煤矸石山自燃隐蔽高温热源预警监控治理体系

1.本发明涉及煤矸石山自燃灾害防治领域，尤其涉及煤矸石山自燃隐蔽高温热源预警监控治理体系。


背景技术：

2.我国作为全世界煤炭产量最多的国家，具有大量堆存的煤矸石。目前存量已超60亿吨，除了部分用于充填和综合利用外，大部分煤矸石长期堆存形成矸石山，对环境和安全产生影响。矸石山堆积过程中边坡易出现粒度偏析现象，形成纵向火风压，给氧气和热量的聚集提供了条件，促进了煤炭自燃的发生。煤炭自燃散发出的有毒有害气体严重危害矿区生态环境及人民群众的健康。国内外常用针对矸石山的防灭火技术主要有露天剥挖治理法、表面封闭法、洒水灭火法、注浆法等。露天剥挖治理法仅适用于着火范围不大且火源深度较浅情况，开挖过程有害气体和高温威胁施工安全；表面封闭法存在坡面覆土难以达到要求厚度且难以压实的问题，并且雨水冲刷及坡面滑落会导致供氧通道重新形成；洒水灭火法在硫铁矿含量较高的矸石山中应用时，硫化物与水反应会放热，更易加剧煤的氧化自燃；注浆法面临打孔困难和着火区域难以准确圈定，导致注浆效果变差的问题。因此，急需一种融合实时监测矸石山自燃状态，准确圈定自燃隐蔽高温热源区域具体位置，制备高效灭火防复燃材料和分级全阶段治理工艺的体系，以确保煤矸石山的安全性。


技术实现要素：

3.有鉴于此，本发明对煤矸石山自燃隐蔽高温热源识别和治理提供了煤矸石山自燃隐蔽高温热源预警监控治理体系，一定程度上，能够提高煤矸石山自燃识别的及时性、着火位置圈定的准确性、火灾治理的有效性、灾后监测的延续性。
4.为实现上述目的，本发明提出煤矸石山自燃隐蔽高温热源预警监控治理体系，主要包括灾前持续预警、灾中分级治理和灾后实时监测三个模块。
5.灾前持续预警模块包括搭载红外热成像仪和高清全景摄像机的无人机高空实时持续全面监测矸石山，确定自燃隐蔽高温区域范围，在自燃隐蔽高温区域范围内钻孔测温测气，确定具体阴燃高温点位置。
6.灾中分级治理模块包括灭火材质制备和分级全阶段治理工艺，采用防振型矿用灭火救援车内的磁化增压泡沫发生装置制备多相阻化凝胶泡沫治理矸石山自燃，应用黄土表面覆盖、矸石山分区钻孔、高压水旋转冲孔、注多相阻化凝胶泡沫灭火和煤炭自燃参数监测封堵器封孔的全阶段灭火工艺。
7.灾后实时监测模块包括煤炭自燃参数监测封堵器实时传递钻孔内的温度、气体信息至中控平台，保证灭火持续性和有效性。
8.进一步地，所述灾前持续预警模块包括搭载红外热成像仪和高清全景摄像机的无人机圈定自燃隐蔽高温区域范围，自燃隐蔽高温区域范围内钻孔测量温度、气体浓度，确定具体阴燃高温点位置。
9.搭载红外热成像仪和高清全景摄像机的无人机，同时段交替在矸石山上空实时持续全面监测，保证24h不间断，确定矸石山表面是否有自燃隐蔽高温区，以差定温阈值自动识别自燃是否发生，开启高分贝防爆声光报警器，将火区位置、温度、图像传递至中控平台和安全负责人员移动终端。
10.圈定煤炭自燃隐蔽高温区域范围后，按照范围具体大小，沿同方向间隔1.0-4.0m钻孔测温测气，钻孔深度1.0-1.5m左右，减小自然环境作用对测量结果影响，同方向确定最危险点后，以此点为基点，垂直钻孔布置测温测气装置，根据不同位置温度、气体浓度梯度确定阴燃高温点具体位置。
11.进一步地，所述防振型矿用灭火救援车采用前四后八轮胎形式，前轮为两轴四轮，后轮为两轴八轮，轮子的增加扩大了与地面的接触面积，减小了轮毂触及地面的局部压强，增加了车辆载重能力，保证了泡沫制备材料的充分携带，提高了车轮运行的安全性。
12.轮胎外安装可拆卸钢制履带，一方面可以防止轮胎被突起矿石扎坏，另一方面履带的加强花纹提高了其与地面的附着力，使其适应矸石山的大角度斜坡和道路崎岖的恶劣地理环境。
