一种基于系统测温的自燃矸石山火情特征诊治方法与流程

本发明涉及一种基于系统测温的自燃矸石山火情特征诊治方法，属于矸石山治理领域，是将矸石山治理的各环节作为一个整体而系统治理的技术方法。

背景技术：

煤矸石是采煤活动中产生和排放的固体废弃物，其化学成分复杂，包含的元素多达数十种，是矿山的主要污染来源之一。大量煤矸石露天堆积，矸石山自燃成为极为普遍的现象，不仅浪费了资源，而且在燃烧过程中排放的有毒有害气体严重污染大气环境，危害矿区人民的身体健康。因此，矸石山的灭火防复燃成为矸石山治理的第一要务。但是，在矸石山治理的实践中，灭火措施经常不加区别地采用相同的几种方式，由于矸石山的类型不同，没有具体情况具体对待的灭火方式并未能彻底灭火，矸石山复燃的情况还时有发生。

矸石山的自燃经历潜伏自热、加速氧化升温和稳定燃烧3个阶段，由此反映的状态有矸石山内部温度和气态成分的变化。气态成分变化是由温度上升引起的，且测试气态成分的条件比较苛刻，不适宜推行。

通过对现有技术的检索发现，中国专利CN104155330A公开了一种自燃煤矸石山着火点的确定方法，该方法将矸石山表面测温法与矸石山内部的米测温法结合，以快速的表面测温找出矸石山异常温度点，依据异常点布局内部的米测温面，比较米测温面与表面温度场温度梯度的变化趋势，以十字交叉法在三维尺度上用优选法移动坐标原点直至递增指向或接近燃烧核心点(即着火点)。

现有的方法存在以下不足：

(1)表面的异常温度点并不能很好地指示矸石山内部的高温区，因为大量矸石山都经历过用土掩埋的粗暴治理，导致内部火苗向别处扩散，表面的高温点与内部的高温区域并不能一一对应；

(2)单单确定着火点对后期施工的指导意义并不大，已经开始着火的区域并不是风险最高的区域，已经开始着火的区域燃烧结束后基本没有风险，而即将着火的区域才是亟需处理的区域。

(3)十字测温法与品字测温法相比，对相同面积的矸石山进行测温，十字法测温法需要布设更多点，无论从打孔还是测温方面来讲都加大了工作量，费时费力。

(4)热红外测温过程中通过在矸石山表面设立标志点来确定红外成像中像幅标志点的坐标信息，温度信息与坐标信息的对应过程存在较大误差。

技术实现要素：

本发明解决的技术问题是：克服当前依据表面异常温度点布局内部米测温面与实际结果误差较大、仅仅确定矸石山着火点而忽略其他潜在危险区域的问题，提出一种逐步逼近、深度梯度系统测温的方法，构建矸石山的温度场分布图，以期将测温结果应用于矸石山治理各环节，始终考虑各环节之间的联系，将其作为一个整体进行治理。

本发明的技术解决方案是：一种基于系统测温的自燃矸石山火情特征诊治方法，包括如下步骤：

(1)对矸石山进行初次全面普查测温规划，确定矸石山燃点温度区间，根据目标矸石山的形状和大小以第一间距划分一次横纵测温线，其交叉点为一次测温点，对所述一次测温点进行第一次测温，得到各一次测温点处的温度数据；

(2)根据步骤(1)中得到的一次测温数据，并结合矸石山第一燃点温度进行第一次分区，划分矸石山重点测温区域和非重点测温区域，划分原则为：温度＜第一燃点温度，为非重点测温区域；温度≥第一燃点温度，为重点测温区域；所述第一燃点温度为矸石山燃点温度区间中最低的燃点温度；

(3)在步骤(2)第一次温度分区的基础上，对重点测温区域以第二间距划分二次横纵测温线，其交叉点为二次测温点，对所述二次测温点进行第二次测温，得到各二次测温点处的温度数据，所述第二间距小于第一间距；

