本發(fā)明涉及礦井采空區(qū)防滅火，具體為一種基于熱觸發(fā)式固-液反應(yīng)的采空區(qū)自燃主動(dòng)惰化裝置及方法。

背景技術(shù)：

1、礦井火災(zāi)是嚴(yán)重威脅煤礦安全生產(chǎn)的災(zāi)害之一，分為內(nèi)因火災(zāi)和外因火災(zāi)，其中內(nèi)因火災(zāi)即煤自燃是導(dǎo)致煤礦事故的主要誘因之一，據(jù)統(tǒng)計(jì)，因煤炭自燃而造成的火災(zāi)約占礦井火災(zāi)總數(shù)的90％以上。采空區(qū)遺煤在氧化蓄熱作用下極易引發(fā)自燃，而采空區(qū)內(nèi)部空間復(fù)雜、隱蔽性強(qiáng)，傳統(tǒng)防滅火手段難以直接作用于高溫隱患區(qū)域，同時(shí)，采空區(qū)火災(zāi)存在燒毀工作面的危險(xiǎn)，引發(fā)的煤塵、瓦斯爆炸等次生災(zāi)害更為嚴(yán)重，給煤礦的安全高效開采帶來了巨大挑戰(zhàn)。

2、目前，注氮惰化技術(shù)是防治采空區(qū)煤自燃的主要方法之一，其通過在采空區(qū)注入氮?dú)饨档脱鯕鉂舛?，抑制煤氧?fù)合反應(yīng)。然而，現(xiàn)有注氮技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中存在顯著局限性，尤其是在單側(cè)注氮模式下，進(jìn)風(fēng)側(cè)漏風(fēng)量較大，導(dǎo)致氧化帶向深部延伸，而回風(fēng)側(cè)常因注氮盲區(qū)形成高溫隱患點(diǎn)。更為關(guān)鍵的是，現(xiàn)有注氮機(jī)制難以確保氮?dú)饩珳?zhǔn)覆蓋高溫區(qū)域，或因氣體分流、擴(kuò)散不均等問題，氮?dú)獾竭_(dá)目標(biāo)位置時(shí)濃度已顯著降低，無法滿足惰化要求。

3、近年來，盡管部分專利技術(shù)嘗試優(yōu)化注惰管路布置或提高注惰壓力以改善惰化效果，但這些方案仍屬于被動(dòng)式防控，未能從根本上解決注惰盲區(qū)與動(dòng)態(tài)高溫區(qū)域的匹配問題。此外，雙巷注氮雖能擴(kuò)大覆蓋范圍，但成本高昂且對(duì)礦井生產(chǎn)布局干擾較大，難以大規(guī)模推廣。除注氮技術(shù)外，傳統(tǒng)防滅火手段如灌漿、凝膠封堵等技術(shù)，也存在難以滲透至采空區(qū)深部高溫區(qū)域，且易受地質(zhì)條件影響而失效的問題。因此，如何實(shí)現(xiàn)對(duì)采空區(qū)高溫區(qū)域的主動(dòng)識(shí)別與精準(zhǔn)惰化，成為當(dāng)前礦井防滅火領(lǐng)域亟待突破的技術(shù)難題。

4、針對(duì)上述問題，本發(fā)明提出一種基于熱觸發(fā)式固-液反應(yīng)的采空區(qū)自燃主動(dòng)惰化裝置及方法，其核心創(chuàng)新在于摒棄傳統(tǒng)依賴氣體擴(kuò)散的被動(dòng)防治模式，轉(zhuǎn)而采用“感溫觸發(fā)-原位反應(yīng)-定向釋放”的主動(dòng)防控機(jī)制。該裝置與方法能夠使co2通過定向排氣口直接作用于高溫區(qū)域，快速降低局部氧氣濃度，從源頭切斷煤自燃的必要條件。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于提供一種基于熱觸發(fā)式固-液反應(yīng)的采空區(qū)自燃主動(dòng)惰化裝置及方法，采用“感溫觸發(fā)-原位反應(yīng)-定向釋放”的主動(dòng)防控機(jī)制解決采空區(qū)遺煤在氧化蓄熱作用下產(chǎn)生的高溫易自燃的區(qū)域難以防治的問題。

2、一種基于熱觸發(fā)式固-液反應(yīng)的采空區(qū)自燃主動(dòng)惰化裝置，包括防護(hù)籠(1)、固態(tài)反應(yīng)倉(cāng)(2)、液態(tài)試劑儲(chǔ)罐(3)和感溫導(dǎo)流柱體(4)；