13.在驾驶舱内部人员前方安装人员观测摄像机，实时监控驾驶舱内工作人员的行为和状态，保证人员安全；在车体四周中心位置安装环境监测摄像机，环境信息传递至消防中控平台，便于观测矸石山自燃发展进程；车体两侧前方安装防盲区摄像机，传输信息至驾驶室内显示屏上，防止车辆较大导致驾驶员出现观测盲区；泡沫制备装置设备舱内部安装设备监测摄像机和照明灯，对装置基本情况进行监测，保证灭火装置可靠性。
14.车体四周间隔2.0m环绕布置温度传感器，探测车体周围温度，当火势较大，温度超过阈值后报警，车辆顶部的声光报警器启动，同时打开车体左/右/后三侧顶部及前侧玻璃下部的多嘴水幕喷头，喷头间隔2.0-4.0m；喷头喷水覆盖车辆，对车体进行降温并且对车周围环境灭火，达到保护车辆及车内人员目的，喷头与配水支管螺纹连接，尺寸型号可调节。
15.进一步地，所述防振型矿用灭火救援车泡沫制备装置设备舱包括锯齿螺旋泥浆混合装置、泡沫液多孔混合装置、磁化增压泡沫发生装置、注氮机、流量可调泵、水箱及泡沫制备原料存储箱(煤灰钠土混合颗粒、复合发泡剂、交联剂、稠化剂和阻化材料)。
16.设备舱内底板材质为永磁铁，泡沫制备装置安装到设备舱内后，永磁铁与泡沫制备装置产生紧密的磁性连接，保证了在爬坡及行驶过程中泡沫制备装置的稳定性，防止因颠簸导致的泡沫制备装置倾斜等不安全状态，为多相阻化凝胶泡沫的制备提供保障。
17.锯齿螺旋泥浆混合装置内置可旋转不锈钢光滑锯齿螺旋，可以将高压水、煤灰钠土混合颗粒和阻化材料螺旋搅拌，促使其充分混合，生成细腻泥浆。
18.泡沫液多孔混合装置内置两个多孔板，板上均匀布置圆孔，使复合发泡剂、交联剂、稠化剂在孔板界面相互撞击，进而制备出融合程度优良的泡沫液。
19.流量可调泵安装在泡沫制备原料存储箱与泡沫制备装置或不同泡沫制备装置之间，由驾驶舱控制，能够保证泡沫配比良好。
20.进一步地，所述磁化增压泡沫发生装置包括发泡箱、涡轮增压器、磁力搅拌器、永磁旋扇、椭球面发泡网、单向泥浆添加口、泡沫灌注观测孔。
21.发泡箱顶部设有单向泥浆添加口用于添加泥浆，末端出口采用s型曲线渐缩设计，用于提高泡沫出口流速，同时减少因局部阻力造成的泡沫损失。
22.单向泥浆添加口下部倾斜设置波浪缓冲口，防止泥浆下降时产生较大冲量，抑制混合效果。
23.涡轮增压器内置涡轮与叶轮，泡沫液流惯性冲击涡轮增压器内部涡轮，通过中心连接件，涡轮带动同轴叶轮，向外部环境抽吸氮气，使其泵入发泡箱，增加吸气量，提高发泡效率。
24.磁力搅拌器布置在发泡箱进液侧，通过磁场同性相斥、异性相吸的原理，带动发泡箱内部的永磁旋扇转动，搅拌发泡原料。
25.永磁旋扇为发泡箱内的材料旋转提供动力，同时向外输送制成的多相阻化凝胶泡沫，旋扇转速可调，转速介于0-3000rpm。
26.两个椭球面发泡网分别固定在复合强化泡沫出口的收口处，用于提高产泡效率，末端收口纱网孔径较大。
27.进一步地，所述单向泥浆添加口与发泡箱螺纹相连，由可拆卸外壳、旋转合页、折叠扇叶、固定挂环和压缩弹簧等组成，可实现单向泥浆注入，防止制成的多相阻化凝胶泡沫外溢。
28.单向泥浆添加口在投入泥浆后，当泥浆重力大于压缩弹簧弹力时，压缩弹簧受到挤压，折叠扇叶向发泡箱内部打开，使得泥浆进入发泡箱。
29.单向泥浆添加口易拆卸，便于清洁，防止泥浆堵塞，同时可对压缩弹簧进行更换，便于设备维护保养。
30.进一步地，所述泡沫灌注观测孔置于磁化增压泡沫发生装置末端，由高透玻璃、摄影补光灯、高清摄像头和透明护罩组成，高透玻璃与发泡箱上壁相连，高透玻璃上方两侧放置摄影补光灯，外置透明护罩，高清摄像头设在透明护罩内上部，便于准确捕捉泡沫状态，确认发泡效果。
31.进一步地，所述多相阻化凝胶泡沫凝聚了阻化材料、多相泡沫和凝胶的优越灭火性能，具有良好的保水性、扩散性、高位治理性、冷却性、隔氧性、封堵性及热稳定性，其组成成分包括煤灰钠土混合颗粒、复合发泡剂、交联剂、稠化剂和氢氧化镁、氢氧化铝、氯化钙等阻化材料。
