煤矿采空区防灭火材料的选择

煤矿采空区防灭火材料的选择

煤炭是人们生存和发展的重要资源，也是中国经济发展的生命线。由于遗留在采空区内的煤炭很容易发生自燃发火的因素,煤矿采空区火灾事故经常发生,一旦发生煤矿火灾,就要立即采取有效的措施进行施救。三相泡沫灭火法是近几年形成的一种新型灭火方法,对煤矿火灾特别是煤矿采空区火灾的扑灭十分有效。因此,研究设计合理的采空区灭火时的三相泡沫喷浆量,对煤矿火灾后提高煤矿救火效率和减少经济损失十分重要。为了得到合理的三相泡沫在救助煤矿采空区火灾时的喷浆量,需了解三相泡沫是如何起到灭火作用的。1三大公共泡沫概念和灭火原则1发泡剂和稳泡剂三相泡沫就是由固态不燃物(粉煤灰或黄泥等)和惰气,再加入一定量的表面活性剂(发泡剂、稳泡剂),以一定分散度分散在水中形成的体系。2固—)三相泡沫的灭火原理。a)三相泡沫的发泡机理。在纯固—液浆液中和纯水中一样,很难形成固—液—气的三相泡沫。因此,必须加入表面活性剂来降低浆液的表面张力,再将气体通入浆液中,通过加压或强烈的机械搅拌形成三相泡沫。当向固—液浆液中充气加压或者搅拌时,在固体颗粒和气泡周围出现了水化层。由于浆液运动和表面间引力的作用,固体颗粒和气泡开始出现了相互接触的机会。接着,固体颗粒开始与气泡的水化层相接触,原来固体颗粒与气泡间的普通水层,由于固体颗粒向气泡逼近,逐渐从夹缝中被挤走,直至固体颗粒表面的水化层与气泡表面的水化层相互接触。在外加能的作用下,水化层变薄形成水化膜,此时水化膜表现出不稳定性,固体颗粒和气泡进一步逼近,自由能降低,水化膜的厚度自发变薄,此时固体颗粒向气泡自发逼近。最后,水化膜进一步变薄直至破裂,固体颗粒与气泡接触并且附着在气泡壁上形成了固—液—气的三相泡沫。b)三相泡沫的灭火原理。泥浆通过注入惰气发泡后形成三相泡沫,体积大幅快速增加,并在采空区中向高处堆积,对低、高处的浮煤都能覆盖,能够避免注入的浆体从底部流失。三相泡沫的灭火性能试验表明,三相泡沫可在较致密的多孔介质中向不同方向流动,渗透性强,流动范围广,可扑灭较大范围区域内的高位火源和隐蔽地点的火源。注入在采空区的惰气被封装在泡沫之中,能较长时间滞留在采空区内,充分发挥惰气的窒息灭火功能。三相泡沫中含有粉煤灰或黄泥等固态物质,这些固态物质是三相泡沫面膜的一部分,可较长时间保持泡沫的稳定性,即使泡沫破碎了,具有一定黏度的粉煤灰或黄泥仍然可较均匀地覆盖在浮煤上,可持久有效地阻碍煤对氧的吸附,防止煤体氧化的加速,从而有效地防治煤炭继续燃烧,这是三相泡沫灭火性能的优越性。2采空区点火及急救速度模型由于在采空区处理过程中,采取了很多的措施(如:修建隔离墙、挂屏风幕帘等),防止巷道向采空区内漏风,故在采空区内的风力并不是很大;遗留在采空区内的煤炭大都按散落状分布。因此,可以对煤矿井下采空区发生火灾时进行理想性假设:1)煤矿采空区的着火过程是在风力不大、煤炭散落分布的条件下进行的,失火时刻为:t=0,开始救火时刻为t=t1,灭火时刻为t=t2。2)时刻t,煤炭燃烧量为B(t)。3)煤矿损失与煤炭燃烧量B(t2)成正比,比例系数c1为燃烧单位煤炭量(每吨)的损失。4)从失火到开始救火这段时间(0≤t≤t1)内,火势蔓延程度dBdtdBdt与时间t成正比,比例系数β称火势蔓延速度。5)向采空区喷三相泡沫x后,在开始救火到火被扑灭这段时间(0≤t≤t2)内,火势蔓延速度将为β-λx,其中λ为单位量三相泡沫的平均灭火速度。6)单位量三相泡沫在单位时间的灭火费用和一次性开支分别为c2和c3。3b3bt1由假设一可见,火势以失火点为中心,以均匀速度向四周蔓延,蔓延的半径r与时间t成正比。煤炭燃烧量B(t)与r2成正比,所以,B(t)与t2成正比,从而dBdtdBdt与时间t成正比。