熄灭煤矿火灾的方法以及用于实施该方法的装备制造方法
【专利摘要】熄灭煤矿坑中火灾的方法，由以下各项组成：-在水存在下使至少一种高吸水性(共)聚合物部分地或完全地溶胀，-然后将得到的至少部分地或完全地溶胀的一种或多种高吸水性(共)聚合物直接地注入到该矿中。用于实施该方法的装备。
【专利说明】熄灭煤矿火灾的方法以及用于实施该方法的装备
[0001]煤矿经常具有安全性问题。一些未开发的矿已经燃烧了几个世纪。然而，自从开发煤炭用于生产钢或能量以来火灾数量显著地增加。
[0002]这些火灾通常是由事故或设备(牵引车、传送带、焊接物，等等)过热引发的，并且一旦开始的话，火灾可以通过坑道中存在的气体，尤其是甲烷和氢气进行蔓延。
[0003]在其他情况下，地表火灾蔓延到地下，尤其是在并不是非常深的矿中(闪电、森林火灾、垃圾焚烧)。
[0004]然而，在某些情况下，观察到了通过逐渐氧化以及热量累积造成的自燃(例如在坑口堆中，在煤被燃料油污染的情况下，或者在有机物质存在下，例如以木-炭混合物的形式)。在黄铁矿存在下情况尤其如此，当暴露于大气中时，这些黄铁矿倾向于加速这种现象。
[0005]这些煤火灾也经常在地表:细屑或料仓堆，尤其是在具有高硫含量的煤存在下。
[0006]中国是此类火灾的主要地区(在新疆维吾尔自治区和宁夏回族自治区)。这些火灾每年消耗约2亿吨煤。例如，硫磺沟火灾已经燃烧了 20年并且在使用现有灭火手段下还将再燃烧40年，使有毒气体(CO、H2S, CO2、等等)污染乌鲁木齐市。
[0007]这些火灾引起了放顶以及裂隙，它们将氧气送入这些坑中。温度可以超过800°C。所采取的行动具体地包括注入泥和土来密封这些裂隙。然而，后者在宽阔的区域上蔓延并且它们在经常是非常热的并且难以接近的地面上不断地改变。
[0008]第二个最受影响的国家是美国并且尤其是宾夕法尼亚州大煤矿，在那里火灾始于约1772年。最大的火灾始于1869年(埃文代尔(Avondale)，在那里矿火在一年之后在夺去了 110人生命之后自发地熄灭了)。目前美国存在140个大型煤矿火灾。
[0009]常规的灭火方法包括注入泥来封闭空气入口以及裂隙，亦或通过砖墙、水泥墙或粘土墙来关闭坑道。然而，近来最常使用的技术包括直接地注入具有惰性气体(N2 - CO2)或氮气的高密度化学泡沫。在某些区域中，整个城镇被迁移，并且道路被转向(例如在森特勒利亚市)。
[0010]第三个国家是印度，在那里火灾始于19世纪。切里亚(Jharia)矿是世界上最大的矿火，它始于1916年。目前，在这个非常巨大的煤田中存在70个火灾，而该煤田仍然在运行中(焦煤)。
[0011]煤矿井坑(并且有时露天矿)中的火灾问题远没有解决。
[0012]事实上，注入水是非常无效的，因为当蒸发了很小程度时它滴流并且渗透。这并没有为正在燃烧的煤提供足够的冷却。
[0013]该矿底部的水也可以蒸发并且由于压力引起爆炸。
[0014]裂隙的填充是随机的。事实上，在非常广大的区域上，存在着众多的裂隙，它们有时是不可见的。在这些燃烧区上发送运载土的卡车以及机械挖土机也是危险的，这些燃烧区有时候会在地面上发射数米高的火焰。
[0015]装载惰性气体的高密度泡沫具有较高的休止角并且，当注入时，可以封闭水平坑道，从而降低了氧气的水平传送。
[0016]然而,这种泡沫并不具有灭火作用，因为它并不包含用于冷却这些壁的足够的水。这种泡沫实际上在较低温度(50至80°C )下消失。
[0017]在注入泥的情况下，例如膨润土泥，该泥具有类似水流动并且在坑的底部分离的倾向。此外，它们的非常小的休止角不允许将这些水平坑道密封。
[0018]在澳大利亚使用与铝复合物(特别是柠檬酸盐)混合的一种聚合物(聚丙烯酰胺、羧甲基纤维素、丙烯酰胺-黄原胶丙烯酸酯共聚物)溶液进行了多项测试(使用新型火灾抑制剂注射液来控制地下加热-概念验证研究-胡圣根，薛胜-SCIRO项目(14021,2009 年 2 月)(Controlling underground heating using Innovative Firesuppressant Inject1n-Proof of concept study - Shenggen Hu, Sheng Xue - SCIROproject (14021，Feb2009))。该混合物在交联剂存在下以液体形式注入。换言之，在注入之后，该混合物交联导致在一定时间之后形成了一种凝胶。这种液体最初不具有休止角并且仅涂覆了该坑道的底部，除非将它存储在两个壁之间，而这是难以实现的。此外，由在高温下在火附近将交联剂与聚合物临时混合组成的化学操作始终是危险的。
