一种治理煤矸石山自燃高温点的防灭火系统及其方法

本发明涉及矿山灾害防治技术，属于火灾防护领域，具体涉及一种治理煤矸石山自燃高温点的防灭火系统及其方法。

背景技术：

1、煤矸石作为煤炭开采与洗选过程中产生的主要固体废弃物，其大量堆积形成的矸石山是矿区最常见的工业地标之一。在长期堆积过程中，矸石山内部残存的有机质等组分与空气接触发生缓慢氧化，并在内部蓄热，煤矸石山极易发生自燃。

2、目前，矸石山自燃的常规治理手段仍以打孔钻注和表面喷浆为主。钻孔灌浆技术通常采用单管直注方式，将灭火浆料通过钻孔泵送至矸石山深部，依赖浆料在裂隙中的自然流动来实现高温区域的覆盖；表面喷浆则侧重于对矸石山坡面进行封闭覆盖，企图阻隔外界氧气渗入。

3、上述治理效果往往低于预期，原因在于：1、煤矸石山内部孔隙结构极其复杂，矸石山内部并非均匀介质，而是由不同粒径矸石混杂堆积形成的多孔离散体系，燃烧区域会随时间和气流方向动态迁移，使得自燃火源往往深埋且空间分布极不规则、火源点高度分散；传统单管钻注的方式，浆料会优先沿阻力最小的大裂隙进入，覆盖面积极小，只能形成局部的线性或平面覆盖，难以精准触达并立体包裹深部的高温核心区域；尤其是在火源分布处于多层位、多区域时，单管钻注的治理会留下大量灭火盲区，在内部氧化蓄热与外部漏风供氧的共同作用下，易发生二次复燃，导致治理工作反复、成本激增；

4、2、现有的防灭火技术中灭火介质主要为灌浆注水或者惰气气体，其作用机理侧重于“隔氧窒息”和“物理吸热”，该方法并未考虑煤矸石自燃过程中伴生的大量酸性有害气体（如二氧化硫、硫化氢等）的同步处置问题，在注水或灌浆降温过程中，高温火源与水分接触会加速水煤气反应及酸性气体的逸出，这些酸性气体不仅严重腐蚀注浆管路、阀门等治理设备，而且会随风扩散至矿区周边居民区，造成严重的二次环境污染。

5、3、常见的钻孔注浆作业通常采用直接注浆的方式，即遇到火源直接注浆，缺乏统一的时空工艺顺序，该方式下浆料极易沿大裂隙形成优势通道先行泄流；实际操作中，缺少对矸石山底部基底实施先行封堵，致使注入的降温介质沿底部孔隙大量流失，难以蓄积形成有效的浸没惰化层；同时，顶部覆盖与侧向围堵措施的缺失，使外部空气仍可从周边坡面持续渗入已灭火区域。这种无顺序、无层次的灌注方式，无法在深部构建起由外围向中心、由底至顶递进闭合的立体隔氧帷幕，导致残余热源极易从底部通道或侧向断层二次复燃，严重削弱了治理的彻底性与长效性。

6、因此，开发一种兼具精准灭火、酸性抑制与长效防复燃功能的防灭火系统及其方法，成为当前矿山环保与安全领域亟待突破的重要方向。

技术实现思路

1、本方案针对上文提出的问题和需求，提出一种治理煤矸石山自燃高温点的防灭火系统及其方法，由于采取了如下技术特征而能够实现上述技术目的，并带来其他多项技术效果。

2、为实现上述目的，一种治理煤矸石山自燃高温点的防灭火方法具体包括以下步骤：

3、s1，确定煤矸石山自燃高温区域的三维空间位置，在煤矸石山腰部选定钻场，向所述高温区域的三维空间核心位置进行水平定向钻孔；

4、s2，将羽状注入件伸入至高温区域并靠近核心位置，羽状注入件中的多个注入支管以不同方向向外伸出，形成立体注入网络；

5、s3，先依次进行底部、侧向、顶部区域的液态co2注入：

6、位于底部区域的注入支管以第一流量注入液态co2，持续第一时长，使得高温区域的下方形成高浓度的co2惰气垫层以阻断氧气上浮通道；位于侧向区域的注入支管以第二流量注入液态co2，持续第二时长，使得高温区域四周形成环形帷幕；位于顶部区域的注入支管以第三流量注入液态co2，持续第三时长，使得高温区域上方形成惰气覆盖层；