32.煤灰与钠土比例为1.2-2.3，钠土的加入提升了煤灰颗粒的悬浮分散性，有效地增强了泡沫稳定性。
33.复合发泡剂质量分数为4
‰‑5‰
，主要组成成分为十二烷基苯磺酸钠、脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠和十二烷基硫酸钠等，发泡剂的复合设计增加了发泡膨胀体积和稳定性。
34.交联剂和稠化剂质量比为1:1混合，相互作用形成三维网状结构，提高泡沫黏度和发泡膨胀体积。
35.阻化材料包括氢氧化镁、氢氧化铝、氯化钙等，质量分数4％-6％，阻化材料的加入增强了泡沫的固水能力和耐热能力，同时阻化材料与含氧官能团羧基等活性基团反应生成稳定络合物。
36.阻化材料、煤灰钠土混合颗粒、稠化剂、交联剂固结在一起，在煤体表面和内部孔隙通道内形成膜状覆盖层，可有效封堵外部氧气进入煤体内部，阻止煤体发生深度氧化。
37.进一步地，所述分级全阶段治理工艺，包括黄土表面覆盖、矸石山分区钻孔、高压水旋转冲孔、注多相阻化凝胶泡沫灭火和煤炭自燃参数监测封堵器封孔。
38.采用1.0-1.2m的黄土充分覆盖矸石山表面，减少漏风，抑制火风压产生，根据矸石山堆积结构特点，水平划分三个危险等级区域，分区治理。
39.高压水力冲孔采用间断式旋转退钻的方法，在退钻的过程中，每隔不同的间距进行旋转冲孔，能够提升水力冲孔的效果，有效增大冲孔区域煤矸石山的孔隙率和渗透率，同时水进入矸石山的高温区域中能实现吸热降温的效果，也能增强后续泡沫注入之后的渗透效果，使泡沫的扩散范围有效增大，从而达到更好的灭火效果，水力冲孔装置提供的水压为5-6mpa，水流流量为120-160l/min。
40.从钻孔入口注入多相阻化凝胶泡沫灭火，灭火后采用煤炭自燃参数监测封堵器封孔。
41.进一步地，根据煤矸石山堆积规律和孔隙率特点，水平划分三个危险等级区域，依次为高危险区、中危险区、低危险区，采用不同钻孔间距和深度对煤矸石山自燃进行分区分类区段化治理。
42.高危险区为矸石山边坡，由于堆积产生的粒度偏析现象，其孔隙率较大，有大量氧气通过火风压进入矸石山内部，容易导致自燃发生，此处钻孔间距布置为1.0m，钻孔深度h与坡高h相关，表示为：
[0043][0044]
中危险区为靠近边坡平台段，由于边坡对空气的阻挡，漏风量相对较小，相比高危险区更不易自燃，此处钻孔间距布置为2.0m，钻孔深度为10.0m。
[0045]
低危险区为远离边坡平台段，由于边坡和近边坡平台段对漏风的阻碍，导致此处氧气浓度低，煤矸石难以自燃，此处钻孔间距布置为4.0m，钻孔深度为8.0m。
[0046]
随着危险区域等级的增加，钻孔间距减小，钻孔深度增加，高危险区域在治理中注入更多更深的多相阻化凝胶泡沫，从而使泡沫在矸石山中扩散的面积更大，达到更好的自燃治理效果。
[0047]
在实际工程应用过程中，根据煤矸石山的实时工况，在高/中/低危险区钻孔间距和钻孔深度的设置可因地制宜，上下浮动50％以内。
[0048]
进一步地，所述煤炭自燃参数监测封堵器，包括封堵装置主体和可拆卸旋盖，封堵装置主体和旋盖之间螺纹连接，保证旋盖能够灵活拆卸。
[0049]
可拆卸旋盖上方设置旋柄，使旋盖拆卸更加简单，便于在钻孔中注入各种灭火物质，并且在注完后能够继续起到封堵作用。
[0050]
可拆卸旋盖下方配备钻孔高温传感器，能够在注入泡沫之后实时监测钻孔中的温度变化，确定煤矸石山自燃治理效果，测温范围为-50-700℃；钻孔高温传感器外部由高导热防粘金属材料护罩保护，防止粉尘和泡沫附着于传感器热敏元件表面，降低测量灵敏度，从而影响监测效果，钻孔高温传感器和护罩可以多次利用，节约能源。
[0051]
