膠體技術(shù)在新疆焦煤集團(tuán)2130煤礦小窯火區(qū)治理中的應(yīng)用

摘要小窯采空區(qū)煤自燃是為煤礦生產(chǎn)中常見災(zāi)害，通常只能檢測到指標(biāo)氣體而不知道火源位置，為了保證生產(chǎn)區(qū)域的安全，需要對火區(qū)進(jìn)行控制，防止其對生產(chǎn)區(qū)域產(chǎn)生危害。研究表明，膠體技術(shù)能夠有效的封堵漏風(fēng)通道、充填采空區(qū)空間、保水降溫?fù)錅绺邷鼗鹪?，并且膠體技術(shù)可控性好、不會產(chǎn)生次生災(zāi)害、保持時(shí)間長等特點(diǎn)，對煤層火災(zāi)治理、保障安全生產(chǎn)意義重大。本文采用膠體技術(shù)有效治理了2130煤礦小窯采空區(qū)火，為煤礦建設(shè)及今后的安全生產(chǎn)提供了安全保障，具有廣泛的應(yīng)用前景，對治理礦井煤火具有重要的推廣價(jià)值。

關(guān)鍵詞膠體技術(shù)小窯火區(qū)治理

中國煤炭的90%是井下開采，地下作業(yè)有許多不安全因素，尤其礦井火災(zāi)，已經(jīng)成為煤礦重大自然災(zāi)害之一。新疆焦煤集團(tuán)2130煤礦位于烏魯木齊西西南120 km處，屬烏魯木齊市達(dá)坂城區(qū)管轄。2003年以前，艾維爾溝煤礦采用落后的倉柱式采煤方法，目前礦井主要采用走向平硐集中運(yùn)輸大巷、斜井延深、集中石門開拓方式，主采面為一個(gè)綜采面和一個(gè)綜放面。礦井范圍內(nèi)現(xiàn)有火區(qū)影響到下一步采掘接續(xù)面的安全生產(chǎn)。

1994年4月，在2130水平一采區(qū)1521采煤工作面發(fā)現(xiàn)自燃發(fā)火現(xiàn)象，后封閉通向該采面的所有巷道及其運(yùn)煤上山。至2003年4月，一采區(qū)1511密閉發(fā)現(xiàn)自燃發(fā)火現(xiàn)象，在原一采區(qū)2183回風(fēng)石門6#在一采區(qū)運(yùn)輸石門1號煤層口和上倉口各構(gòu)筑1道防火墻；在6號梯子道上口和梯子道與煤倉聯(lián)絡(luò)口各構(gòu)筑1道防火墻，共計(jì)構(gòu)筑5道防火墻。后又對一采區(qū)車場進(jìn)行了封閉。2004年4月在2130平峒2130水平一采區(qū)中部距井口560米處6#-5#石門密閉發(fā)現(xiàn)自燃發(fā)火現(xiàn)象，后對該處及距井口200米處2130水平一石門密閉進(jìn)行了重新構(gòu)筑。2005年1月，2130水平2612采面回采完封閉半年后發(fā)現(xiàn)該處密閉有一氧化碳溢出現(xiàn)象。后對該處及其2183風(fēng)井和2279風(fēng)井進(jìn)行了封閉。

2130平峒火區(qū)起源于2050至2120之間倉柱式回采的采空區(qū)內(nèi)，該采空區(qū)傾斜長度約300 m，走向長度約1000 m，采空區(qū)內(nèi)的火源發(fā)展變化情況不詳，礦井正在生產(chǎn)的綜放面（布置在5#煤層內(nèi)）將在其下部布置，面臨火下采煤的局面?，F(xiàn)2130平峒火區(qū)主要分布在2130水平以上，14號溝以西13號溝以東300米，東西長約1000米。目前區(qū)域已封閉，但地面塌陷裂隙大量存在，對礦井安全生產(chǎn)影響較大。

水和不燃性灌漿材料（土、粉煤灰等）是礦井最主要，也是效果最好、最廉價(jià)的滅火材料，灌漿用的水和黃土、粉煤灰需從外區(qū)運(yùn)送，因此，必須采用能夠提高水、土的利用率和效率的膠體防滅火技術(shù)，來封閉、充填該處采空區(qū)火區(qū)。膠體防滅火材料集堵漏、降溫、阻化、固結(jié)水等性能于一體，能夠在指定位置停留，較好地解決了灌漿、注水的泄漏流失問題，成功撲滅了上百起煤層火災(zāi)，防滅火效果極佳，已成為煤層火災(zāi)封閉的主要技術(shù)手段之一。本次工程選用西安科技大學(xué)提供的復(fù)合膠體技術(shù)對井筒采空區(qū)進(jìn)行封閉、充填施工和對火區(qū)隱患進(jìn)行治理，工程實(shí)施時(shí)以“黃土”復(fù)合膠體為主，在工程需要時(shí)可采用其他材料。