7、最后向所有注入支管以总流量注入液态co2与碱性浆料，持续第四时长，使得高温区域集中惰化降温及酸性气体中和；

8、s4，各个注入支管前端的温度传感器获取温度数据，孔口位置处的气体浓度传感器获取排出有害气体浓度，当所有温度数据小于预设阈值，且有害气体浓度小于安全阈值时，则完成对煤矸石山自燃高温点的防灭火处理。

9、在本发明的一些示例中，步骤s3中，所述第一流量的取值范围为 l/min，第一时长的取值范围为3-15min；

10、第二流量的取值范围为 l/min，第二时长的取值范围为3-15min；

11、第三流量的取值范围为 l/min，第三时长的取值范围为3-15min；

12、总流量的取值范围为 l/min，第四时长的取值范围为3-15min；

13、液态co2的流量与碱性浆料的流量之间的关系有：

14、

15、为比例调节系数，取值范围为。

16、在本发明的一些示例中，步骤s2中形成立体注入网络后，各注入支管前端的温度传感器获得相应位置的初始温度数据；

17、步骤s2和步骤s3之间还包括以下步骤：

18、s2a，设定的基础流量数值；

19、向所有注入支管同步发送持续时间为的液态co2脉冲，并在随后的时间窗口内，采集当前时刻的每个注入支管前端的温度传感器所在区域的温度数据，并根据初始温度数据获得当前时刻的温度下降速率以及温度回升延迟时间；

20、s2b，当温度下降速率超过第一速率阈值，且温度回升延迟时间低于第一时间阈值，则判定该注入支管所在区域为高连通主通道区；当温度下降速率低于第二速率阈值，且温度回升延迟时间超过第二时间阈值，则判定该注入支管所在区域为低连通致密区；

21、其中，第一速率阈值为1.5，第一时间阈值为0.5；

22、第二速率阈值为0.5，第二时间阈值为1.5；

23、、相应为上一时刻所有注入支管采集的温度下降速率的平均值、温度回升延迟时间的平均值；初始温度下降速率的平均值、温度回升延迟时间的平均值根据历史或者实验数据获取；

24、步骤s3中，调节相应的基础流量数值：对于判定为高连通主通道区的底部、侧向、顶部区域，降低相应注入支管的，以防介质无效逃逸；对于判定为低连通致密区的底部、侧向、顶部区域，提高相应注入支管的，利用瞬间气化膨胀的气爆作用强行劈裂致密矸石层；

25、在依次进行底部、侧向、顶部区域液态co2注入时，每间隔周期t重复获取所在区域的温度；当该区域的温度降至区域停止注入温度阈值以下时，停止该区域流量注入；

26、其中，的取值范围为30-60s，的取值范围为3-5min，周期t的取值范围为5-10min；区域停止注入温度阈值的取值范围为≤40℃。

27、在本发明的一些示例中，步骤s2中，当羽状注入件伸入至高温区域并靠近核心位置时，每个注入支管根据采集的煤矸石温度数据，调整注入支管的偏转方向，使得注入支管在底部、侧向、顶部区域内沿温度梯度升高方向追踪延伸。

28、在本发明的一些示例中，步骤s3中，液态co2通过第一管道从喷嘴的中心通道喷出，碱性浆料通过第二管道从喷嘴环形通道喷出；

29、液态co2从中心通道喷出后瞬间膨胀气化，产生的高速气动力将环形通道喷出的浆料柱破碎为粒径20-80μm的细液滴，该细液滴随co2气流一同扩散渗透进入矸石细微裂隙，最终对高温区域集中惰化降温及酸性气体中和；