钻孔高温传感器呈自上而下线性排布，每两个传感器之间的距离为0.5m，其向下延伸的长度为钻孔深度的70％-80％，保证测量钻孔不同深度的温度，从而提升监测的准确性。
[0052]
旋盖下对称布置气体传感器，动态监控co/ch4/co2等煤阴燃过程释放的灾源性气
体，气体传感器外置自动启闭护罩，护罩底部设置高精度压力传感器，当压力传感器数值不随时间变化时，说明泡沫不再向上堆积，此时自动启闭护罩开启，气体传感器吸气探测。
[0053]
封堵装置主体能够紧贴钻孔壁的土层嵌入钻孔表面，上方的扩大化圆盘能够增大与地面的接触面积，防止封堵装置主体陷入土层中，同时扩大化圆盘上的防滑凹槽能够防止作业人员在作业时因踩到封堵装置而滑倒，封堵装置主体的圆孔直径为105mm，扩大化圆盘的半径为300mm，防滑凹槽的深度为5mm。
附图说明
[0054]
图1为本发明煤矸石山自燃隐蔽高温热源预警监控治理体系逻辑图；
[0055]
图2为本发明防振型矿用灭火救援车示意图；
[0056]
图3为本发明防振型矿用灭火救援车设备舱示意图；
[0057]
图4为本发明磁化增压泡沫发生装置示意图；
[0058]
图5为本发明单向泥浆添加口示意图；
[0059]
图6为本发明多相阻化凝胶泡沫机理图；
[0060]
图7为本发明分级全阶段治理工艺图；
[0061]
图8为本发明煤炭自燃参数监测封堵器示意图。
具体实施方式
[0062]
图1为本发明煤矸石山自燃隐蔽高温热源预警监控治理体系逻辑图，治理体系由灾前持续预警、灾中分级治理和灾后实时监测三个模块组成。
[0063]
灾前持续预警模块包括搭载红外热成像仪和高清全景摄像机的无人机高空实时持续全面监测矸石山确定自燃隐蔽高温区域范围，在自燃隐蔽高温区域范围内钻孔测温测气确定具体阴燃高温点位置。
[0064]
阴燃高温点位置确定的具体流程为搭载红外热成像仪和高清全景摄像机的无人机同时段交替在矸石山上空实时持续全面监测，保证24h不间断，确定矸石山表面是否存在自燃隐蔽高温区域、以差定温阈值自动识别煤矸石自燃是否发生，圈定自燃隐蔽高温区域范围，并开启高分贝防爆声光报警器，将火区位置、温度、图像信息传递至中控平台和安全负责人员移动终端。
[0065]
圈定煤炭自燃隐蔽高温区域范围后，按照范围具体大小，沿同方向间隔1.0-4.0m钻孔测温测气，钻孔深度1.0-1.5m左右，减小自然环境作用对测量结果影响，同方向确定最危险点后，以此点为基点，垂直钻孔布置测温测气装置，根据不同位置温度、气体浓度梯度确定阴燃高温点位置。
[0066]
灾中分级治理模块包括灭火材质制备和分级全阶段治理工艺，采用防振型矿用灭火救援车内的磁化增压泡沫发生装置制备多相阻化凝胶泡沫治理矸石山自燃，应用黄土表面覆盖、矸石山分区钻孔、高压水旋转冲孔、注多相阻化凝胶泡沫灭火和煤炭自燃参数监测封堵器封孔的全阶段灭火工艺。
[0067]
灾后实时监测模块包括煤炭自燃参数监测封堵器实时传递钻孔内的温度、气体信息至中控平台，根据温度、气体的变化情况，确定煤矸石山自燃的治理效果，防止复燃发生。
[0068]
图2为本发明防振型矿用灭火救援车示意图，防振型矿用灭火救援车主要包括车
辆主体、可拆卸履带、高清摄像装置、温度传感器、报警装置、水幕灭火装置。
[0069]
车辆主体包括驾驶舱、设备舱和驱动装置。
[0070]
驾驶舱采用耐高温钢化玻璃，在硬件相接处加固密封装置，防止灭火过程中玻璃破碎致使烟气进入影响人员健康，同时在驾驶舱内放置便携式氧气瓶，保证人员呼吸。
[0071]
设备舱内安装泡沫制备装置，内设照明和监测设施，保证多相阻化凝胶泡沫安全稳定生产。
[0072]
驱动装置包括油电混合动力和前四后八轮胎；油电混合动力即由发动机柴油和电动机电能混合为车辆提供动力，达到减少油耗，增加爆发力和保护环境等作用；前四后八的轮胎形式为前轮两轴四轮，后轮两轴八轮，轮子的增加扩大了与地面的接触面积，减小了轮毂触及地面的局部压强，增加了车辆载重能力，保证了泡沫制备材料的充分携带，提高了车轮运行的安全性。
