的排放，保持矿区稳定，避免因煤矸石推挤造成的泥石流、坍塌、滑坡和地面塌陷等自燃灾害的发生，经济实用，大大缩短了施工工期，使排矸场的生态环境得到了显著改善，具有良好的推广应用前景。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。其中：
图1为根据本申请的一些实施例提供的一种排矸场灭火综合施工方法的流程示意图；
图2为根据本申请的一些实施例提供的排矸场内的温度监测示意图；
图3为根据本申请的一些实施例提供的排矸场内的分区示意图；
图4为根据本申请的一些实施例提供的坡面全封闭断面图。
具体实施方式
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。各个示例通过本申请的解释的方式提供而非限制本申请。实际上，本领域的技术人员将清楚，在不脱离本申请的范围或精神的情况下，可在本申请中进行修改和变型。例如，示为或描述为一个实施例的一部分的特征可用于另一个实施例，以产生又一个实施例。因此，所期望的是，本申请包含归入所附权利要求及其等同物的范围内的此类修改和变型。
申请人研究发现，对矸石场进行治理时，一方面，存在着认识误区，传统灭火方式(用水灭火)，不仅不能灭火，还起到助燃作用，往往越灭越着；矸石山不加处理直接不加处理直接覆土，并不能彻底灭火，矸石内部仍可能在氧化、燃烧，而且由于覆土，内部压力得不到释放，极易产生高温高压，发生爆炸事故。另一方面，对自然矸石只进行灭火，防复燃措施不足。如不采取有效的防复燃措施，不能隔绝供氧通道，处于蓄热状态的矸石将发展到自燃状态，造成植被死亡，水土流失。
受到矸石山内部复杂且发展迅速的火情影响，不同着火区的着火温度及着火范围相差较大，传统单一的灭火方式不足以达到良好的灭火及防复燃效果。基于此，申请人提出了一种排矸场灭火综合施工方法，对排矸场的火情进行实时监控、分区，针对不同温度分区采取不同的灭火工艺，利用多种灭火方法相结合对排矸场进行灭火施工，确保对矸石山进行全面防火、灭火，而不仅仅是对地面观察到的火区进行灭火。
如图1至图4所示，该排矸场灭火综合施工方法包括：
步骤S101、根据排矸场内不同区域的监测温度，将排矸场划分为安全区、隐患区、临界区、蓄热区和发火区。
在本申请中，通过无人机红外遥感航测获取排矸场内不同区域的热红外影像，将排矸场划分为安全区、隐患区、临界区、蓄热区和发火区。具体的，采用无人机红外遥感航测，利用红外摄像头将红外辐射能量转换为电信号，并进行放大、转换等信号处理，以不同的颜色来显示矸石山温度异常区域，将其转换为人眼可以识别的热红外影像。将温度小于40摄氏度的区域划定为安全区，将温度大于等于40摄氏度小于70摄氏度的区域化定位隐患区，将温度大于等于70摄氏度小于90摄氏度的区域划定为临界区，将温度大于等于90摄氏度小于230摄氏度的区域划定为蓄热区，将温度大于230摄氏度的区域划定为发火区。
本申请中，在进行灭火施工前，根据排矸场现场的硫化程度、地表温度、着火冒烟程度等在排矸场内施打温度监测孔，与温度监测孔配套采用WANK式铠装热电偶对排矸场的矸石山进行温度监测。根据与无人机红外遥感航测的热红外影像结合，进一步提高排矸场内温度分区的精确性，为不同温度分区的灭火治理提供依据。