[0019]特别是在中国，多种聚合物已经被用作粘合剂以及保水剂用于生产包含硅石、高岭土、膨润土、飞灰、多种泥等的凝胶或矿物糊料，它们用于密封正在起火的煤矿中的空气入口。
[0020]我们提及了:
[0021]1-用于防止并且熄灭火灾的凝胶阻滞剂-其用于煤层自燃的应用(Gelretarder for fire prevent1n and extinguishing -1ts applicat1n for spontaneouscombust1n of coal seams)
[0022]文虎(Wen,Hu);许静彩(Xu, Jingcai);戴爱萍(Dai，Aiping)
[0023]会议记录-国际匹兹堡煤炭年会(AnnualInternat1nal Pittsburgh CoalConference) (1998)，第 15 届，第 593-597 页，期刊代码:PICNE4 ;ISSN: 1075-7961
[0024]2 -用于处理煤层火灾的增稠胶体(Thickening colloid for treating coalseam fire)
[0025]朱洪庆(Zhu,Hongqing)；索红利(Suo，Hongli)；张腾(Zhang, Teng)；刘敏(Liu, Min)；马林(Ma, Lin)；王义(Wang, Yi);袁会平(Yuan, Huiping);郭爱东(Guo, Aidong);赵峰(Zhao, Feng);刘德峰(Liu, Defeng);张新雅(Zhang, Xinya)
[0026]发明专利申请，6页期刊代码:CNXXEV
[0027]3-在煤层中使用耐热的富含水的凝胶来熄灭自然(Extinguishing spontaneouscombust1n in coal seam with heat-resistant, rich-water gel)
[0028]许精彩(Xu,Jingcai);邓军(Deng, Jun);文虎(Wen, Hu);郭兴明(Xingming);张星海(Zhang, Xinghai)
[0029]矿业科学技术’ 99，矿业科学技术国际讨论会会议记录，中国北京，1999年8月29-31 日，(1999)，137-140 页，作者:谢和平(Xie, Heping) ；Golosinki, Tad S
[0030]出版商:A.A.Balkema,荷兰鹿特丹市期刊代码:69BDV4
[0031]4 -用于防止高冒区自燃的无机发泡凝胶(An inorganic foaming gel forpreventing spontaneous combust1n in a top-coal falling reg1n)于水军(Yu, Shu1-jun);于明高(Yu, Ming-gao);风城(Feng-cheng);潘荣坤(Pan, Rong-kun);卢来祥(Lu, La1-xiang);常旭华(Chang, Xu-hua)中国矿业大学学报(2010)，39 (2)，173-177，期刊代码=ZKDXER
[0032]5 -用于煤层防火以及灭火的复合凝胶材料的生产(Product1n of a compositegel material for the fireproofing and fire-extinguishing of coal seams)
[0033]索红丽(Suo,Hongl i);朱洪庆(Zhu, Hongqing);郭爱东(Guo Aidong);张腾(Zhang, Teng);袁慧萍(Yuan, Huiping);吴子平(ffu, Ziping);彦斌杰(Yan, Binjie)
[0034]发明专利申请，5页期刊代码:CNXXEV
[0035]6-作为阻断剂用于煤层中火灾控制的丙烯酰胺型共聚物(Acrylamide-typecopolymer as blocking agent for fire control in coal seams)
[0036]曹大成(Cao,Dacheng);文虎(Wen, Hu);张新海(Zhang, Xinhai);李博(Li, Bo)；王金刚(Wang, Jingang);刘庆宁(Liu, Qingning);刘桂成(Liu, Guicheng)