[0073]
可拆卸履带选择钢制结构，前轮单轮一履带，后轮四轮一履带，可以防止轮胎被突起矿石扎坏，履带的加强花纹提高了其与地面的附着力，使其适应矸石山的大角度斜坡和道路崎岖的恶劣地理环境。
[0074]
高清摄像装置布置在驾驶舱内部人员前方，车体四周中心位置，车体两侧前方，泡沫制备装置设备舱内部；驾驶舱内部工作人员前方安装的人员观测摄像机用于监测驾驶舱内工作人员的行为和状态；车体四周中心位置安装的环境监测摄像机用于监测车辆所处环境的状态；泡沫制备装置设备舱内部安装的设备监测摄像机用于监测泡沫制备装置运行情况，监测信息传递至消防中控平台；车体两侧前方安装防盲区摄像机，信息传输至驾驶室内显示屏上，防止车辆较大导致驾驶员出现观测盲区。
[0075]
车体四周间隔2.0m环绕布置温度传感器，传感器布置在车体中部位置，对车周围的环境温度进行探测；传感器根据阈值温度报警后，车辆顶部声光报警器启动，传递信息至中控平台，中控平台负责人或驾驶舱安全负责人打开车体左/右/后三侧顶部及前侧玻璃下部的间隔2.0-4.0m的环形多嘴水幕喷头，喷头喷水覆盖车辆，对车体进行降温并且对车周围环境灭火，达到保护车辆及车内人员目的，喷头与配水支管螺纹连接，尺寸型号可调节。
[0076]
图3为本发明防振型矿用灭火救援车设备舱示意图，防振型矿用灭火救援车设备舱包括永磁铁舱底板、锯齿螺旋泥浆混合装置、泡沫液多孔混合装置、磁化增压泡沫发生装置、注氮机、流量可调泵、水箱及泡沫制备原料存储箱(煤灰钠土混合颗粒、复合发泡剂、交联剂、稠化剂和阻化材料)，设备舱功能为制备多相阻化凝胶泡沫，治理煤矸石山自燃。
[0077]
多相阻化凝胶泡沫主要制备过程是高压水、煤灰钠土混合颗粒和阻化材料经锯齿螺旋泥浆混合装置充分混合后制成泥浆输入磁化增压泡沫发生装置；复合发泡剂、交联剂和稠化剂经泡沫液多孔混合装置混合后生成复合发泡液输入磁化增压泡沫发生装置；泥浆、复合发泡液和氮气在磁化增压泡沫发生装置内混合发泡，生成多相阻化凝胶泡沫。
[0078]
设备舱内底板材质为永磁铁，泡沫制备装置安装上以后，永磁铁与泡沫制备装置产生紧密的磁性连接，保证了在爬坡及行驶过程中设备的稳定性，防止因颠簸导致的设备倾斜等不安全状态，为多相阻化凝胶泡沫的制备提供保障。
[0079]
锯齿螺旋泥浆混合装置内置可旋转不锈钢光滑锯齿螺旋，可以将高压水、煤灰钠土混合颗粒和阻化材料螺旋搅拌，促使其充分混合，生成细腻泥浆。
[0080]
泡沫液多孔混合装置进口设置为中心混合口，泡沫原料(发泡剂、交联剂、稠化剂)
和高压水以圆环的形式注入，使其在中部充分混合，防止低含量泡沫原料下沉造成损耗，影响配比；装置内部采用圆弧拐角，降低局部损失且防止出现堆积死角；混合装置内置两个多孔板，板上均匀布置圆孔，使复合发泡剂、交联剂、稠化剂在孔板界面相互撞击，进而制备出融合程度更好的泡沫液。
[0081]
流量可调泵安装在泡沫制备原料存储箱与泡沫制备装置或不同泡沫制备装置之间，由驾驶舱控制，能够保证泡沫配比良好。
[0082]
图4为本发明磁化增压泡沫发生装置示意图，磁化增压泡沫发生装置包括发泡箱、涡轮增压器、磁力搅拌器、永磁旋扇、椭球面发泡网、单向泥浆添加口、泡沫灌注观测孔。
[0083]
发泡箱顶部设有单向泥浆添加口、用于添加泥浆，末端出口采用s型曲线渐缩设计，出口截面积减小时，泡沫流速增加，有助于向钻孔内的注入。
[0084]
单向泥浆添加口下部倾斜设置波浪缓冲口，防止泥浆下降时产生较大冲量，抑制混合效果。
[0085]
涡轮增压器内置涡轮与叶轮，泡沫液流惯性冲击涡轮增压器内部涡轮，通过中心连接件，涡轮带动同轴叶轮，向外部环境抽吸氮气，使其泵入发泡箱，增加吸气量，提高发泡效率。
