一種基於系統測溫的自燃矸石山火情特徵診治方法與流程

2023-12-07 02:32:51

本發明涉及一種基於系統測溫的自燃矸石山火情特徵診治方法，屬於矸石山治理領域，是將矸石山治理的各環節作為一個整體而系統治理的技術方法。

背景技術：

煤矸石是採煤活動中產生和排放的固體廢棄物，其化學成分複雜，包含的元素多達數十種，是礦山的主要汙染來源之一。大量煤矸石露天堆積，矸石山自燃成為極為普遍的現象，不僅浪費了資源，而且在燃燒過程中排放的有毒有害氣體嚴重汙染大氣環境，危害礦區人民的身體健康。因此，矸石山的滅火防復燃成為矸石山治理的第一要務。但是，在矸石山治理的實踐中，滅火措施經常不加區別地採用相同的幾種方式，由於矸石山的類型不同，沒有具體情況具體對待的滅火方式並未能徹底滅火，矸石山復燃的情況還時有發生。

矸石山的自燃經歷潛伏自熱、加速氧化升溫和穩定燃燒3個階段，由此反映的狀態有矸石山內部溫度和氣態成分的變化。氣態成分變化是由溫度上升引起的，且測試氣態成分的條件比較苛刻，不適宜推行。

通過對現有技術的檢索發現，中國專利CN104155330A公開了一種自燃煤矸石山著火點的確定方法，該方法將矸石山表面測溫法與矸石山內部的米測溫法結合，以快速的表面測溫找出矸石山異常溫度點，依據異常點布局內部的米測溫面，比較米測溫面與表面溫度場溫度梯度的變化趨勢，以十字交叉法在三維尺度上用優選法移動坐標原點直至遞增指向或接近燃燒核心點(即著火點)。

現有的方法存在以下不足：

(1)表面的異常溫度點並不能很好地指示矸石山內部的高溫區，因為大量矸石山都經歷過用土掩埋的粗暴治理，導致內部火苗向別處擴散，表面的高溫點與內部的高溫區域並不能一一對應；

(2)單單確定著火點對後期施工的指導意義並不大，已經開始著火的區域並不是風險最高的區域，已經開始著火的區域燃燒結束後基本沒有風險，而即將著火的區域才是亟需處理的區域。

(3)十字測溫法與品字測溫法相比，對相同面積的矸石山進行測溫，十字法測溫法需要布設更多點，無論從打孔還是測溫方面來講都加大了工作量，費時費力。

(4)熱紅外測溫過程中通過在矸石山表面設立標誌點來確定紅外成像中像幅標誌點的坐標信息，溫度信息與坐標信息的對應過程存在較大誤差。

技術實現要素：

本發明解決的技術問題是：克服當前依據表面異常溫度點布局內部米測溫面與實際結果誤差較大、僅僅確定矸石山著火點而忽略其他潛在危險區域的問題，提出一種逐步逼近、深度梯度系統測溫的方法，構建矸石山的溫度場分布圖，以期將測溫結果應用於矸石山治理各環節，始終考慮各環節之間的聯繫，將其作為一個整體進行治理。

本發明的技術解決方案是：一種基於系統測溫的自燃矸石山火情特徵診治方法，包括如下步驟：

(1)對矸石山進行初次全面普查測溫規劃，確定矸石山燃點溫度區間，根據目標矸石山的形狀和大小以第一間距劃分一次橫縱測溫線，其交叉點為一次測溫點，對所述一次測溫點進行第一次測溫，得到各一次測溫點處的溫度數據；

(2)根據步驟(1)中得到的一次測溫數據，並結合矸石山第一燃點溫度進行第一次分區，劃分矸石山重點測溫區域和非重點測溫區域，劃分原則為：溫度＜第一燃點溫度，為非重點測溫區域；溫度≥第一燃點溫度，為重點測溫區域；所述第一燃點溫度為矸石山燃點溫度區間中最低的燃點溫度；

(3)在步驟(2)第一次溫度分區的基礎上，對重點測溫區域以第二間距劃分二次橫縱測溫線，其交叉點為二次測溫點，對所述二次測溫點進行第二次測溫，得到各二次測溫點處的溫度數據，所述第二間距小於第一間距；

(4)根據步驟(3)得到的二次測溫數據，結合燃點溫度區間中除第一燃點溫度以外的其他燃點溫度，對重點測溫區域進一步進行第二次分區，劃分危險區和若干高溫區，劃分原則為：溫度≥第二燃點溫度，為危險區，溫度＜第二燃點溫度，為高溫區；所述第二燃點溫度為矸石山燃點溫度區間中最高的燃點溫度；

