黃土泥漿膠體的研制及應(yīng)用

王小軍， 杜達(dá)文

（陽泉煤業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，山西 陽泉 045000）

引 言

礦井火災(zāi)是煤礦的主要災(zāi)害之一。陽煤一礦所開采的煤層屬三級自然發(fā)火危險(xiǎn)礦井，困擾著礦井的安全生產(chǎn)。為此，積極開展防滅火的科學(xué)研究，搞好礦井防滅火工作，是保證本礦安全生產(chǎn)的一個重要方面。陽煤集團(tuán)一礦北丈八井開采15＃煤層，煤層平均厚度6m，具有自燃傾向性，鑒定為三級不易自燃發(fā)火礦井。該井自1979年開采，到2001年底，共發(fā)生自燃著火和一氧化碳超限15次，最短自燃發(fā)火期為22個月，火災(zāi)給國家資源和財(cái)產(chǎn)造成很大的損失。為進(jìn)一步貫徹落實(shí)“安全第一，預(yù)防為主”的方針，減少和消滅自燃火災(zāi)事故，確保礦井安全生產(chǎn)，決定對采掘工作面的采煤方法和采煤工藝進(jìn)行改進(jìn)。改進(jìn)后，從2002年至今，未發(fā)生自燃發(fā)火事故。但隨著生產(chǎn)向深部及邊遠(yuǎn)地區(qū)轉(zhuǎn)移，礦井通風(fēng)系統(tǒng)趨于復(fù)雜，通風(fēng)壓力逐年升高，瓦斯涌出量不斷增大，綜放工作面走向長1 600m～2 000m、傾向長160m～240m。隨著工作面的增大，回采時間延長，自燃發(fā)火幾率增加，自然發(fā)火威脅愈來愈嚴(yán)重。針對“一通三防”安全管理存在的諸多不利因素，我礦“一通三防”工作始終堅(jiān)持突出3個重點(diǎn)，嚴(yán)把3個關(guān)鍵，強(qiáng)化2項(xiàng)管理，即，突出通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)整與安全技術(shù)管理、完善防滅火系統(tǒng)與落實(shí)預(yù)防措施、高瓦斯區(qū)與瓦斯異常區(qū)的綜合智力等3個重點(diǎn)，狠抓盲巷與采空區(qū)封閉、啟封密閉排放瓦斯、瓦斯監(jiān)測檢查等3個關(guān)鍵環(huán)節(jié)，強(qiáng)化局扇的雙風(fēng)機(jī)、雙電源和礦井綜合防塵2項(xiàng)動態(tài)管理。緊緊依靠科技進(jìn)步，加強(qiáng)現(xiàn)場管理，積極推廣應(yīng)用新技術(shù)、新工藝，并結(jié)合本區(qū)實(shí)際創(chuàng)造性地進(jìn)行技術(shù)改造，開展科研項(xiàng)目的研究［1-2］。

為此，我們在應(yīng)用耐溫高水膠體直接滅火技術(shù)基礎(chǔ)上，又自行研制了黃土泥漿膠體直接防滅火技術(shù)，并在實(shí)際應(yīng)用中取得了良好的效果。

1 黃土泥漿膠體成膠原理

黃土泥漿膠體成膠過程是，基料水玻璃先按一定的配比與黃土泥漿混合，然后根據(jù)所選的促凝劑按一定的配比溶解于水中，再將促凝劑的水溶液與已加入水玻璃的黃土泥漿混合液二者混合，即發(fā)生膠凝作用，生成硅膠的黃土泥漿膠體。其防滅火機(jī)理既具備耐溫度水膠體防滅火機(jī)理，又具備黃土泥漿防滅火和不泄漏等優(yōu)點(diǎn)［3-4］。

2 黃土泥漿膠體的配比與應(yīng)用工藝

2.1 配比

能否形成黃土泥漿膠體，關(guān)鍵性技術(shù)是促凝劑、基料水玻璃、水、黃土四者之間的配比。根據(jù)成膠機(jī)理，選用碳酸氫銨化肥作為促凝劑［5］。經(jīng)反復(fù)實(shí)驗(yàn)，當(dāng)水、黃土、水玻璃、碳酸氫銨質(zhì)量配比為2.0∶1.0∶2.0∶（0.5～1.0）時，可形成黃土泥漿膠體。其成膠時間為1.0min～2.5min。此膠體形狀類似果凍或蛋糕。

2.2 應(yīng)用工藝

黃土泥漿膠體防滅火技術(shù)，采用如圖1所示的工藝系統(tǒng)。

圖1 工藝系統(tǒng)

該工藝系統(tǒng)的流程為：在地面灌漿站制備泥漿，密度為1.2～1.4；測定泥漿流量，根據(jù)泥漿流量調(diào)節(jié)加入泥漿中的水玻璃流量，使二者的流量比為10∶1；在井下距注膠地點(diǎn)10m范圍內(nèi)安設(shè)促凝劑溶解加壓泵，加壓泵額定流量為3m2/h、壓力18MPa［6］。依據(jù)現(xiàn)場火區(qū)空間大小，控制成膠時間，促凝劑填加量為25kg/min～50kg/min。

3 黃土泥漿膠體防滅火現(xiàn)場應(yīng)用實(shí)驗(yàn)

通過實(shí)驗(yàn)，我礦已獲得并掌握了形成黃土泥漿膠體配比、設(shè)計(jì)并實(shí)驗(yàn)工藝系統(tǒng)及泥漿與水玻璃比例關(guān)系、促凝劑填加量等關(guān)鍵性技術(shù)?，F(xiàn)場實(shí)際應(yīng)用該技術(shù)，成功地隔離和控制了204W綜采煤工作面火災(zāi)，按期穩(wěn)妥地將工作面綜采設(shè)備回撤［7］。