[0086]
磁力搅拌器布置在发泡箱进液侧，通过磁场同性相斥、异性相吸的原理，带动发泡箱内部的永磁旋扇转动，进而搅动内部发泡原料，出现混合原料以中心空化的形式螺旋旋转现象，同时向泡沫灌注口输送制成的多相阻化凝胶泡沫，永磁旋扇转速可在0-3000rpm调节。
[0087]
发泡箱内部后端收口位置设置两个椭球面发泡网，从进口到出口，发泡网孔直径由2mm增加至4mm，提高了产泡效果。
[0088]
泡沫灌注观测孔置于磁化增压泡沫发生装置末端，由高透玻璃、摄影补光灯、高清摄像头和透明护罩组成，高透玻璃与发泡箱上壁相连，高透玻璃上方两侧放置摄影补光灯，外置透明护罩，高清摄像头设在透明护罩内上部，便于准确捕捉泡沫状态，确认发泡效果。
[0089]
图5为本发明单向泥浆添加口示意图，单向泥浆添加口设置在磁化增压泡沫发生装置顶部，由可拆卸外壳、旋转合页、折叠扇叶、固定挂环和压缩弹簧等组成，单向泥浆添加口通过螺纹与固定件连接在发泡箱上，用于向发泡箱内部添加泥浆。
[0090]
单向泥浆添加口的内部采用压缩弹簧结构来实现单向阀效果，在保证注料的同时，可有效防止内部泡沫溢出。
[0091]
螺纹、固定件的可拆卸设计提高装置的便捷性，同时有效防止泥浆堵塞，可对压缩弹簧进行更换，便于设备维护保养，要求弹簧弹力长度与扇叶总长度的比例为1/2-4/5。
[0092]
图6为本发明多相阻化凝胶泡沫机理图，凝聚了阻化材料、多相泡沫和凝胶的优越灭火性能，具有良好的保水性、扩散性、高位治理性、冷却性、隔氧性、封堵性及热稳定性，其组成成分包括煤灰钠土混合颗粒、复合发泡剂、交联剂、稠化剂和氢氧化镁、氢氧化铝、氯化钙等阻化材料。
[0093]
煤灰与钠土的比例为1.2-2.3，钠土的加入提升了煤灰颗粒的悬浮分散性，有效地增强了泡沫稳定性；复合发泡剂质量分数为4
‰‑5‰
，主要组成成分为十二烷基苯磺酸钠、脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠和十二烷基硫酸钠等，发泡剂的复合设计增加了发泡膨胀体积和稳定性；交联剂和稠化剂质量比为1:1混合，相互作用形成三维网状结构，提高泡沫黏度和
发泡膨胀体积；阻化材料包括氢氧化镁、氢氧化铝、氯化钙等，质量分数4％-6％，阻化材料的加入增强了泡沫的固水能力和耐热能力，同时阻化材料与含氧官能团羧基等活性基团反应生成稳定络合物。
[0094]
多相阻化凝胶泡沫具体作用过程和原理阐述如下。
[0095]
步骤1多相阻化凝胶泡沫在初期粘度较低，具有良好的流动扩散性，从钻孔开口注入后，能够快速的蔓延到煤矸石底部，包裹自燃区域的松散煤体，隔绝氧气。
[0096]
步骤2多相阻化凝胶泡沫注入后，体积迅速膨胀，在矸石山内部大量堆积，形成高位蔓延堆积趋势，避免灭火剂沿低阻力通道流失，造成自燃治理不彻底。
[0097]
步骤3多相阻化凝胶泡沫中密封的氮气随泡沫破灭而释放，稀释了氧气浓度，发挥窒息抑爆作用，氢氧化镁、氢氧化铝、氯化钙等阻化材料与羧基等活性基团反应，生成稳定络合物，堵塞孔隙，其优良的保水性、稳定性和耐热性，能够长时间抑制矸石山煤炭自燃。
[0098]
步骤4多相阻化凝胶泡沫内的大量水分受热蒸发，可快速吸收矸石山内部环境热量，从而有效降温，同时凝胶层覆盖煤体，起到优异的封堵作用。
[0099]
步骤5泡沫中的阻化材料、煤灰钠土混合颗粒、稠化剂、交联剂固结在一起，在煤体表面和内部孔隙通道内进一步形成膜状覆盖层，可有效封堵外部氧气进入煤体内部，阻止煤体发生深度氧化。
[0100]
图7为本发明分级全阶段治理工艺图，包括黄土表面覆盖、矸石山分区钻孔、高压水旋转冲孔、注多相阻化凝胶泡沫灭火和煤炭自燃参数监测封堵器封堵。
[0101]