30、在步骤s3的注入作业开始前，完成对钻孔孔口的密封封堵，并连接好回气管道，持续收集钻孔内排出的有害气体。

31、一种治理煤矸石山自燃高温点的防灭火系统，包括：

32、钻孔模块，用于确定煤矸石山自燃高温区域的三维空间位置，在煤矸石山腰部选定钻场，向所述高温区域的三维空间核心位置进行水平定向钻孔；

33、伸入调节模块，配置为用于将羽状注入件伸入至高温区域并靠近核心位置，羽状注入件60中的多个注入支管以不同方向向外伸出，形成立体注入网络；

34、注入控制模块，包括注入模块与控制模块，其中，注入模块用于提供液态co2与碱性浆料；控制模块配置为依次进行底部、侧向、顶部区域的液态co2注入，以及液态co2与碱性浆料注入；

35、其中，位于底部区域的注入支管以第一流量注入液态co2，持续第一时长，使得高温区域的下方形成高浓度的co2惰气垫层以阻断氧气上浮通道；位于侧向区域的注入支管以第二流量注入液态co2，持续第二时长，使得高温区域四周形成环形帷幕；位于顶部区域的注入支管以第三流量注入液态co2，持续第三时长，使得高温区域上方形成惰气覆盖层；最后向所有注入支管以总流量注入液态co2与碱性浆料，持续第四时长，使得高温区域集中惰化降温及酸性气体中和；

36、分析模块，配置为通过各个注入支管前端的温度传感器获取温度数据，以及孔口位置处的气体浓度传感器获取排出有害气体浓度，当所有温度数据小于预设阈值，且有害气体浓度小于安全阈值时，则判定完成对煤矸石山自燃高温点的防灭火处理。

37、在本发明的一些示例中，所述伸入调节模块包括：

38、羽状注入件，具有前部设有凹槽的注入主管，以及多个周向布置于凹槽内的注入支管；

39、每个注入支管由两个或两个以上的节管通过驱动部件依次串联活动连接，且每个注入支管内部设有柔性管路部件；

40、管路部件具有用于液态co2注入的第一管道、碱性浆料注入的第二管道；

41、靠近钻口的节管的后端连接在注入主管上，远离钻口的节管的前部设有相互隔开的温度传感器与喷嘴；

42、喷嘴具有用于通入液态co2的中心通道、位于中心通道外侧且用于通入碱性浆料的环形通道，在喷嘴作用下，液态co2喷出后瞬间膨胀气化，产生的高速气动力将喷出的浆料柱破碎为细液滴；

43、第一管道一端与中心通道连接、另一端延伸至钻孔外侧并连接液态co2注入源，第二管道一端与环形通道连接、另一端延伸至钻孔外侧并连接碱性浆料注入源；

44、伸入部件，配置为用于与注入主管连接将其伸入至高温区域并靠近核心位置。

45、在本发明的一些示例中，所述驱动部件具有第一驱动件、第二驱动件、旋转套筒、电滑环；

46、旋转套筒通过轴承转动套装在后侧节管的前端，并通过第一驱动件驱动周向转动；

47、前侧节管后端固定有径向布置的支撑轴，该支撑轴转动安装在旋转套筒上，并通过第二驱动件驱动转动；

48、所述第一驱动件和第二驱动件均为驱动电机与蜗轮蜗杆机构的组合：第一驱动件固定在后侧节管上，输出端与第一蜗杆连接，旋转套筒上固定有第一蜗轮，该第一蜗轮与第一蜗杆啮合连接；第二驱动件固定在旋转套筒上，输出端与第二蜗杆连接，支撑轴上固定有第二蜗轮，该第二蜗轮与第二蜗杆啮合连接；