一、膠體技術(shù)防治煤礦井下煤火的理論基礎(chǔ)

膠體是以水作為溶劑，粉煤灰或黃土作為主要充填物，膠體外加劑對水、粉煤灰或黃土漿液進(jìn)行改性。水所起的主要作用是將各種成膠材料通過管路輸送到指定地點(diǎn)，并起到吸熱降溫作用；粉煤灰或黃土起到充填浮煤孔隙，包裹煤體，隔絕煤氧接觸，阻隔火勢的發(fā)展和蔓延，并有利于再生頂板的形成。膠體外加劑是提高泥漿利用率，并改善其防滅火效能，避免“潰水、潰漿”等次生事故的發(fā)生。

膠體材料具有如下防滅火性能：1）固水降溫性：膠體中90%以上是水，易于流動的水被固結(jié)起來，充分發(fā)揮水的降溫作用；成膠過程是吸熱反應(yīng)，煤溫上升使膠體中的水汽化，也吸收大量的熱。2）滲透和堵漏性：成膠材料是易于流動的液體，滲透到煤層縫隙中后形成膠體，堵住漏風(fēng)通道。3）阻化性：促凝劑和基料本身都是阻化劑，兩者反應(yīng)生成的材料也是阻化劑，膠體具有通用阻化劑的性能。4）熱穩(wěn)定性：在1000多度的高溫下膠體不熔化、不破裂，仍能保持完好，只是慢失水干裂。5）充填性能：增強(qiáng)劑（黃土、粉煤灰等）用量增加，膠體耐壓性增強(qiáng)，高濃度膠體泥漿可充填高冒空頂區(qū)。6）滅火安全性：由于膠體有束水作用，在用于撲滅煤火時(shí)，不會急劇產(chǎn)生大量的水煤氣而惡化工作環(huán)境或發(fā)生爆炸。7）有效期：正常情況下（T<28℃，濕度>90%），膠體可長期保存在煤層中（現(xiàn)場實(shí)測十三個(gè)月仍完好），防止煤層自然發(fā)火或火區(qū)復(fù)燃。8）成膠時(shí)間可控性：最短成膠時(shí)間25s，慢的可控制在2 h以上，便于針對不同發(fā)火情況和現(xiàn)場使用工藝對其進(jìn)行適當(dāng)調(diào)節(jié)。

二、膠體技術(shù)的應(yīng)用工藝。

井筒封閉工程采用注膠技術(shù)就必須建立相應(yīng)的灌漿注膠系統(tǒng)。建立系統(tǒng)時(shí)以“MYZ-30地面移動式灌漿注膠防滅火系統(tǒng)”為主，“ZHJ-5/1.8礦用移動式注漿防滅火裝置”為輔。

地面移動式膠體防滅火系統(tǒng)構(gòu)成：漿料儲存場地、漿料輸送、連續(xù)式定量制漿、過濾攪拌、輸漿及管網(wǎng)系統(tǒng)和外加劑添加等部分構(gòu)成，見圖1。定量制漿部分主要目的是將加入制備機(jī)料箱里的大量土、灰按照設(shè)備要求的用量將土、灰均勻送入制漿部分，然后由制漿部分根據(jù)需要的漿液濃度配比相應(yīng)的水量，并攪拌制成合格的漿液。漿液過濾部分其主要功能是把制成的不同濃度的漿液進(jìn)行過濾，漿液中大于8 mm的固體顆粒物會被濾出使其不能進(jìn)入注漿管路，以保證注漿管路不因固體顆粒的沉淀而發(fā)生堵塞。漿液壓注部分可將制成的合格膠體以30米揚(yáng)程輸送至用膠地點(diǎn)。