(5)根據所述第二次分區，得到矸石山火情區域特徵，對不同的區域採取不同的治理措施。

所述第二次測溫後還對危險區以第三間距劃分三次橫縱測溫線，其交叉點為三次測溫點，對所述三次測溫點進行第三次測溫，得到各三次測溫點處的溫度數據，得到矸石山危險區的火情特徵；所述第三間距小於第二間距。

所述第三間距為1.25～2.5m。

所述第一間距為5～10m，第二間距為2.5～5m。

所述測溫採用「品字形」在平臺及坡面劃分橫縱測溫線，在測溫點處打孔測溫；所述打孔測溫採用深度梯度系統測溫方法，即對某個測溫點測量不同深度處的溫度，得到該點處的深度梯度溫度值。

所述第一次測溫的深度為1米和2米，第二次測溫深度為3米。

所述步驟(1)中燃點溫度區間為[80℃，280℃]。

所述步驟(4)中對重點測溫區域進行第二次分區是將重點測溫區域進一步劃分為3個區域：80℃≤溫度＜90℃，為臨界區；90℃≤溫度＜280℃，為蓄熱區；溫度≥280℃，為發火區。

所述步驟(5)中不同區域的治理措施如下：對臨界區採用噴射注漿法方法防止熱量繼續擴散；對蓄熱區採用隔絕氧氣方法打亂其蓄熱結構；對發火區採用深孔注漿方法進行降溫滅火。

進行所述測溫時，採用RTK定位和WRNK式鎧裝熱電偶，測溫過程按照「打孔——熱電偶插入孔中——等待7～10分鐘——測溫——記錄」的順序依次進行。

本發明與現有技術相比的優點在於：

(1)對矸石山的火情特徵進行了診斷，做出明確的溫度分區，並未停留在僅僅確定著火點的目標之上。基於熱量聚散梯度原理，通過逐步逼近、深度、梯度系統測溫技術，全面掌握矸石山火情；按照矸石山內部不同溫度區間對其火情分布規律進行科學分類，從而指導後期針對不同火情採用相應的滅火工藝；

(2)通過1米深度全面普查測溫確定矸石山內部高溫區，比現有技術依據表面的異常溫度點指示矸石山內部高溫區更為精準，避免了因內部火苗向別處擴散而導致的定位不準的缺陷；

(3)本發明按「品字形」測溫點布設法在1米深度布設全面覆蓋的測溫網，「品字形」測溫比「十字形」測溫更大限度地節省了工作量，可以省時省力地確定矸石山內部高溫區；

(4)將RTK定位技術與熱電偶測溫有機結合，可實時獲取空間信息與溫度信息。不同於熱紅外測溫過程中通過在矸石山表面設立標誌點來確定紅外成像中像幅標誌點的坐標信息，RTK定位技術與熱電偶測溫相結合既極大地提高了作業效率，又盡最大可能地降低了溫度信息與空間信息一一對應過程中產生的誤差。

附圖說明

圖1為本發明方法中矸石山表面測溫線分布圖，測溫間距為5～10米，圖中以10米為例。

圖2為本發明方法中「品字形」測溫孔分布示意圖。

圖3為本發明方法中初次全面普查測溫網布置示意圖，測溫間距為5～10米，圖中以10米為例。

圖4為本發明方法中垂直打孔方向示意圖。

圖5為本發明方法中第一次加密測溫網布置示意圖，測溫間距為2.5～5米，圖中以5米為例。

圖6為本發明方法中第二次加密測溫網布置示意圖，測溫間距為1～2.5米，圖中以2.5米為例。

具體實施方式

通常情況下矸石山中FeS的水解蓄熱臨界溫度一般在80～90℃之間，煤矸石中碳的起燃溫度一般在280～300℃。中間區域為蓄熱加劇階段。而且，矸石山的自燃經歷潛伏自熱、加速氧化升溫和穩定燃燒3個階段。因此，依據溫度將矸石山劃分為4個分區：防控區、臨界區、蓄熱區、發火區，各個溫度分區的起始溫度採用溫度就低原則，即採用諸多標準中的最低溫度劃分，可保證工程質量。本發明提供了一種基於系統測溫的自燃矸石山火情特徵診治方法，所述方法包括以下步驟：