火势蔓延程度dBdtdBdt在0≤t≤t1内线性的增加,在t1≤t≤t2内线性的减少,见图1。计t=t1时,dBdt=bdBdt=b,煤炭燃烧量B(t2)=ʃt20dBdtdtB(t2)=ʃ0t2dBdtdt恰为图中三角形的面积,显然有B(t2)12bt2B(t2)12bt2。又(λx-β)(t2-t1)=b=βt1,即火势以β速度蔓延,t1时间内火势蔓延到了b程度,当火势蔓延到b程度的火势以λx-β速度减弱,t2-t1时间内熄灭。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)则煤矿的煤炭损失(包括误工煤炭损失和燃烧煤炭损失)为:c1B(t2);灭火费用(包括人员的调度费用)为:c2x(t2-t2)+c3x救火总费用:C(x)=c1B(t2)+c2x(t2-t2)+c3x(3)将式(1),式(2)代入(3),得到救火总费用为:C(x)=c1βt212+c1β2t212(λx−β)+c2βt1xλx−β+c3x(4)C(x)=c1βt122+c1β2t122(λx-β)+c2βt1xλx-β+c3x(4)所以,煤矿采空区救火费用最小数学模型为:min0≤xC(x)=c1βt212+c1β2t212(λx−β)+c2βt1xλx−β+c3x(5)min0≤xC(x)=c1βt122+c1β2t122(λx-β)+c2βt1xλx-β+c3x(5)这是一个无约束的非线性规划问题,其最优解可以用微积分方法求的,令dCdx=0dCdx=0,可以得到向采空区喷射的三项泡沫最优量为:x∗=βx+βc1λt21+2c2t12c3λ2−−−−−−−−√(6)x*=βx+βc1λt12+2c2t12c3λ2(6)4模型分析和讨论1采空区喷浆量对灭火费用的影响从式(4)可以看到,费用由四部分组成:第一部分是救火前造成的经济损失;第二部分救火期间造成的经济损失;第三部分是救火期间的救火费用;第四部分是一次性开支,这是符合煤矿发生火灾后救火实际的。通过对式(4)中参数对灭火总费用的影响分析可得到:当火势蔓延速度β变大时,三相泡沫灭火费用明显增大,这是与实际相符合的;从报警到施救开始的时间t1越小,灭火费用也会越小,这也符合常识;采空区喷浆量x变大时,相应的费用也会增加;三相泡沫的平均灭火速度λ(即单位量的三相泡沫喷入采空区的灭火速度)变大时,总的灭火费用会大幅度降低。2采空区历史时最大的喷浆量从式(6)可以看到,采用三相泡沫对采空区灭火的喷浆量由两部分组成,一部分β/λ是为了把采空区的火扑灭所必需的最少三相泡沫喷浆量,只与火势蔓延速度β和单位量的三相泡沫喷浆的平均灭火速度有关,这是十分容易得到的,从图1也可以看到,只有当x>β/λ时,煤矿采空区火势才会减弱下来。另一部分是在最低限度之上的喷浆量,与问题的各个参数有关。当灭火速度λ和一次性开支系数c1增大时,三相泡沫喷浆量减少;当火势蔓延速度β、开始救火时刻t1及损失费用系数t2增大时,三相泡沫喷浆量增加,这明显是与常识相互一致的。而当灭火费用系数c1增大时三相泡沫喷浆量也将增大,这虽不明显,但也符合实际。在对具体煤矿进行采空区喷浆量设计时,c1、c2、c3都是已知常数,β、λ由煤矿采空区巷道的布置情况、煤炭的类型、三相泡沫的灭火性能等因素决定,不同煤矿可以预先制定成表格已备发生火灾时查用,从采空区失火到煤矿实施三相泡沫救火的时间t1则要根据煤矿的报警和煤矿安排灭火设备的情况估计。当对以上参数确定后,就可以利用公式(6)快速的设计出需要的喷浆量。5采空区火灾救助矿井火灾处理技术是一项系统工程,随着科学技术的发展,矿井灭火技术也在不断地创新。三相泡沫技术是一项既经济又高效的矿井灭火方法,在矿