(4)根据步骤(3)得到的二次测温数据，结合燃点温度区间中除第一燃点温度以外的其他燃点温度，对重点测温区域进一步进行第二次分区，划分危险区和若干高温区，划分原则为：温度≥第二燃点温度，为危险区，温度＜第二燃点温度，为高温区；所述第二燃点温度为矸石山燃点温度区间中最高的燃点温度；

(5)根据所述第二次分区，得到矸石山火情区域特征，对不同的区域采取不同的治理措施。

所述第二次测温后还对危险区以第三间距划分三次横纵测温线，其交叉点为三次测温点，对所述三次测温点进行第三次测温，得到各三次测温点处的温度数据，得到矸石山危险区的火情特征；所述第三间距小于第二间距。

所述第三间距为1.25～2.5m。

所述第一间距为5～10m，第二间距为2.5～5m。

所述测温采用“品字形”在平台及坡面划分横纵测温线，在测温点处打孔测温；所述打孔测温采用深度梯度系统测温方法，即对某个测温点测量不同深度处的温度，得到该点处的深度梯度温度值。

所述第一次测温的深度为1米和2米，第二次测温深度为3米。

所述步骤(1)中燃点温度区间为[80℃，280℃]。

所述步骤(4)中对重点测温区域进行第二次分区是将重点测温区域进一步划分为3个区域：80℃≤温度＜90℃，为临界区；90℃≤温度＜280℃，为蓄热区；温度≥280℃，为发火区。

所述步骤(5)中不同区域的治理措施如下：对临界区采用喷射注浆法方法防止热量继续扩散；对蓄热区采用隔绝氧气方法打乱其蓄热结构；对发火区采用深孔注浆方法进行降温灭火。

进行所述测温时，采用RTK定位和WRNK式铠装热电偶，测温过程按照“打孔——热电偶插入孔中——等待7～10分钟——测温——记录”的顺序依次进行。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)对矸石山的火情特征进行了诊断，做出明确的温度分区，并未停留在仅仅确定着火点的目标之上。基于热量聚散梯度原理，通过逐步逼近、深度、梯度系统测温技术，全面掌握矸石山火情；按照矸石山内部不同温度区间对其火情分布规律进行科学分类，从而指导后期针对不同火情采用相应的灭火工艺；

(2)通过1米深度全面普查测温确定矸石山内部高温区，比现有技术依据表面的异常温度点指示矸石山内部高温区更为精准，避免了因内部火苗向别处扩散而导致的定位不准的缺陷；

(3)本发明按“品字形”测温点布设法在1米深度布设全面覆盖的测温网，“品字形”测温比“十字形”测温更大限度地节省了工作量，可以省时省力地确定矸石山内部高温区；

(4)将RTK定位技术与热电偶测温有机结合，可实时获取空间信息与温度信息。不同于热红外测温过程中通过在矸石山表面设立标志点来确定红外成像中像幅标志点的坐标信息，RTK定位技术与热电偶测温相结合既极大地提高了作业效率，又尽最大可能地降低了温度信息与空间信息一一对应过程中产生的误差。

附图说明

图1为本发明方法中矸石山表面测温线分布图，测温间距为5～10米，图中以10米为例。

图2为本发明方法中“品字形”测温孔分布示意图。

图3为本发明方法中初次全面普查测温网布置示意图，测温间距为5～10米，图中以10米为例。

图4为本发明方法中垂直打孔方向示意图。

图5为本发明方法中第一次加密测温网布置示意图，测温间距为2.5～5米，图中以5米为例。

图6为本发明方法中第二次加密测温网布置示意图，测温间距为1～2.5米，图中以2.5米为例。

具体实施方式

通常情况下矸石山中FeS的水解蓄热临界温度一般在80～90℃之间，煤矸石中碳的起燃温度一般在280～300℃。中间区域为蓄热加剧阶段。而且，矸石山的自燃经历潜伏自热、加速氧化升温和稳定燃烧3个阶段。因此，依据温度将矸石山划分为4个分区：防控区、临界区、蓄热区、发火区，各个温度分区的起始温度采用温度就低原则，即采用诸多标准中的最低温度划分，可保证工程质量。本发明提供了一种基于系统测温的自燃矸石山火情特征诊治方法，所述方法包括以下步骤：