[0037]发明专利申请公开说明书，5页期刊代码:CNXXEV
[0038]7 -用于全机械化开采工作面中煤炭自燃的凝胶灭火技术(The technique offire extinguishing with gel for coal spontaneous combust1n in fully mechanizedcaving face)
[0039]文虎(Wen,Hu);许精彩(Xu, Jingcai);邓军(Deng, Jun);张新海(Zhang, Xinhai)
[0040]采矿科学与安全技术会议记录【国际讨论会】，中国焦作，2002 (2002)，448-452，作者:张传祥(Zhang, Chuanxiang);景国励(Jing, Guoxun);周英(Zhou, Ying)出版商:科学出版社，中国北京，期刊代码:69DDL4 ；ISBN:7-03-010255-X
[0041]在所有这些情况下，正是或多或少地被该热量脱水的无机部分用来密封氧气通道从而将火灾熄灭。然而，这些方法对于小型火灾是有效的但是对于具有地面下沉的大型火灾是无效。
[0042]在熄灭煤矿火灾方面仅得到非常有限的成绩，并且鉴于成本以及微小的成功机会经常决定放弃这些区域并且任由火灾蔓延数十年。
[0043]因此本发明的目的是开发一种熄灭煤矿火灾的方法，该方法结合有以下特征:
[0044]-有限的成本，
[0045]-应用大量的水，
[0046]-注入流体的休止角使它有可能阻塞水平坑道，
[0047]-将注入流体存储在中间水平区域中用于冷却这些壁，
[0048]-填充具有甚至大尺寸的空腔，
[0049]-随着该矿内或表面上形状发生改变使这些注入的流体移动。
[0050]本 申请人:已经开发了一种方法用来通过使用在水中具有高溶胀度的高吸水性(共)聚合物or SAP来解决所有这些问题。按其定义，这些聚合物是交联的。相对于现有技术，根据本发明的聚合物以部分地或完全地溶胀的高吸水剂的形式注入。存在多种类型的天然的或合成的水溶性的聚合物，它们是交联的，或它们是可交联的:聚乙烯醇、瓜耳胶、藻酸盐、羧甲基纤维素、葡聚糖、黄原胶、聚(氧化乙烯)，等等。
[0051]这些高吸水剂是在专业化学中熟知的聚合物。它们总体上是处于粉末的形式。它们的结构(该结构基于可以连接到多个小空腔上的三维网络，这些小空腔的每一个都具有变形并且吸收水的能力)赋予了它们吸收非常大量水并且因此溶胀的能力。此类聚合物被描述在例如专利FR2 559 158中，该专利描述了丙烯酸或甲基丙烯酸的交联聚合物类，多糖/丙烯酸或甲基丙烯酸类型的交联的接枝共聚物类，丙烯酸或甲基丙烯酸/丙烯酰胺/磺化的丙烯酰胺类型交联的三聚物类，以及他们的碱土金属或碱金属的盐类。
[0052]如已经提及的，这些聚合物的主要特征是在水性介质中强溶胀的能力。它们可以吸收并且存储高达其质量100倍或更多的大量的水。它们被特别地用于农业中用于土壤中水分保持，用于目的是包含尿液的婴儿卫生产品中以及类似应用中。
[0053]因此本发明涉及一种熄灭煤矿坑中火灾的方法，由以下各项组成:
[0054]-在水存在下使至少一种高吸水性(共)聚合物部分地或完全地溶胀，
[0055]-然后将得到的至少该溶胀的一种或多种高吸水性(共)聚合物直接地注入到该矿中。
[0056]有利的是，这些聚合物是选自下组，包括:
[0057]-通过丙烯酰胺与部分地或完全地盐化的丙烯酸，优选地处于钠盐形式，进行聚合反应而得到的交联共聚物类，
[0058]-部分地或完全地盐化的，优选处于一种钠盐形式的交联聚丙烯酸类，它们对于水的盐度并且特别是对Ca2+和Mg2+是更敏感的。
[0059]在一个优选的实施方案中，这些聚合物是丙烯酰胺与部分地或完全地盐化的丙烯酸的交联共聚物并且包括在40moI %至90moI %之间的丙烯酰胺以及在1moI %至60moI %之间的部分地或完全地盐化的丙烯酸。
[0060]在一个具体实施方案中，SAP是一种通过丙烯酰胺和/或部分地或完全地盐化的丙烯酸和/或部分地或完全地盐化的ATBS (丙烯酰氨基叔丁基磺酸酯)和/或NVP (N乙烯吡咯烷酮)进行聚合反应而得到的一种交联的三聚物。
[0061]其他亲水性单体，但是还有具有疏水性特征的单体可以用于生产这些聚合物。
