一种用于治理煤堆自燃的液态惰气定向灌注系统及其方法

本发明涉及煤炭安全储存技术，属于火灾防护领域，具体涉及一种用于治理煤堆自燃的液态惰气定向灌注系统及其方法。

背景技术：

1、针对煤堆自燃高温点的治理，目前常用的技术手段包括表面喷水降温、覆盖封堵以及打钻灌注惰性气体（如氮气、液氮、二氧化碳）等。其中，喷水降温仅能作用于表层，水分难以渗透至煤堆内部，且蒸发后形成的蒸汽会堵塞煤体孔隙，反而阻碍内部热量向外传导；同时煤中硫化物遇水氧化产酸也会伴随放热，可能进一步加剧内部温升，仅适用于表面应急降温。覆盖封堵（黄土、阻燃剂）易受雨水冲刷破坏，导致漏风通道封堵不严，仅能在短期内起到物理隔氧（封堵）作用，不适用于大型煤堆内部蓄热引发自燃后的复燃治理。而打钻灌注惰性气体能够深入煤堆内部，有效降低氧浓度，液氮、液态co2还能吸热降温，不受堆高和压实限制，对大型堆体和隐蔽火源效果可靠，兼顾防火与灭火。

2、在灌注惰性气体治理煤堆自燃实际运用中，仍存在以下问题：

3、1、现有技术多采用单一连续的灌注方式向煤体注入惰性气体，这种连续大流量灌注模式往往忽略煤体裂隙结构的非均质性和热冲击效应的利用价值，惰气难以深度渗透至煤体内部的多尺度裂隙网络，大部分介质沿阻力最小的通道短路逸散，无法有效覆盖高温核心区域，未能形成“造缝-渗透”的协同联动，导致介质利用率低、惰气渗透性差、灭火不彻底。

4、2、现有高温点治理多依赖随机钻孔或按固定方向布设钻孔，缺乏对煤堆内部高温核心的主动寻迹与精准定位能力。例如公开号为cn116183054a的专利，通过测温光纤采集温度数据并建立温度规律模型，依据光纤反馈的异常温度信息实现对煤堆异常核心区域的定位；公开号为cn117386433a的专利，基于几何方法得出采空区等温层温度分布图，实现煤自燃危险区域的快速划定。但这些方法多为被动监测或静态定位，仅能给出高温区域的大致范围，无法引导注入器在插入过程中主动追踪温度梯度方向，因而难以逼近真实火源，实际钻孔作业中极易偏离高温核心，导致治理介质无法送达有效位置，造成治理精度受限和介质严重浪费。

5、3、目前煤自燃治理中液氮与液态二氧化碳的使用多依据经验进行选择，缺乏基于实时温度反馈的动态切换机制。液氮具有极速降温能力但气化后难以在煤体内长期驻留，液态二氧化碳可生成干冰颗粒充填裂隙但降温速率相对较慢。现有技术未能根据高温点温度的实时变化动态调整注入介质类型，导致快速灭火与长效防燃难以兼顾。

6、针对上述问题，有必要开发一种用于治理煤堆自燃的液态惰气定向灌注系统及其方法，通过主动寻迹定位、分阶段变流量注入、介质类型动态切换，实现高温核心的精准治理与惰气的高效利用。

技术实现思路

1、本发明目的在于提供一种用于治理煤堆自燃的液态惰气定向灌注方法，形成造缝、渗透、持续冷却的协同联动，分阶段变流量灌注模式，不仅显著提升液态惰气渗透深度与覆盖均匀性，解决传统技术中惰气沿大裂隙短路逸散、无法深度覆盖高温核心的问题，而且实现对高温核心点的自主逼近与精准送达，使得液态惰气对煤堆自燃的灌注定向更加精准。

2、为实现上述目的，一种用于治理煤堆自燃的液态惰气定向灌注方法，具体包括以下步骤：

3、s1，通过构建反映煤堆内部温度连续变化的三维体素模型，确定煤堆自燃高温区域的三维空间分布信息；

4、s2，根据步骤s1中三维空间分布信息，将导向注入件伸入高温区域并靠近中心位置，导向注入件前端的温度传感器采集煤体温度数据，并调整导向注入件前端的偏转方向，使得导向注入件朝温度梯度升高方向追踪延伸，直至抵达高温核心点；

5、s3，当抵达高温核心点后，先通过导向注入件以第一流量注入液态惰气，利用极速气化产生的热冲击使周围煤体快速冷却收缩并产生大量微裂隙，第一时长后完成预冷造缝灌注；