(1)初次全面普查測溫(測溫線分布如圖1所示)：採用「品字形」測溫法(如圖2所示)，平臺及坡面每隔5～10米打孔測溫，打孔深度為2米。測溫儀器使用熱電偶，測溫階梯深度為1米、2米。坡面勘測要求每次測溫打孔垂直於坡面(如圖4所示)，保證測溫深度。

測溫儀器採用WRNK式鎧裝熱電偶，使用前對儀器進行完好性檢查，開水測溫監測儀器的靈敏度與精度。熱電偶的測溫範圍是0℃-1100℃，其測溫精度為±1℃。測溫過程按照「打孔——熱電偶插入孔中——等待7～10分鐘——測溫——記錄」的順序依次進行。

測溫打孔方法：測溫打孔方法依據地形條件1米、2米測溫主要由人工打孔；大於3米深度的測溫主要由空壓機和氣動潛孔鑽組或專業打孔機械進行施工。

具體地，對矸石山進行初次全面普查測溫規劃。從橫縱測溫線的交叉點中間隔選取測溫點，綜合利用RTK定位技術及熱電偶測溫，獲取測溫點的溫度，準確記錄以供後期整理分析。如圖3所示，以5～10米為間距選取測溫點，「品字形」測溫比「十字形」測溫更大限度地節省了工作量，之後再在高溫區進行加密測溫，這種疏密結合的測溫方法既可以全方位不遺不漏地進行測溫，又保證測溫工作的最大效率。

(2)測溫結束後進行資料初步匯總，根據測溫數據以由點及面的方法，進行溫度分區，在地形圖上標註防控區(<80℃區域)與高溫區(≥80℃區域)，然後對高溫區進一步測溫。

(3)高溫區二次測溫(如圖5所示)：在一次測溫的基礎上圍繞≥80℃的高溫區進行二次測溫，打孔深度為3米，同樣採用「品字形」測溫法，每隔2.5～5米打孔測溫，測溫深度為3米。

(4)測溫結束後資料二次匯總：結合一次測溫、二次測溫在地形圖上繪製2米、3米溫度分布圖，確定發火區(T≥280℃區域)、蓄熱區(90℃≤T＜280℃區域)及臨界區(80℃≤T＜90℃區域)範圍。

(5)進一步，優選地，可進行第三次測溫(如圖6所示)：在二次測溫的基礎上對發火區進行多深度階梯測溫，打孔深度為4米、5米及6米，同樣採用「品字形」測溫法，測溫深度分別為4米、5米及6米(部分高溫區)，測溫間距1～2.5米，確定燃燒深度及範圍。

具體地，如圖4所示，以圖2中測出的A1-A7點為例，假設測得A3點溫度≥80℃，以A3點為中心，在其四周加密布設測溫線，以5m為間距選取其周圍點為進一步測溫點，新的測溫點所圍區域為高溫區，記錄統計高溫區內各點溫度，並對測點溫度進行進一步分析。

進一步，如圖6所示，以圖4中測出的B1-B8點為例，假設測得B6點溫度≥280℃，以B6點為中心，在其四周加密布設測溫線，以2.5m為間距選取其周圍點為進一步測溫點，新的測溫點所圍區域為發火區，記錄統計發火區內各點溫度。

(6)勘測結論分析：對測溫數據進行全面分析總結，根據測溫數據繪製溫度分布圖，標註防控區、臨界區、蓄熱區及發火區區域範圍，根據溫度分布範圍及深度，確定滅火的體積。

具體地，對測溫數據進行全面分析總結，根據發火區、蓄熱區及防控區的範圍及深度，繪製溫度分布平面圖及高溫區剖面示意圖，確定著火點的深度及平均滅火深度，從而確定滅火體積。

(7)基於系統測溫診斷自燃矸石山的火情特徵，依據火情特徵確定的溫度分區指導後期的滅火施工過程。對防控區加強監測，確保安全，對高溫區採取自下而上、由外圍區向核心區(低溫區向高溫區)逐步逼近的方法進行滅火施工。其中，對臨界區採用噴射注漿法等工藝防止熱量繼續擴散；對蓄熱區採用隔絕氧氣等方式打亂其蓄熱結構；對發火區採用深孔注漿等工藝進行降溫滅火。處於加速氧化升溫階段的蓄熱區和處於劇烈燃燒階段的發火區是滅火施工的重點區域，通過因地制宜地採取施工措施，實現徹底滅火，消除復燃因素。

本發明說明書中未作詳細描述的內容屬本領域技術人員的公知技術。