[0062]该SAP是部分地或完全地溶胀的。一种完全地溶胀的SAP特征在于该三维网络的所有小空腔都用水填充到饱和，即，在这样一个水平下使得当添加更多的水时，该SAP不会吸收任何另外的水。
[0063]这些聚合物用100至6000ppm的选自下组的至少一种交联剂进行交联，该组包括丙烯酸化合物类，例如亚甲基双丙烯酰胺、烯丙基化合物类，例如四烯丙基氯化铵、乙烯基化合物类，例如二乙烯基苯、二环氧，金属盐类，等等。
[0064]这些聚合物在地面上具有数年的稳定性。
[0065]这可以通过用一种丙烯酸交联剂(优选地以100至100ppm的比率)以及一种烯丙基交联剂(优选地以1000至5000ppm的比率)，例如MBA (亚甲基双丙烯酰胺)以及四烯丙基氯化铵进行双重交联来改善，这将SPA的稳定性延长到大于5年。
[0066]在蒸馏水中这些SPA的溶胀总体上达到150至200倍，但是在一种标准的饮用水中，为约100倍，并且对于非常咸的盐水而言则更小。
[0067]因此，需要1kg的聚合物以及990kg的水来制造一吨的“固体水”用于溶胀100倍。
[0068]这些聚丙烯酰胺具有生产溶胀的SAP的能力，与聚丙烯酸酯相比较这些溶胀的SAP更硬并且对于二价金属更不敏感。
[0069]有利的是，用于溶胀该聚合物的水具有最低可能的盐度，从而对于一个给定的数量得到SAP的最大溶胀。该水优选地包括小于200g/l，非常优选地小于100g/l的盐，例如NaCl、CaCl2、MgCl2。为此目的，它可以通过反渗透进行处理。
[0070]当这些SAP溶胀时，这些SAP的休止角作为SAP初始粒度测量值的一个函数而发生改变。在粒度测量值小于Imm(小于约5_溶胀)下，该休止角具有10°的数量级。在粒度测量值小于4_(小于约1.5cm溶胀)下，该角度可以达到15-20°。因此，有可能通过简单地注入来封闭这些坑道。
[0071]与正在起火的墙接触时，存储的水蒸发并且该聚合物被燃烧。然而，对于Ig的聚合物而言，蒸发了 10g的水，或者吸收了 226kJ的能量，必须将这个热量加入其中以使产生的蒸汽的温度升高到400°C -600°C。例如，在10001/分钟的流速下，与I升汽油的36MJ的燃烧热相比较，有可能移除4000MJ/分钟。
[0072]因此这种溶胀的高吸水剂具有类似刚性泡沫的机械作用以及类似水的热作用两者，该水形成了 1.7m3蒸汽/升蒸发的水，并且其蒸汽在1600° C之前不会爆炸性地分解成分子氧以及氢分子。此外，它可以作为地面移动的一个函数而变形，从而保持它们的密封功倉泛。
[0073]还有可能向水和/或连同溶胀的SAP —起中加入用添加剂改进了这种水的灭火能力的化合物。它可以是磷酸铵、碳酸氢钾、脲等等。然而，溶于水中的盐降低了这种溶胀。因此，脲是优选的。
[0074]还根据本发明，该溶胀的SAP是在远离火的区域中制备的，由此避免了邻近火焰的任何危险操作。然后将该溶胀的SAP运输并且然后在压力下通过油罐车或通过管道注入。
[0075]该部分地或完全溶胀的SAP可以连续地或间断地形成。
[0076]在实践中，该部分地或完全地溶胀的SAP注入在坑口处，在垂直的或垂直的水平井孔中或在表面裂隙中。
[0077]本发明还涉及使用上述方法的一种装备并且该装备包括:
[0078]-一种存储该高吸水性(共)聚合物的装置，
[0079]-一种计量该高吸水性(共)聚合物的装置，
[0080]-一种计量水的装置，
[0081]-一种混合该水和该高吸水性(共)聚合物的装置，
[0082]-一种泵送得到的该部分地或完全地溶胀的高吸水性(共)聚合物的装置，
[0083]-一种将该得到的部分地或完全地溶胀的高吸水性(共)聚合物注入到该矿中的
>J-U ρ?α装直。
[0084]有利的是，混合该水和该高吸水性(共)聚合物的装置是处于两个连续罐的形式，从而允许连续地并且均匀地溶胀该高吸水剂。
[0085]通过下面的实例，连同附图一起将使本发明以及由此产生的优点变得更清楚。
[0086]图1是根据一个第一实施方案使用了本发明方法的一种装备的图示。
[0087]图2是根据一个第二实施方案使用了本发明方法的一种装备的图示。