3、所述防護(hù)籠(1)位于整套裝置的最外層，為內(nèi)部的模塊化感溫觸發(fā)式反應(yīng)系統(tǒng)提供保護(hù)作用，該反應(yīng)系統(tǒng)由固態(tài)反應(yīng)倉(cāng)(2)、感溫導(dǎo)流柱(4)和液態(tài)試劑儲(chǔ)罐(3)自下而上的連接；

4、所述反應(yīng)發(fā)生裝置固態(tài)反應(yīng)倉(cāng)(2)共有三層結(jié)構(gòu)，內(nèi)層是具有一定耐高溫的耐腐聚乙烯(7)，中層是隔熱棉(8)，最外層是不銹鋼外殼(9)起保護(hù)作用，腔體內(nèi)部裝有固體粉末狀碳酸氫鈉(17)和催化劑氯化鈉(18)，腔體側(cè)面有四個(gè)吸熱排氣口(5)，排氣口內(nèi)含有單向閥(10)，排氣口內(nèi)壁附有吸熱涂層(11)，腔體頂部有四個(gè)空心螺紋桿接口(12)；

5、所述液態(tài)試劑儲(chǔ)罐(3)共有三層結(jié)構(gòu)，內(nèi)層是具有一定耐高溫的耐腐聚乙烯(7)，中層是隔熱棉(8)，最外層是不銹鋼外殼(9)起保護(hù)作用，腔體頂部有一個(gè)含有單向閥(10)的通氣管(6)，保持內(nèi)外壓強(qiáng)相同，腔體內(nèi)部裝有硫酸鋁溶液(19)，腔體底部有四個(gè)空心螺紋桿接口(12)；

6、所述感溫導(dǎo)流柱體(4)為不規(guī)則柱體，內(nèi)部含有石蠟(14)、引流針(13)和引流針固定器(15)，柱體兩端的套式螺帽(16)可以將固態(tài)反應(yīng)倉(cāng)(2)和液態(tài)試劑儲(chǔ)罐(3)相連接。

7、方法包括以下五個(gè)步驟：

8、s1：確定采空區(qū)高溫防治區(qū)域：

9、基于采空區(qū)束管監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集氣體溫度數(shù)據(jù)和程序升溫實(shí)驗(yàn)確定采空區(qū)煤樣的自燃臨界溫度(tc)，結(jié)合comsol數(shù)值模擬軟件，構(gòu)建采空區(qū)溫度場(chǎng)動(dòng)態(tài)模型，通過多參數(shù)耦合分析，確定自燃隱患點(diǎn)的空間分布，精準(zhǔn)定位氧化蓄熱高溫區(qū)域；

10、s2：確定主動(dòng)惰化裝置啟動(dòng)溫度：

11、石蠟熔點(diǎn)(tm)一般等于煤自燃臨界溫度(tc)減去安全裕度δtas(δtas通常取2℃～4℃)，但遺煤厚度(h)越大，蓄熱能力越強(qiáng)，煤體內(nèi)部溫度上升速率加快，達(dá)到自燃臨界溫度所需的環(huán)境溫度可能更低，因此，在相同外部條件下，厚煤區(qū)需設(shè)定更低的石蠟熔點(diǎn)，在煤體實(shí)際溫度達(dá)到危險(xiǎn)值前觸發(fā)裝置，故增加修正系數(shù)α(一般取值為0.5℃/m～2℃/m)，最終得出主動(dòng)惰化裝置啟動(dòng)溫度(石蠟熔點(diǎn))計(jì)算公式：tm＝tc-δtas-αh；

12、s3：確定主動(dòng)惰化裝置尺寸和試劑填充量：

13、綜合考慮采空區(qū)遺煤厚度、孔隙率、氧氣濃度場(chǎng)和高溫防治區(qū)域的情況下，預(yù)先設(shè)計(jì)一個(gè)碳酸氫鈉的試劑填充量，根據(jù)反應(yīng)方程式確定其他試劑的填充量、試劑所占體積、單裝置co2生成量和裝置尺寸，然后通過計(jì)算高溫區(qū)域氧氣濃度(ci)降低到臨界氧濃度(cl)所需要的co2體積(vco2需)和在此設(shè)計(jì)情況下的裝置數(shù)量，判斷裝置密度的合理性，由此確定反應(yīng)試劑填充量和裝置尺寸；

14、s4：確定主動(dòng)惰化裝置在采空區(qū)預(yù)埋的動(dòng)態(tài)布置點(diǎn)位：

15、根據(jù)采空區(qū)孔隙率(μ)、遺煤厚度(h)和co2擴(kuò)散效率(∈通常取0.5～0.7)計(jì)算出單個(gè)裝置生成的co2有效覆蓋面積(sa)和有效覆蓋半徑(r)，然后采取覆蓋效率最優(yōu)的蜂窩結(jié)構(gòu)，利用蜂窩網(wǎng)格生成算法在不規(guī)則高溫防治區(qū)域生成適配的六邊形蜂窩網(wǎng)格，然后設(shè)計(jì)裝置預(yù)埋動(dòng)態(tài)布置點(diǎn)位，確保每個(gè)裝置覆蓋范圍精確匹配co2擴(kuò)散能力；