其中，安全区、隐患区、临界区采取品字型浅孔测温，在蓄热区、发火区采取品字型中深孔测温。WANK式铠装热电偶的钻孔施打垂直于坡面，且由上往下依次同推进。安全区、隐患区、临界区的品字型浅孔间距为50米到80米，孔深为1米到2米；蓄热区、发火区的品字型中深孔的孔间距为30米到50米，孔深为6米到8米，以充分保证测温深度，提高温度监测的准确性，实现在施工过程中的全程测温，建立火情实时监控系统，分析火情风险和可能存在的威胁因素，及时反馈调整灭火工艺，以确保能够快捷、彻底的灭火。
本申请中，在进行灭火施工前，首先要对排矸场底部的排洪涵洞进行预处理。具体的，对排洪涵洞两端采用黄泥石子灌浆进行封堵(封堵长度为30米)，以消除排洪涵洞的风道隐患，保证灭火效果。同时设置地上排洪设施，替代原有排洪涵洞。具体的，在下部平台设置排水沟(排水沟Ⅰ)及其两个分支排水沟，在上部平台(即进场道路)坡脚处同时设置排水沟。其中，下部平台的排水沟主要替代原有的排洪涵洞，起点在原排水涵洞的起点处，至下部平台处后分作两路支流(分支排水沟)；一条分支排水沟(排水沟Ⅰ-1)沿北侧坡脚设置，接入原有截水沟，汇入消力池，另一条分支排水沟(排水沟Ⅰ-2)沿南侧坡脚设置，跨越道路处设置排水涵管，边坡设置急流槽，汇入消力池。在上部平台南侧坡脚处的排水沟(排水沟Ⅱ)主要排除南侧两处冲沟汇水。在此，排水沟采用M7.5水泥砂浆浆砌块石砌筑，石材选用MU30块石。
步骤S102、对安全区、隐患区采用田字形开沟注浆封闭施工。
本申请中，采用分段开挖方式，分别在安全区、隐患区由温度异常区域的等高线下游逐步向温度异常区域的等高线上游推进，进行田字形开挖沟槽，在开挖沟槽后，立即进行注浆封闭坡面及坑底，隔绝氧气通道，防止复燃。
具体的，采用机械开挖，火源挖出后堆放于安全平台，薄层摊铺，浸水降温。沟槽开挖放坡坡率、坑底尺寸、开挖长度依据矸石山的发火区的温度、矸石山坡面长度、灭火浆液渗透能力确定。其中，沟槽间距10米，平均挖深2米(在2米深度范围内若开挖至原土层，停止开挖)，沟槽底部宽度2米，边坡玻率1:0.75。同时在施工前进行试注浆作业，确定合适的注浆浆液比例，回填采用矸石与黄土(体积比1:1)混合后分层摊铺(煤层摊铺厚度不大于500mm)、平整、压实，压实系数不小于0.85。
步骤S103、对临界区采用U型换热管循环介质进行降温施工。
本申请中，在临界区范围内进行钻孔埋设竖直地埋管，在地埋管内安装U型换热管，U型换热管连接热泵机组，通过导热循环介质在临界区内矸石山进行换热。
具体的，在临界区采用U型换热管导热循环冷水进行降温施工，通过热泵机组使冷水在管道内循环，对临界区内矸石山进行换热，起到临界区矸石山降温作用。其中，进行直径不小于200毫米的钻孔施工，孔深根据矸石山临界区域的埋深确定，一般不小于10米。钻孔施工完毕后进行竖直地埋管(铸铁管)埋设，在地埋管内安设U型换热管，供冷水流通；通过热泵机组，将冷水注入，回收U型换热管内循环的热水进行温度传导，达到降温作用。
在此，U型换热管的进水处通过热泵进行注水，冷水的流态为紊流，流速不小于0.6米每秒，出水口进行热量回收与利用，热量利用完成后，将传热介质重新导入U型换热管，进行温度转换。其中，U型换热管与竖直地埋管之间采用热导率较高的回填混合物(15％的膨润土，85％的石英石)进行充填，以进一步提高换热效率。
步骤S104、对蓄热区采用钻孔注浆灭火施工。
本申请中，分别在蓄热区钻多个灭火孔；多个灭火孔呈矩形排布，相邻两个灭火孔的间距为3米。在蓄热区按照由周围至中心、温度由低到高的顺序对多个灭火孔进行注浆，当发火区、蓄热区内的温度异常区域温度下降至预设阈值，将灭火孔填平压实。