3.1 工作面概況及發(fā)火狀況

204 W工作面位于一礦二號井東采區(qū)，走向長280m，傾斜平均長25m，煤層傾角56度，采用急斜特厚煤層水平分層綜采放頂煤采煤方法，放頂高度7.5m。該面放頂煤時，將靠底板側(cè)上部殘存火區(qū)高溫浮煤放入工作面支架頂部及采空區(qū)，煤溫達(dá)53℃，隨之工作面出現(xiàn)體積分?jǐn)?shù)為0.07%的CO氣體、濃煙與明火，工作面被迫封閉（如圖2）。若采用常規(guī)的隔絕灌漿滅火方法，一是工作面綜采設(shè)備會被泥漿浸泡腐蝕，灌漿后清理量大，綜采設(shè)備需投人大量資金更換配件，進(jìn)行檢修；二是滅火周期長，礦生產(chǎn)任務(wù)緊，無綜采設(shè)備投人。鑒于此，決定以打鉆注黃土泥漿膠體直接防滅火技術(shù)為主要手段進(jìn)行防滅火后，將綜采設(shè)備回撤。

3.2 黃土泥漿膠體防滅火技術(shù)實(shí)驗(yàn)步騾

3.2.1 利用鉆孔壓注泥漿膠體

在回風(fēng)巷向工作面底板至5號支架后部設(shè)計(jì)3個鉆孔，計(jì)劃注膠35m2。

圖2 204W—2采煤工作面

3.2.2 利用排水巷打鉆壓注泥漿膠體

在排水巷用EZZ麻花代用鉆，從第15號支架開始逐步向下出口打鉆，鉆孔內(nèi)下6套管，計(jì)劃注漿100m2。

完成上述準(zhǔn)備工作后，按下列步驟實(shí)施壓注膠體：

1）工藝設(shè)備安裝。先將0.5m2箱擱置在地面灌漿站泥漿池內(nèi)，測得泥漿流量32m3/h。將水玻璃流量調(diào)節(jié)為3m2/h［8］。

2）促凝劑溶解加壓泵安設(shè)在回風(fēng)巷（排水巷壓注膠體時設(shè)在排水巷內(nèi)），距鉆孔3m處接好電、水源。成膠時間控制在80s內(nèi)（排水巷為50s），則每分鐘填加碳銨化肥30kg左右（排水巷為40kg）［9］。

3）地面開始下泥漿與水玻璃混合液體，該液體流經(jīng)地面。井下灌漿系統(tǒng)至鉆孔注膠處需25min。地面開始啟動清水泵時間，通知井下后再開啟加壓泵，25min后填加促凝劑（碳銨化肥）。分別在回風(fēng)巷、排水巷鉆孔2次，壓注黃土泥漿膠體40m2、32m2，對支架頂部和采空區(qū)發(fā)火，形成一條黃土泥漿膠體的隔離帶，保證了工作面回撤期間既未出現(xiàn)明火又未出現(xiàn)火勢增大的趨勢，使工作面綜采設(shè)備順利安全地回撤，達(dá)到了預(yù)期的防火目的［10］。

3.3 黃土泥漿膠體防滅火技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)

1）從應(yīng)用結(jié)果看，黃土泥漿膠體能夠起到耐溫高水膠體與黃土泥漿防滅火的雙重作用，滅火效果顯著。尤其是黃土泥漿膠體壘堆成墻形條帶，堵漏隔氧，吸熱降溫，使火區(qū)中灼熱的破碎煤體溫度下降很快。灑漿或?yàn)⑺约白⑺疂沧{都達(dá)不到這種效果。

2）從應(yīng)用工藝看，操作簡單，在壓注膠體最短距離處安設(shè)促凝劑溶解加壓泵，能充分利用礦井原有的防滅火灌漿系統(tǒng)，同耐溫高水膠體工藝系統(tǒng)相比，具有工藝簡單、操作簡便的優(yōu)點(diǎn)，適宜井下任何條件實(shí)施黃土泥漿膠體防滅火工作。

3）向火區(qū)注漿雖起到降溫作用，但泥漿易流失，而黃土泥漿膠體可人為控制起來。

4）膠體遇高溫成膠速度加快，滅火效果比水、泥漿更好，并具有耐高溫特性。

5）它不同于耐溫高水膠體的優(yōu)點(diǎn)是，若選用銨鹽類作促凝劑，分解出對人體感官有刺激性的氨氣被泥漿吸附，避免了氨氣對工作環(huán)境的污染和對人體的危害。

3.4 經(jīng)濟(jì)效益分析

耐溫高水膠體與黃土泥漿膠體材料費(fèi)用相比較，1m3耐溫高水膠體材料費(fèi)54.5元，1m3黃土泥漿膠體材料費(fèi)35.9元，后者比前者材料費(fèi)少18.6元/m3。顯然，應(yīng)用黃土泥漿防滅火技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益顯著。

4 結(jié)束語

黃土泥漿膠體直接防滅火技術(shù)的自主研制，并在現(xiàn)場實(shí)踐應(yīng)用中取得成功，使防滅火技術(shù)手段又提高到了一個新水平。該技術(shù)同耐溫高水膠體直接滅火技術(shù)相比，具有材料費(fèi)用低、工藝簡單、操作簡便的優(yōu)勢，是一種安全、經(jīng)濟(jì)、可靠的防滅火技術(shù)。

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