采用1.0-1.2m的黄土充分覆盖矸石山表面，减少漏风，抑制火风压产生，根据矸石山堆积结构特点，水平划分三个危险等级区域，分区分类区段化治理。
[0102]
高压水力冲孔采用间断式旋转退钻的方法，在退钻的过程中，每隔不同的间距进行旋转冲孔，能够提升水力冲孔的效果，有效增大冲孔区域矸石山的孔隙率和渗透率，同时水进入矸石山的高温区域中能实现吸热降温的效果，也能增强后续泡沫注入之后的渗透效果，使泡沫的扩散范围有效增大，从而达到更好的灭火效果；水力冲孔装置提供的水压为5-6mpa，水流流量为120-160l/min。
[0103]
高压水力冲孔结束后，从钻孔开口注入多相阻化凝胶泡沫，治理矸石山自燃，随后采用煤炭自燃参数监测封堵器封孔。
[0104]
根据矸石山堆积规律和孔隙率特点，水平划分三个危险等级区域，依次为高危险区、中危险区、低危险区，采用不同钻孔间距和深度进行分区分类区段化治理。
[0105]
高危险区为矸石山边坡，由于堆积产生的粒度偏析现象，其孔隙率较大，有大量氧气通过火风压进入矸石山中，容易发生自燃，此处钻孔间距布置为1.0m，钻孔深度h与坡高h相关，表示为：
[0106][0107]
中危险区为靠近边坡平台段，由于边坡对空气的阻挡，漏风量相对较小，相比高危险区更不易自燃，此处钻孔间距布置为2.0m，钻孔深度为10.0m。
[0108]
低危险区为远离边坡平台段，由于边坡和近边坡平台段对漏风的阻碍，导致氧气浓度较低，难以自燃，此处钻孔间距为4.0m，钻孔深度为8.0m。
[0109]
随着危险区域等级的增加，钻孔间距减小，钻孔深度增加，高危险区域在治理中注入更多更深的泡沫，从而使泡沫在矸石山中扩散的面积更大，达到更好的降温封堵效果。
[0110]
在实际工程应用过程中，根据煤矸石山的实时工况，在高/中/低危险区钻孔间距和钻孔深度的设置可因地制宜，上下浮动50％以内。
[0111]
图8为本发明煤炭自燃参数监测封堵器示意图，包括封堵装置主体和可拆卸旋盖，封堵装置主体和可拆卸旋盖之间螺纹连接，保证旋盖能够灵活拆卸，旋盖上方旋柄使旋盖拆卸更加方便，可灵活拆卸的旋盖便于在钻孔中注入各种物质，并且在物质注入之后能够继续起到封堵作用。
[0112]
旋盖下方配备有钻孔高温传感器，能够在注入泡沫之后实时监测钻孔中的温度，确定矸石山隐蔽高温区域治理效果，钻孔高温传感器测温范围为-50-700℃；传感器外侧由高导热防粘金属材料护罩保护，防止粉尘和泡沫附着于传感器热敏元件表面，降低测量灵敏度，从而影响监测效果，钻孔高温传感器和护罩可以多次利用，节约能源。
[0113]
钻孔高温传感器呈自上而下线性排布，每两个传感器之间的距离为0.5m，其向下延伸的长度为钻孔深度的70％-80％，保证测量钻孔不同深度的温度，从而提升监测的准确性。
[0114]
旋盖下对称布置气体传感器，动态监控co/ch4/co2等煤阴燃过程释放的灾源性气体，气体传感器外置自动启闭护罩，护罩底部设置高精度压力传感器，当压力传感器数值不随时间变化时，说明泡沫不再向上堆积，此时自动启闭护罩开启，气体传感器吸气探测。
[0115]
封堵装置主体能够紧贴钻孔壁的土层嵌入钻孔表面，同时上方的扩大化圆盘能够增大与地面的接触面积，防止封堵装置主体陷入土层中，同时扩大化圆盘上的防滑凹槽能够防止作业人员在作业时因踩到封堵装置而滑倒，封堵装置主体的圆孔直径为105mm，扩大化圆盘的半径为300mm，防滑凹槽的深度为5mm。

技术特征：