49、温度传感器、第一驱动件、第二驱动件中的电力与信号导线通过注入支管内部的电滑环进行引出。

50、在本发明的一些示例中，前侧节管的前端设有独立被驱动转动的钻头，钻头通过液压马达进行驱动；

51、电力与信号导线通过注入支管内部的电滑环引出；液压马达的供回油管路通过注入支管内部的中空旋转接头独立引出。

52、在本发明的一些示例中，所述注入模块包括：

53、配置为储存液态co2的第一罐体，其上设有液态co2输出的第一输出管道，第一输出管道通过流量分配阀进行分流后与多个第一管道连接；

54、配置为储存碱性浆料的第二罐体，其上设有碱性浆料输出的第二输出管道，第二输出管道通过流量分配阀进行分流后与多个第二管道连接；

55、多个第一管道与多个第二管道一一对应，并与喷嘴连接；

56、第一输出管道与第二输出管道上设有用于介质输送的泵组，第一管道与第二管道上设有用于介质流量调节的阀组。

57、与现有技术相比，一种治理煤矸石山自燃高温点的防灭火方法具有以下优点：

58、1、通过羽状注入件伸入高温核心位置后，多个注入支管以不同方向向外伸出，形成立体注入网络，该方式突破传统单管直注的线性/平面局限，实现高温区域的全方位立体包裹，从根源上消除灭火盲区，显著降低二次复燃风险；另外各注入支管可根据采集的煤矸石温度数据，在底部、侧向、顶部区域内沿温度梯度升高方向主动追踪延伸，直至抵达各自区域的局部高温核心点，能够依据火源空间形态自适应地调整注入点位，使每个注入支管精准定位至多层位、多区域的分散火源点，避免传统被动监测与静态定位的局限，大幅提高治理效果；

59、2、依次进行底部、侧向、顶部区域的液态co2注入，底部封堵以阻断氧气上浮通道，侧向包围形成环形帷幕，顶部覆盖形成三维立体惰气空间的外部封闭，中心惰化阶段在已构建的外围封闭空间内，对所有注入支管同步注入液态co2与碱性浆料，对高温核心区域进行集中惰化降温与酸性气体中和，该分层逐级注入的方式能够在深部构建起由外围向中心、由底至顶递进闭合的立体隔氧帷幕，避免残余热源从底部通道或侧向裂缝二次复燃，并有效抑制有害气体外泄造成二次环境污染，能够显著提升灭火彻底性和防复燃长效性；另外通过动态优化各分支注入管的流量分配比例，使介质利用效率最大化，实现区域整体惰化与自适应精准治理；

60、3、以液态co2与碱性浆料注入高温核心区域，并采用双通道拉瓦尔喷嘴结构，一方面液态co2从中心通道喷出时的绝热膨胀气化，既提供了浆料雾化的动力源，又实现了物理吸热降温，无需额外能量输入，结构简洁高效，另一方面碱性浆料以微米级雾化液滴形式随co2气流主动渗透进入裂隙，增加与酸性气体的接触面积，并提高反应效率，实现灭火降温与酸性气体原位中和的协同治理；

61、4、当底部、侧向、顶部区域的液态co2注入完成后，通过向各注入支管同步发送液态co2脉冲，采集热响应数据并结合孔隙率模型反演，可自动识别高连通主通道区与低连通致密区，针对高连通区主动降低注入流量，避免介质沿裂隙无效逃逸；针对低连通致密区提高流量并借助气爆效应劈裂致密矸石层，打开浆料渗透通道。同时通过周期性重复测试，动态追踪各区降温状态，温度达标后即时停止注入，该方法实现了“先诊断后施策”的自适应精准治理，既提升灭火效率，又有效避免介质浪费和过度注入。

62、一种治理煤矸石山自燃高温点的防灭火系统具有以下优点：

63、1、注入支管通过驱动部件向外伸出形成立体注入网络，实现对高温核心点的精准送达，使得液态惰气对煤矸石山自燃的灌注定向更加精准，有效解决火源深埋分散、燃烧区域不规则、多层位多区域分布的治理难题，单孔即可实现大范围立体包裹；并且在注入支管上设有独立驱动的钻头，以方便进行临时破碎；

64、2、采用底部封堵、侧向包围、顶部覆盖、中心惰化四个顺序执行的分层逐级注入程序，由外向内、由底到顶形成完整三维帷幕。底部先行封堵阻断氧气补给的根本通道，侧向包围与顶部覆盖逐级闭合形成完整惰气空间，最后集中惰化核心区域，时序逻辑科学严谨。完整的三维立体帷幕彻底切断了外部氧气向火区的多维补给路径，显著提升灭火彻底性和防复燃长效性。