具体的，在发火区、蓄热区内的温度有异常区域施打矩形均匀布置的灭火孔，使钻孔注浆能够最大程度的充填到矸石山内部，起到灭火降温的作用。其中，由温度异常区域的地形、蓄热区面积、温度异常区的埋深、灭火孔的孔深、注浆量来确定钻孔间距为3米，使钻孔注浆能够覆盖整个蓄热区。
在此，灭火孔注浆同时起到了加固、冷却矸石山的作用。注浆顺序由钻孔底部到钻孔顶部、由外围区向核心区(低温区向高温区)逐渐推进，注浆的速率要保证蓄热区完全充填，且完全隔离温度。由于注浆能够同时起到加固、冷却的作用，当火势趋缓或温度下降后，对温度异常区再次通过预留测温孔进行温度观测，各测温孔内气体温度呈持续下降趋势，直到确认所有测温孔内的最高温度小于100摄氏度，且90％以上的测温孔内的最高温度稳定在70摄氏度以下后，对灭火孔填平压实，充分防止空气进入矸石山内部发生氧化作用。
本申请中，灭火孔注浆先从火势较小、温度较低的区域开始，遵循从周围到中心的原则，当火势趋缓或温度下降后，及时用黄土进行封闭，隔绝空气、防止复燃。若停止注浆后，观测温度仍未下降或者降低很小，则该区域进行加密钻孔注浆，并适当加大注浆压力，使浆液充分渗入矸石山内部裂隙。
本申请中，在对多个灭火孔进行注浆时，要在蓄热区中心或者温度较高的区域预留排气孔，同时，通过注浆完成后矸石山内部温度、气压确定排气孔的数量，以有效解决内部气压过高导致的汽爆问题。
本申请中，将水、黄土、阻燃剂等材料合成为灭火浆液，再将灭火浆液注入矸石山内部，在灭火浆液接触到高温矸石后，通过水分蒸发带走大量热量，灭火浆液中的固体则包裹在矸石表面或充填于矸石孔隙之中，减少矸石与氧气的进一步接触，通过降温与隔氧两个方面，达到灭火目的，最后在矸石山顶部表面覆盖一层黄土并压实，使整个矸石山形成一个封闭的整体。
步骤S105、对发火区采用机械挖除换填灭火施工。
本申请中，发火区温度过高，且矸石燃烧后极其疏松，致使发火区极度不稳定，通过对发火区可见明火或者浓烟区域进行标定，并采用机械进行挖除出；在发火区矸石挖除完毕后，进行换填处理，换填自然土，并进行夯实，消除潜在危险。
步骤S106、对排矸场的场地坡顶平台、坡面采用全封闭防复燃施工。
本申请中，在排矸场温度分区为安全区部分，边坡采用削坡整形，坡面成坡率为1:1.5，距离坡面0.3米到1米范围内采用黄土回填，压实系数不小于0.85；距离坡面0米到0.3米范围回填种植土。
在排矸场温度分区为安全区以外部分，对其边坡进行削坡，削坡厚度为2米，坡面成坡率为1:1.5；且在削坡完成后，立即对坡面进行喷浆封闭，并采用土矸混合物覆盖，覆盖厚度为1米，压实系数不小于0.85，距离坡面0.3米到1米范围内采用黄土回填，压实系数不小于0.85；距离坡面0米到0.3米范围回填种植土。
本申请中，在不同的区域采用不同土质进行回填，一方面，可以充分利用挖出的土矸混合物，同时，坡面采用全封闭防复燃工艺进行治理，表面覆盖黄土隔绝空气，防止复燃；另一方面，可以有效防止雨水等渗透进矸石山内部，起到防水作用；坡面进行绿化处理，回填种植土可以为绿化植物的根系起到养护作用。
本申请中，通过在灭火施工前施打的温度监测孔，配套采用WANK式铠装热电偶对矸石山进行温度监测，实时观测排矸场内温度的稳定性，判断矸石山是否彻底灭火，防复燃措施是否到位。其中，在灭火施工完成1年内，通过温度监测孔对矸石山温度的温度监测，对矸石山的温度特征进行风险评估，预测潜在风险，以及时进行处置，维持灭火防复燃效果。
以上所述仅为本申请的优选实施例，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种排矸场灭火综合施工方法，其特征在于，包括：