(1)初次全面普查测温(测温线分布如图1所示)：采用“品字形”测温法(如图2所示)，平台及坡面每隔5～10米打孔测温，打孔深度为2米。测温仪器使用热电偶，测温阶梯深度为1米、2米。坡面勘测要求每次测温打孔垂直于坡面(如图4所示)，保证测温深度。

测温仪器采用WRNK式铠装热电偶，使用前对仪器进行完好性检查，开水测温监测仪器的灵敏度与精度。热电偶的测温范围是0℃-1100℃，其测温精度为±1℃。测温过程按照“打孔——热电偶插入孔中——等待7～10分钟——测温——记录”的顺序依次进行。

测温打孔方法：测温打孔方法依据地形条件1米、2米测温主要由人工打孔；大于3米深度的测温主要由空压机和气动潜孔钻组或专业打孔机械进行施工。

具体地，对矸石山进行初次全面普查测温规划。从横纵测温线的交叉点中间隔选取测温点，综合利用RTK定位技术及热电偶测温，获取测温点的温度，准确记录以供后期整理分析。如图3所示，以5～10米为间距选取测温点，“品字形”测温比“十字形”测温更大限度地节省了工作量，之后再在高温区进行加密测温，这种疏密结合的测温方法既可以全方位不遗不漏地进行测温，又保证测温工作的最大效率。

(2)测温结束后进行资料初步汇总，根据测温数据以由点及面的方法，进行温度分区，在地形图上标注防控区(<80℃区域)与高温区(≥80℃区域)，然后对高温区进一步测温。

(3)高温区二次测温(如图5所示)：在一次测温的基础上围绕≥80℃的高温区进行二次测温，打孔深度为3米，同样采用“品字形”测温法，每隔2.5～5米打孔测温，测温深度为3米。

(4)测温结束后资料二次汇总：结合一次测温、二次测温在地形图上绘制2米、3米温度分布图，确定发火区(T≥280℃区域)、蓄热区(90℃≤T＜280℃区域)及临界区(80℃≤T＜90℃区域)范围。

(5)进一步，优选地，可进行第三次测温(如图6所示)：在二次测温的基础上对发火区进行多深度阶梯测温，打孔深度为4米、5米及6米，同样采用“品字形”测温法，测温深度分别为4米、5米及6米(部分高温区)，测温间距1～2.5米，确定燃烧深度及范围。

具体地，如图4所示，以图2中测出的A1-A7点为例，假设测得A3点温度≥80℃，以A3点为中心，在其四周加密布设测温线，以5m为间距选取其周围点为进一步测温点，新的测温点所围区域为高温区，记录统计高温区内各点温度，并对测点温度进行进一步分析。

进一步，如图6所示，以图4中测出的B1-B8点为例，假设测得B6点温度≥280℃，以B6点为中心，在其四周加密布设测温线，以2.5m为间距选取其周围点为进一步测温点，新的测温点所围区域为发火区，记录统计发火区内各点温度。

(6)勘测结论分析：对测温数据进行全面分析总结，根据测温数据绘制温度分布图，标注防控区、临界区、蓄热区及发火区区域范围，根据温度分布范围及深度，确定灭火的体积。

具体地，对测温数据进行全面分析总结，根据发火区、蓄热区及防控区的范围及深度，绘制温度分布平面图及高温区剖面示意图，确定着火点的深度及平均灭火深度，从而确定灭火体积。

(7)基于系统测温诊断自燃矸石山的火情特征，依据火情特征确定的温度分区指导后期的灭火施工过程。对防控区加强监测，确保安全，对高温区采取自下而上、由外围区向核心区(低温区向高温区)逐步逼近的方法进行灭火施工。其中，对临界区采用喷射注浆法等工艺防止热量继续扩散；对蓄热区采用隔绝氧气等方式打乱其蓄热结构；对发火区采用深孔注浆等工艺进行降温灭火。处于加速氧化升温阶段的蓄热区和处于剧烈燃烧阶段的发火区是灭火施工的重点区域，通过因地制宜地采取施工措施，实现彻底灭火，消除复燃因素。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。