6、再以第二流量注入液态惰气，使得液态惰气沿微裂隙向煤体深部渗透并持续气化吸热，第二时长后完成深冷渗透灌注；

7、s4，完成深冷渗透灌注后，停止注入并持续第三时长，进入间歇均温阶段；在该时长段内计算温度回升速率，当温度回升速率大于第一预设阈值时，继续进行步骤s3，当温度回升速率小于或者等于第一预设阈值时，以第三流量继续注入液态惰气进行持续冷却灌注，直至煤体温度在时间内不高于40℃，且温度回升速率低于第二预设阈值时，则完成对煤堆自燃的液态惰气灌注；

8、其中，，，；第二预设阈值小于第一预设阈值。

9、在本发明的一些示例中，所述步骤s2中，温度传感器采集煤体温度为；

10、当时，步骤s3、步骤s4中液态惰气为液氮；

11、当时，步骤s3、步骤s4中液态惰气为液氮与液态co2的混合物，且液氮与液态co2的质量比为1：（1~3）；

12、当时，步骤s3、步骤s4中液态惰气为液态co2。

13、在本发明的一些示例中，所述步骤s3中，第一流量的取值范围为30~80l/min，第一时长的取值范围为10~60s；

14、第二流量的取值范围为5~20l/min，第二时长的取值范围为2~15min；

15、所述步骤s4中，第三流量的取值范围为0.5~3l/min，第三时长的取值范围为1~10min。

16、在本发明的一些示例中，所述步骤s4中，第一预设阈值为2℃/min，第二预设阈值为0.5℃/min；

17、取值范围为40~70min。

18、在本发明的一些示例中，当温度回升速率大于第一预设阈值时，继续进行步骤s3，该步骤s3中，

19、，或者

20、，或者

21、其中，为当前第一流量，为上一步的第一流量；

22、为当前第一时长，为上一步的第一时长；

23、为当前第二流量，为上一步的第二流量；

24、为当前第二时长，为上一步的第二时长；

25、取值范围为0~50l/min，取值范围为0~50s；

26、取值范围为0~15l/min，取值范围为0~13min。

27、在本发明的一些示例中，还包括：

28、s5，通过步骤s1中三维体素模型，筛选出存在自燃隐患但尚未出现明显高温点的煤堆自燃中温区域的三维空间分布信息；

29、对于该三维空间分布信息，每1~3个月定期将导向注入件伸入至该中温区域并靠近中心位置，导向注入件前端的温度传感器实时采集煤体温度数据，并调整导向注入件前端的偏转方向，使得导向注入件朝温度梯度升高方向追踪延伸，直至抵达中温核心点；

30、以0.5~2l/min的微流量注入液态co2，在中温核心点周围形成厚度不小于0.5m的惰化保护层。

31、一种用于治理煤堆自燃的液态惰气定向灌注系统，包括：

32、三维体素模块，用于确定煤堆自燃高温区域的三维空间分布信息；

33、供给部件，用于提供煤堆自燃定向灌注的液态惰气；

34、导向注入件，用于根据三维空间分布信息，伸入高温区域实时采集煤体温度数据，并朝温度梯度升高方向弯曲偏转追踪延伸至高温核心点，以备灌注液态惰气；

35、分析模块，用于接收三维空间分布信息与煤体温度数据，在抵达高温核心点后依次执行预冷造缝灌注与深冷渗透灌注，并在间歇均温阶段根据温度回升速率与第一预设阈值、第二预设阈值的比对结果，决定是否重复灌注循环或切换至最终持续冷却灌注；

36、控制部件，与分析模块连接，用于控制导向注入件的偏转角度、液态惰气灌注的第一流量与第一时长、第二流量与第二时长、第三流量与第三时长以及灌注启停。

37、在本发明的一些示例中，所述供给部件具有：

38、用于储存液氮的第一储液罐，其上设有液氮输出的第一管道，第一管道通过第一三通阀选择性地与混合罐或输出管道连接；

39、用于储存液态co2的第二储液罐，其上设有液态co2输出的第二管道，第二管道通过第二三通阀选择性地与混合罐或输出管道连接；

40、用于液氮与液态co2混合的混合罐，混合罐通过输出管道与导向注入件一端连接；

41、其中，第一管道、第二管道上靠近相应储液罐输出端依次设有截止阀、压注泵、输入流量控制阀；输出管道上靠近混合罐处设有总截止阀、输出流量控制阀，第一管道、第二管道分别与输出管道的连接位置均远离混合罐；