16、s5：主動(dòng)惰化裝置的組裝、預(yù)埋和動(dòng)態(tài)調(diào)整：

17、將碳酸氫鈉和硫酸鋁試劑分別裝入固態(tài)反應(yīng)倉(cāng)和液態(tài)試劑儲(chǔ)罐，然后將感溫石蠟導(dǎo)流柱、固態(tài)反應(yīng)倉(cāng)、液態(tài)試劑儲(chǔ)罐和防護(hù)籠組裝，在采煤工作面將裝置按動(dòng)態(tài)布置點(diǎn)位預(yù)埋，當(dāng)裝置到達(dá)采空區(qū)高溫防護(hù)區(qū)域時(shí)，如果溫度到達(dá)設(shè)定溫度，感溫導(dǎo)流柱內(nèi)石蠟遇熱融化，液態(tài)試劑儲(chǔ)罐內(nèi)的硫酸鋁溶液順著導(dǎo)流柱流入固態(tài)反應(yīng)倉(cāng)和碳酸氫鈉反應(yīng)，生成大量co2從排氣口排出，快速降低局部氧氣濃度，消除采空區(qū)自然發(fā)火隱患；

18、進(jìn)一步，所述步驟s1中采空區(qū)高溫區(qū)域的劃分溫度應(yīng)基于煤自燃的臨界溫度(tc)，但是為避免裝置觸發(fā)滯后，劃分溫度應(yīng)低于臨界溫度并結(jié)合安全裕度δtbs進(jìn)行設(shè)定(δtbs通常取6℃～10℃)，實(shí)際劃分溫度為th＝tc-δtbs，在此基礎(chǔ)上劃分所得高溫區(qū)域面積為st，但實(shí)際采空區(qū)內(nèi)部情況復(fù)雜多變，為保證有效消除采空區(qū)內(nèi)部差異性引起的裝置啟動(dòng)滯后或co2覆蓋不全面的問題，引入安全冗余系數(shù)(f)，高溫區(qū)域防治面積sf＝st×f(一般區(qū)域f取值1.3～2.3；構(gòu)造區(qū)域f取值2.3～3)；

19、進(jìn)一步，所述步驟s2中確定石蠟熔點(diǎn)后，石蠟熔點(diǎn)調(diào)節(jié)是通過摻入高熔點(diǎn)巴西棕櫚蠟(熔點(diǎn)80～86℃)或低熔點(diǎn)礦地蠟(45～55℃)，按質(zhì)量比5％～30％調(diào)整石蠟混合比例，并加入1％～3％鄰苯二甲酸二丁酯(塑性劑)優(yōu)化感溫石蠟的流動(dòng)性；

20、進(jìn)一步，所述步驟s3中確定碳酸氫鈉、硫酸鋁和氯化鈉試劑的質(zhì)量，根據(jù)6nahco3+al2(so4)3→3na2so4+2al(oh)3+6co2↑，可以得出硫酸鋁和碳酸氫鈉的質(zhì)量關(guān)系：mal2(so4)3＝(mnahco3/6)×(mnahco3/mal2(so4)3)＝0.679×mnahco3，催化劑氯化鈉的質(zhì)量mnacl＝5％×mnahco3，當(dāng)碳酸氫鈉固體試劑的堆積密度取ρnahco3＝1.5g/cm3，催化劑氯化鈉的堆積密度取ρnacl＝2.16g/cm3，濃度為30％的硫酸鋁溶液密度取ρa(bǔ)l2(so4)3＝1.3g/cm3，計(jì)算得出碳酸氫鈉體積vnahco3＝mnahco3/ρnahco3(單位：l)，氯化鈉體積vnacl＝(5％×mnahco3)/ρnacl＝0.023mnahco3(單位：l)，硫酸鋁溶液的體積val2(so4)3＝mal2(so4)3/(30％×ρa(bǔ)l2(so4)3)＝1.74mnahco3(單位：l)，試劑占用總體積與碳酸氫鈉質(zhì)量數(shù)值的關(guān)系式：v總試劑＝0.667mnahco3+0.023mnahco3+1.74mnahco3＝2.43mnahco3(單位：l)；