1.煤矸石山自燃隐蔽高温热源预警监控治理体系，其特征在于，由灾前持续预警、灾中分级治理和灾后实时监测三个模块组成；灾前持续预警模块包括搭载红外热成像仪和高清全景摄像机的无人机全方位监测煤矸石山自燃隐蔽高温区域范围，钻孔测温测气确定阴燃高温点具体位置；灾中分级治理模块包括灭火材质制备和分级全阶段治理工艺，防振型矿用灭火救援车内的磁化增压泡沫发生装置制备多相阻化凝胶泡沫，水平划分不同危险等级区域，分区分类区段化治理；灾后实时监测模块包括煤炭自燃参数监测封堵器实时反馈钻孔内温度、气体信息至中控平台，判断煤矸石山隐蔽高温点治理效果。2.根据权利要求1所述防振型矿用灭火救援车，其特征在于，包括驾驶舱、泡沫制备装置设备舱和驱动装置，轮胎外安装可拆卸履带，驾驶舱内部、车体四周中心、两侧前方、泡沫制备装置设备舱内部安装高清全景摄像机，监控驾驶舱内人员行为、设备稳定状态和环境安全等级；车体四周环绕布置温度传感器，顶部设置声光报警器；车体左/右/后三侧顶部及前侧玻璃下部安装多嘴水幕喷头。3.根据权利要求2所述泡沫制备装置设备舱，其特征在于，包括永磁铁舱底板、锯齿螺旋泥浆混合装置、泡沫液多孔混合装置、磁化增压泡沫发生装置、流量可调泵等，永磁铁舱底板将装置固紧在车上，锯齿螺旋泥浆混合装置采用光滑锯齿螺旋结构，泡沫液多孔混合装置内部安装两个多孔板。4.根据权利要求3所述磁化增压泡沫发生装置，其特征在于，包括发泡箱、涡轮增压器、磁力搅拌器、永磁旋扇、椭球面发泡网、单向泥浆添加口、泡沫灌注观测孔；高速发泡液推动涡轮增压器旋转，动力抽吸氮气；磁力搅拌器带动永磁旋扇转动，促使发泡箱内原料旋转混合，并向灌注口输送制成的泡沫。5.根据权利要求4所述单向泥浆添加口，其特征在于，单向泥浆添加口设置在发泡箱顶部，由可拆卸外壳、旋转合页、折叠扇叶、固定挂环和压缩弹簧等组成，泥浆重力超过压缩弹簧弹力即可实现泥浆单向注入。6.根据权利要求4所述泡沫灌注观测孔，其特征在于，泡沫灌注观测孔置于磁化增压泡沫发生装置末端，由高透玻璃、摄影补光灯、高清摄像头和透明护罩组成，高透玻璃与发泡箱上壁相连，高透玻璃上方对称放置摄影补光灯，外置透明护罩，高清摄像头设在透明护罩内上部。7.根据权利要求1所述多相阻化凝胶泡沫，其特征在于，由煤灰钠土混合颗粒、复合发泡剂、交联剂、稠化剂和氢氧化镁、氢氧化铝、氯化钙等阻化材料组成，具有隔氧、窒息、封堵、冷却、抑制链式化学反应的综合煤自燃治理能力。8.根据权利要求1所述分级全阶段治理工艺，其特征在于，包括黄土表面覆盖、矸石山钻孔、高压水旋转冲孔、注多相阻化凝胶泡沫灭火和煤炭自燃参数监测封堵器封孔的全阶段灭火流程和根据矸石山堆积结构特点，水平划分三个危险等级区域，采用不同钻孔间距和深度进行煤矸石山自燃分区分类区段化治理。9.根据权利要求1所述煤炭自燃参数监测封堵器，其特征在于，由螺纹连接的装置主体和旋盖组成，旋盖下方纵向间隔0.5m配备钻孔高温传感器，传感器外部由高导热防粘金属隔离罩保护；旋盖下布置气体传感器，动态监控co/ch4/co2等煤阴燃过程释放的灾源性气
体；外置自动启闭护罩，护罩启闭功能由底部高精度压力传感器变化率决定，变化率为0时，自动启闭护罩开启，气体传感器吸气探测。

技术总结
本发明公开了煤矸石山自燃隐蔽高温热源预警监控治理体系，包括灾前持续预警、灾中分级治理和灾后实时监测三个模块。搭载红外热成像仪和摄像机的无人机实时监测煤矸石山自燃隐蔽高温区域，钻孔测温测气圈定阴燃高温点位置。利用防振型矿用灭火救援车内磁化增压泡沫发生装置制备多相阻化凝胶泡沫。磁化增压泡沫发生装置通过涡轮动力抽吸氮气，磁力搅拌促使原料旋转混合和向灌注口动力输送。应用黄土覆盖、矸石山钻孔、高压水冲孔、多相阻化凝胶泡沫灭火，煤炭自燃参数监测封堵器封孔的全阶段灭火工艺。煤矸石山水平划分三个危险等级区域，采用不同钻孔间距和深度进行分区分类区段化治理，保证煤自燃的阻化效果、复燃抑制效能和灾后监控延续性。灾后监控延续性。灾后监控延续性。


技术研发人员：陆新晓 史国钰 肖锦翔 王烁 陈一鸣 郭宇航 刘东奇 刘金娉 张慧 李亚彪
受保护的技术使用者：中国矿业大学（北京）
技术研发日：2023.02.22
技术公布日：2023/6/27