42、控制部件用于控制截止阀、总截止阀的开闭，调节输入流量控制阀、输出流量控制阀的流量，切换第一三通阀与第二三通阀，以及控制压注泵的启停与增压调节。

43、在本发明的一些示例中，所述导向注入件具有：

44、相互连接的支撑管、追踪管，追踪管能够受控相对支撑管的轴线弯曲、周向偏转；

45、内管，为柔性结构且位于支撑管与追踪管的内部，与支撑管、追踪管形成环形腔；

46、追踪管的前端设有多个用于实时采集煤体温度数据的温度传感器，前端内部设有封闭的内腔，该内腔上设有多个用于液态惰气喷出的喷嘴；

47、其中，内管一端与输出管道连接、另一端与内腔连接；

48、温度传感器的导线从环形腔引出至外部。

49、在本发明的一些示例中，所述追踪管与支撑管之间设有驱动部件；驱动部件具有旋转套筒、电滑环；

50、旋转套筒通过轴承转动套装在支撑管上，并通过第一驱动件驱动周向转动；

51、追踪管后端设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；

52、第一驱动件、第二驱动件均与控制部件连接，并受控制部件控制；

53、电滑环安装在支撑管的前端，温度传感器、第二驱动件的导线沿环形腔，通过电滑环进行引出；

54、追踪管的前端设有独立被驱动转动的钻头，钻头由液压马达驱动转动。

55、与现有技术相比，一种用于治理煤堆自燃的液态惰气定向灌注方法具有以下优点：

56、1、采用预冷造缝灌注使周围煤体快速冷却收缩并产生大量微裂隙，深冷渗透灌注使得液态惰气沿微裂隙向煤体深部渗透并持续气化吸热，间歇均温阶段计算温度回升速率以判定持续冷却灌注，形成造缝、渗透、持续冷却的协同联动，分阶段变流量灌注模式，显著提升液态惰气渗透深度与覆盖均匀性，解决传统技术中惰气沿大裂隙短路逸散，无法深度覆盖高温核心的问题；

57、2、通过构建三维体素模型确定煤堆自燃高温区域的三维空间分布信息，导向注入件前端多点温度传感器实时采集温度数据，根据各测点温度差异自主判别温度梯度方向，实时驱动导向注入件主动偏转，直至抵达真实高温核心点，因此将三维体素建模与主动温度梯度寻迹相互结合，实现对高温核心点的自主逼近与精准送达，避免传统被动监测与静态定位的局限，使得液态惰气对煤堆自燃的灌注定向更加精准，大幅提高治理效果；

58、3、建立精准的三档温控介质选型规则：当高温核心点温度＞150℃时，选用纯液氮发挥极速降温优势，迅速扑灭火源、遏制热失控；当温度处于80℃~150℃时，采用液氮与液态co2混合注入，既利用液氮的快速降温和co2的惰化封堵形成互补，在降温的同时构筑防复燃屏障；当温度＜80℃时，切换为纯液态co2注入，生成的微m级干冰颗粒充填堵塞煤体裂隙，形成自封装层，彻底隔绝氧气侵入，因此根据高温点温度的实时变化动态调整注入介质类型，实现快速灭火与长效防燃的协同统一；

59、4、在深冷渗透灌注后引入间歇均温阶段，通过温度回升速率量化评估前序降温效果，并建立第一预设阈值与第二预设阈值判定标准：当温度回升速率突破第一阈值时，自动触发灌注参数的增量迭代，以更强的冷量冲击抑制高温反弹；当温度回升速率介于两阈值之间时，切换为微流量维持灌注进行冷量补偿；当温度稳定低于40℃且回升速率低于第二阈值时，自动判定治理完成；因此完成“灌注-评估-迭代-维持”闭环自适应控制，确保不同工况下均能获得最优灌注策略，有效解决传统技术停注即复燃的问题。

60、与现有技术相比，一种用于治理煤堆自燃的液态惰气定向灌注系统具有以下优点：

61、三维体素模块确定煤堆自燃高温区域的三维空间分布信息；供给部件中采用双储液罐、三通阀与混合罐相互连接的方式，实现液氮、液态co2及二者混合物的即时在线切换；导向注入件采用支撑管与追踪管的偏转结构，配合电滑环与旋转套筒驱动机构，能够在狭小钻孔空间内实现全向弯曲偏转，完成主动寻迹追踪，因此实现从高温区域确定、主动寻迹追踪、介质智能选型、分阶段精准灌注、效果评估迭代的全流程自动化，大幅减少人员直接暴露于高温、有毒有害环境的时间和频次，为煤矿井下等易燃易爆场所的安全治理提供可靠的技术装备保障。