使用方法：工藝流程見圖2。打開供水閥門，根據(jù)計(jì)劃注漿的流量和濃度調(diào)整水量；通水一段時(shí)間后使用裝載機(jī)（當(dāng)灰場高度高于制漿機(jī)料箱時(shí)可使用推土機(jī)）把土、灰從灰場加入到制漿機(jī)料箱內(nèi)，制漿機(jī)的定量部分會自動按要求的用灰量把灰均勻送入制漿攪拌部分；制漿部分把水與土、灰混合、攪拌制成均勻濃度漿液，漿液自流進(jìn)入過濾部分；由懸浮劑添加機(jī)在制漿機(jī)出口管加入稠化懸浮劑；過濾部分的濾漿機(jī)把漿液中的大顆粒固體濾出，合格漿液自流進(jìn)入渣漿泵送至井下（灌漿站附近有鉆孔可不使用泵送，由制備機(jī)出口管路直接自流入鉆孔），漿液到達(dá)注膠地點(diǎn)附近時(shí)，用“煤礦用注漿機(jī)”按比例要求加入復(fù)合膠體膠凝劑，膠體通過管路注入火區(qū)或采空區(qū)。復(fù)合膠體膠凝劑會使?jié){液在一定時(shí)間內(nèi)（1分鐘左右）發(fā)生膠凝反應(yīng)，形成類似豆腐狀無流動性固體，在壓力作用下通過裂隙緩慢移動，失去部分水后完全失去流動性。井上、下配合的灌漿注膠系統(tǒng)的膠凝劑在井下灌漿地點(diǎn)附近加入，地面鉆孔的系統(tǒng)膠凝劑在地面鉆孔口加入。

三、焦煤集團(tuán)2130煤礦火區(qū)治理。

1.治理思路及方法。

（1）治理思路。

1）火區(qū)隔離：采用地面打鉆壓注復(fù)合膠體的方法，在將要開采的下階段綜放工作面與2130火區(qū)之間建立起膠體隔離帶，防止火區(qū)向下蔓延，同時(shí)避免火區(qū)的有害氣體涌入綜放工作面，并防止綜放工作面回采期間發(fā)生“潰漿”事故，確保采煤工作面的安全。

2）火區(qū)熄滅：采用地面打鉆壓注復(fù)合膠體的方法，降低火區(qū)溫度，充填浮煤空隙，隔絕氧氣，達(dá)到控制及撲滅2130平硐火區(qū)的目的。

3）觀測：火區(qū)灌漿、注膠效果通過地面滅火鉆孔進(jìn)行互檢；火區(qū)動態(tài)監(jiān)測采用鉆孔直接測溫法、氣體監(jiān)測法監(jiān)測火情，并對火區(qū)的熄滅程度進(jìn)行監(jiān)測；治理完成后，打探測鉆孔，采用測溫法和氣體監(jiān)測法檢驗(yàn)滅火工程效果。

治理順序如下：根據(jù)礦井生產(chǎn)實(shí)際情況，首先治理對目前5號煤層生產(chǎn)工作面25221生產(chǎn)有直接影響的A火區(qū)和C火區(qū)，然后根據(jù)火區(qū)嚴(yán)重情況，按順序治理B、D、E、F、G火區(qū)（見下圖3）。

（2）治理方法。

地面鉆探：在地面向采空區(qū)火區(qū)施工注膠鉆孔，并在相應(yīng)位置施工監(jiān)測鉆孔，對火區(qū)治理情況進(jìn)行監(jiān)測。注膠充填：對火區(qū)及采空區(qū)壓注復(fù)合膠體，進(jìn)行滅火、充填采空區(qū)，撲滅采空區(qū)火區(qū)并防止浮煤再次發(fā)生自燃或復(fù)燃，并形成采空區(qū)充填體，防止回采時(shí)采空區(qū)垮冒對生產(chǎn)區(qū)域的危害。觀測：注膠效果通過地面鉆孔進(jìn)行互檢、監(jiān)測；采用鉆孔直接測溫法和氣體監(jiān)測法，監(jiān)測火區(qū)治理情況。

2.地面鉆探。

1）鉆孔布置。

根據(jù)火區(qū)情況，布置鉆孔如下圖4。

2）鉆孔工程量。

本火區(qū)治理共設(shè)計(jì)鉆孔62個(gè)，平均孔深145m，共計(jì)8990米。可根據(jù)施工情況增減。這些鉆孔既可作為注膠滅火鉆孔，還可作為膠體流動范圍及測溫取氣孔。鉆孔工程總量：8990m。