21、進(jìn)一步，所述步驟s3中試劑碳酸氫鈉和co2的生成關(guān)系：vco2生＝(mnahco3/mnahco3)×22.4×k＝mnahco3×0.267×k(mnahco3為碳酸氫鈉試劑質(zhì)量，mnahco3碳酸氫鈉摩爾質(zhì)量，k為反應(yīng)效率數(shù)，取0.8～0.9)，采空區(qū)高溫區(qū)域氧氣濃度(ci)降低到臨界氧濃度(cl)所需要的co2體積公式：vco2需＝(sf×h×μ)(ci/cl-1)，高溫防治區(qū)域預(yù)埋主動(dòng)惰化裝置數(shù)量ni＝vco2需/vco2生，然后通過判斷預(yù)埋裝置密度是否合理，確定試劑裝填量的合理性；

22、進(jìn)一步，所述步驟s3中確定主動(dòng)惰化裝置的尺寸，固態(tài)反應(yīng)倉(cāng)和液態(tài)試劑儲(chǔ)罐的體積(v內(nèi))之和是裝置防護(hù)籠體積(v外)的50％～60％，在預(yù)留10％的流動(dòng)空間情況下，硫酸鋁溶液體積的1.1倍小于等于所在的液態(tài)試劑儲(chǔ)罐體積，在預(yù)留100％的反應(yīng)空間情況下，所有試劑體積的2倍小于等于固態(tài)反應(yīng)倉(cāng)的體積，在確定裝置尺寸和試劑裝填量時(shí)，需要滿足試劑體積與裝置體積的不等式關(guān)系式：val2(so4)3×1.1+v總試劑×2≤50％v外；

23、進(jìn)一步，所述步驟s4中單個(gè)裝置有效覆蓋面積sa＝(∈×vco2生)/(η×h)，有效覆蓋半徑由于正六邊形邊長(zhǎng)等于外接圓半徑，故采用蜂窩網(wǎng)格生成算法時(shí)，正六邊形邊長(zhǎng)r＝r；

24、進(jìn)一步，所述步驟s5中動(dòng)態(tài)調(diào)整是指，根據(jù)采空區(qū)實(shí)際變化情況和可能的高溫防護(hù)區(qū)域變動(dòng)，靈活調(diào)整裝置尺寸、反應(yīng)試劑填充量、石蠟熔點(diǎn)和蜂窩網(wǎng)格邊長(zhǎng)，對(duì)采空區(qū)潛在高溫區(qū)域進(jìn)行全方位的防治。

25、與現(xiàn)有技術(shù)相比,本發(fā)明公開的一種基于熱觸發(fā)式固-液反應(yīng)的采空區(qū)自燃主動(dòng)惰化裝置及方法的優(yōu)點(diǎn)在于:

26、(1)本發(fā)明通過預(yù)埋熱觸發(fā)式固-液反應(yīng)的主動(dòng)惰化裝置，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)煤體溫度，當(dāng)溫度達(dá)到預(yù)設(shè)閾值時(shí)，石蠟融化觸發(fā)化學(xué)反應(yīng)，原位生成高濃度co2直接覆蓋高溫區(qū)域。該機(jī)制避免了氣體長(zhǎng)距離擴(kuò)散的濃度損失，響應(yīng)時(shí)間縮短至分鐘級(jí)，且僅針對(duì)隱患點(diǎn)啟動(dòng)，資源利用率有效提示。

27、(2)本發(fā)明裝置通過碳酸氫鈉與硫酸鋁的化學(xué)反應(yīng)自主生成co2，單裝置成本很低，且無需持續(xù)能源供應(yīng)。裝置采用可拆卸模塊化設(shè)計(jì)，支持井下快速組裝與靈活預(yù)埋，尤其適用于中小型礦井或地質(zhì)復(fù)雜區(qū)域。此外，試劑填充量、觸發(fā)溫度和裝置布置密度可根據(jù)煤種特性動(dòng)態(tài)調(diào)整，實(shí)現(xiàn)“一礦一策”的定制化防控，綜合運(yùn)維成本顯著降低。

28、(3)本發(fā)明通過引入安全冗余系數(shù)(f)擴(kuò)大防治面積，確保高溫核心區(qū)及潛在風(fēng)險(xiǎn)帶均被co2惰化覆蓋。裝置采用三層復(fù)合結(jié)構(gòu)(耐腐聚乙烯內(nèi)襯+隔熱層+不銹鋼外殼)，可在高濕、高壓及煤渣沖擊環(huán)境下超長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行。裝置布置采用基于蜂窩網(wǎng)格生成算法的動(dòng)態(tài)布置方法，六邊形結(jié)構(gòu)更有效覆蓋盲區(qū)，確保co2均勻擴(kuò)散，網(wǎng)格密度可隨溫度梯度自動(dòng)調(diào)整，支持對(duì)斷層、裂隙等不規(guī)則區(qū)域進(jìn)行局部網(wǎng)格變形，精準(zhǔn)匹配風(fēng)險(xiǎn)分布。