[0088]将该高吸水剂供应到2至5吨的容器中(I)(参见图1)的750至100kg的大袋子中，或到一个油罐车(I)中(参见图2)，然后存储在一个料斗或料仓(2)中。在具有装备有一个强力搅拌叶片或螺旋搅拌器(6，7)的2个罐(4，5)的一个连续系统中通过一个计量螺杆(metering screw) (3)对它进行计量。将该高吸水剂(I)以及水(8)计量，进入该第一溶胀室(4)中，水相对于该(共)聚合物的溶胀是过量的(例如，1200升/小时用于1kg溶胀100倍)，这允许更有效的搅拌。所要求的停留时间取决于粒度测量值并且是在I小时(小于Imm)至3小时(小于4_)之间。通过高水平-低水平停止该计量螺杆(3)以及在顶部的水入口(8)来操作该第二罐(5)。
[0089]通过压力高达约10巴的一个Moineau类型的泵(9)亦或通过高达200巴的一个活塞泵来泵送该溶胀的SAP。
[0090]然后通过坑口处或垂直的或垂直的水平井孔中或表面裂隙中的一个注入管(10)注入该溶胀的SAP。
[0091]灭火所要求的水的数量难以计算，因为该体积的一定比例将被蒸发。但是这是数百或数千吨的水，需要记住的是一吨水需要约1kg的高吸水剂。
[0092]本领域普通技术人员可以使这些基本条件配合火灾的局部特征。具体地，有可能通过保持距离火灾区一定距离的装有溶胀的SAP的油罐车来供应这些裂隙。该产品可以从卡车通过一个泵或通过加压来传送。与不得不在既热又不稳定的地面上移动带来土的卡车相比较，这种方法易于应用得多。
【权利要求】
1.一种熄灭煤矿坑中火灾的方法，由以下各项组成: -在水存在下使至少一种高吸水性(共)聚合物部分地或完全地溶胀， -然后将得到的至少部分地或完全地溶胀的一种或多种高吸水性(共)聚合物直接地注入到该矿中。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于该高吸水性(共)聚合物是选自下组，包括:通过丙烯酰胺与部分地或完全地盐化的丙烯酸，优选地处于钠盐形式，进行聚合反应而得到的交联的共聚物类， -部分地或完全地盐化的，优选地处于一种钠盐形式的交联的聚丙烯酸类。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于该高吸水性(共)聚合物是通过丙烯酰胺和/或部分地或完全地盐化的丙烯酸和/或部分地或完全地盐化的ATBS (丙烯酰氨基叔丁基磺酸酯)和/或NVP (N乙烯吡咯烷酮)进行聚合反应而得到的一种交联的三聚物。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于该(共)聚合物的粒度测量值是小于4mm。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于该水包括小于200g/l，优选地小于100g/l的盐。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于使该(共)聚合物与100至6000ppm的选自下组的至少一种交联剂交联，该组包括丙烯酸的、烯丙基的、乙烯基的化合物。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于该水和/或该溶胀的高吸水性(共)聚合物与选自下组的阻燃剂进行混合，该组包括磷酸盐、碳酸氢盐、脲。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于该部分地或完全地溶胀的高吸水性(共)聚合物在远离火的一个区域中制备，然后将它在压力下进行输送以及注入。
9.如权利要求1所述的方法，其特征在于将该部分地或完全地溶胀的高吸水性(共)聚合物注入在坑口处在垂直的或垂直的水平井孔中或在表面裂隙中。
10.一种装备，该装备使用如权利要求1至9中一项所述的方法并且包括: -一种存储该高吸水性(共)聚合物的装置， -一种计量该高吸水性(共)聚合物的装置， -一种计量水的装置， -一种混合该水和该高吸水性(共)聚合物的装置， -一种泵送该得到的部分地或完全地溶胀的高吸水性(共)聚合物的装置， -一种将该部分地或完全地溶胀的高吸水性(共)聚合物注入到该矿中的装置。
11.如权利要求10所述的装备，其特征在于混合该水和该高吸水性(共)聚合物的装置是处于两个连续罐的形式，从而允许连续地并且均匀地溶胀该高吸水性(共)聚合物。
【文档编号】A62C3/00GK104428038SQ201280061971
【公开日】2015年3月18日 申请日期:2012年1月9日 优先权日:2012年1月9日
【发明者】雷内·皮耶希 申请人:S.P.C.M.股份公司