3）鉆孔參數(shù)。

鉆孔開孔位置設(shè)計(jì)中會有詳細(xì)坐標(biāo)、終孔位置，鉆孔平均孔深約103 m，孔徑89 mm、65 mm，套管70 mm、50 mm，采用普通鉆孔工藝、普通套管和一次成孔注膠鉆桿、鉆頭。鉆孔終孔位置為燃燒煤層底板，孔口安裝可開啟的蓋子，以便在測溫、采樣時(shí)打開，不用時(shí)封閉。

4）鉆探施工。

鉆探工程的開展是以火區(qū)剝離工程為基礎(chǔ)的，因此在自西向東總施工順序原則下，鉆探工程的施工順序也按照自西向東展開，即在剝離平整好的地表自西向東逐步展開火區(qū)鉆探工程；鉆探工程的施工方向按照由南向北、先重后輕的要求進(jìn)行。

為使注水注漿工藝達(dá)到預(yù)期效果，鉆孔設(shè)計(jì)采用花眼布設(shè)方式，滅火孔終孔位置為燃燒煤層底板。另外，為監(jiān)測火區(qū)下部火情的發(fā)展態(tài)勢，根據(jù)火區(qū)的溫區(qū)分布，必須鉆探一定數(shù)量的觀測孔。鉆孔的深度必須嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)要求，通過現(xiàn)場鉆探工程師驗(yàn)收為標(biāo)準(zhǔn)。除孔口為實(shí)管外，其余部分下花管，套管終孔應(yīng)距煤層頂板上1～2m，鉆探觀測孔孔口安裝可開啟的蓋子，以便在測溫、采樣時(shí)打開，不用時(shí)封閉。

3.注膠。

（1）注膠量設(shè)計(jì)。2130平硐火區(qū)需處理范圍為：傾斜長300 m，走向長1000 m，煤層厚度5 m，充填率按40%計(jì)算，需處理火區(qū)總面積為31 140 m2，并考慮1.2的富余系數(shù)（主要考慮需針對火源探測出的高溫區(qū)域進(jìn)行重點(diǎn)處理），則需灌注的復(fù)合膠體總量為：

31140×5×40%×1.2=74736m3

本次工程注膠總量約為74736m3；粉煤灰總量約為50000 m3；水總量約為100 000 m3；膠凝劑約為75 T；JXF1930懸浮劑約為75 T。

（2）注膠比例設(shè)計(jì)。制漿比例：水：灰=1∶1；添加劑添加量：添加劑：漿液重量=1∶1000；注膠流量：30 m3/h；注膠時(shí)間：每天注膠12小時(shí)，連續(xù)灌注。

（3）注膠施工工藝。制漿機(jī)的定量部分會自動按要求的用灰量把灰均勻送入制漿攪拌部分；制漿部分把水與土、灰混合、攪拌制成均勻濃度漿液，過濾部分把漿液中的大顆粒固體濾出，合格漿液自流進(jìn)入渣漿泵通過注膠管路送至井下，漿液到達(dá)注膠地點(diǎn)附近時(shí)，用“煤礦用注漿機(jī)”按比例要求加入復(fù)合膠體膠凝劑，通過管路注入火區(qū)或采空區(qū)。復(fù)合膠體膠凝劑會使?jié){液在一定時(shí)間內(nèi)（1分鐘左右）發(fā)生膠凝反應(yīng)，形成類似豆腐狀無流動性固體，在壓力作用下通過裂隙緩慢移動，失去部分水后完全失去流動性。

3.治理結(jié)果檢驗(yàn)。通過自地面向采空區(qū)打鉆灌注復(fù)合膠體，充分充填采空區(qū)空間、包裹高溫煤體、封堵漏風(fēng)通道。通過治理，火區(qū)CO氣體濃度從780 ppm降至3 ppm以下，經(jīng)過半年多不間斷觀測，沒有出現(xiàn)任何異常，效果非常明顯，確保了該礦安全生產(chǎn)。

四、結(jié)論

（1）對采空區(qū)的高溫自燃區(qū)域進(jìn)行治理，抑制其繼續(xù)擴(kuò)大火源范圍和自燃程度，避免因此帶來的采空區(qū)有害氣體對生產(chǎn)系統(tǒng)的威脅和瓦斯爆炸事故，改善安全生產(chǎn)條件；

（2）復(fù)合膠體材料是很好的堵漏和固水材料，能夠有效地抑制下水平開采時(shí)破碎煤柱的漏風(fēng)，并且避免了使用泥漿材料滅火時(shí)帶來的潰水危險(xiǎn)。本項(xiàng)目的實(shí)施具有重要的經(jīng)濟(jì)和社會效益及推廣價(jià)值。

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