步骤S101、通过无人机红外遥感以及WANK式铠装热电偶联合获取所述排矸场内不同区域的监测温度，将所述排矸场内温度小于40摄氏度的区域划定为安全区，将温度大于等于40摄氏度小于70摄氏度的区域划定为隐患区，将温度大于等于70摄氏度小于90摄氏度的区域划定为临界区，将温度大于等于90摄氏度小于230摄氏度的区域划定为蓄热区，将温度大于等于230摄氏度的区域划定为发火区；
步骤S102、采用分段开挖方式，分别在所述安全区、所述隐患区由温度异常区域的等高线下游逐步向温度异常区域的等高线上游推进，进行田字形开挖沟槽，在开挖沟槽后，立即进行注浆封闭坡面及坑底；
步骤S103、在所述临界区范围内进行直径不小于200毫米的钻孔施工，并埋设竖直地埋管，在地埋管内安装U型换热管；所述U型换热管与所述竖直地埋管之间采用回填混合屋进行填充；
所述U型换热管连接热泵机组，所述U型换热管的进水处通过所述热泵机组进行注水，供冷水流通，冷水的流态为紊流，流速不小于0.6米每秒，通过所述热泵机组将冷水注入，回收所述U型换人管内的热水进行温度传导；
步骤S104、对所述蓄热区采用钻孔注浆灭火施工；其中，灭火孔注浆先从火势较小、温度较低的区域开始，遵循从周围到中心的原则，当火势趋缓或温度下降后，及时用黄土进行封闭，隔绝空气、防止复燃；若停止注浆后，观测温度仍未下降或者降低很小，则该区域进行加密钻孔注浆，并适当加大注浆压力，使浆液充分渗入矸石山内部裂隙；
步骤S105、对所述发火区采用机械挖除换填灭火施工，在所述发火区矸石挖除完毕后，进行换填处理，换填自然土，并进行夯实；
步骤S106、所述排矸场温度分区为安全区部分，边坡采用削坡整形，坡面成坡率为1:1.5，距离坡面0.3米到1米范围内采用黄土回填，压实系数不小于0.85；距离坡面0米到0.3米范围回填种植土；所述排矸场温度分区为安全区以外部分，对其边坡进行削坡，削坡厚度为2米，坡面成坡率为1:1.5；在削坡完成后，立即对坡面进行喷浆封闭，并采用土矸混合物覆盖，覆盖厚度为1米，压实系数不小于0.85，距坡面0.3米到1米范围内采用黄土回填，压实系数不小于0.85；距离坡面0米到0.3米范围回填种植土。
2.根据权利要求1所述的排矸场灭火综合施工方法，其特征在于，在步骤S104中，
在所述蓄热区钻多个灭火孔；其中，多个所述灭火孔呈矩形排布，相邻两个所述灭火孔的间距为3米；
在所述蓄热区按照由周围至中心、温度由低到高的顺序对多个所述灭火孔进行注浆；响应于所述蓄热区内的温度异常区域温度下降至预设阈值，将所述灭火孔填平压实。
3.根据权利要求2所述的排矸场灭火综合施工方法，其特征在于，在对多个所述灭火孔进行注浆时，在所述蓄热区中心区域预留排气孔。
4.根据权利要求1所述的排矸场灭火综合施工方法，其特征在于，在步骤S105中，
对所述发火区可见明火或者浓烟区域进行标定，并采用机械进行挖除矸石。
5.根据权利要求1所述的排矸场灭火综合施工方法，其特征在于，还包括：
通过预留温度监测孔对所述排矸场的矸石山进行温度监测；其中，通过所述WANK式铠装热电偶在所述安全区、隐患区、临界区采取品字型浅孔测温，在所述蓄热区、所述发火区采取品字型中深孔测温；所述WANK式铠装热电偶的坡面由上往下依次打孔，所述浅孔深度范围为1米到2米，孔间距为50米到80米；所述中深孔深度范围为6米到8米，孔间距为30米到50米。
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