煤田火區(qū)滅火砂土注漿材料用懸砂劑的制備和應(yīng)用研究

白邊疆 包興東 趙浚延

(1.新疆煤田滅火工程局，新疆自治區(qū)烏魯木齊市，830063；2.昌吉市先導(dǎo)工程材料有限責(zé)任公司，新疆自治區(qū)昌吉市，830011)

當(dāng)前國(guó)內(nèi)外煤田火區(qū)治理的技術(shù)主要還是以剝離、鉆探、注水、注漿、覆蓋和植被恢復(fù)為主。其中注漿施工的充填效果決定了煤田火區(qū)施工治理的成敗，在煤田防滅火注漿技術(shù)上，仍然以簡(jiǎn)單易操作、成本低廉的黃土注漿為主。由于部分煤田火區(qū)缺少傳統(tǒng)的黃土或粘土，以中粗顆粒砂土為主(新疆托克遜潘吉達(dá)格蘇火區(qū)、托克遜烏尊布拉克火區(qū)等)，砂土顆粒注漿以其取材方便、成本低廉成為防滅火注漿的選擇之一。土質(zhì)中以大量砂土顆粒為主時(shí)，按照原始的制漿方法所制作的泥漿會(huì)使砂和泥漿分層離析嚴(yán)重，出現(xiàn)沉淀堵塞輸漿管道，填充覆蓋后不能形成致密的密閉層，干燥后又成為松散體，如果漏風(fēng)供氧，易造成治理后的火區(qū)復(fù)燃。因此，部分以砂土顆粒為主的煤田火區(qū)開始采用發(fā)泡水泥、防滅火泡沫等注漿填充技術(shù)，但是發(fā)泡水泥填充造成防滅火成本急劇上升，防滅火泡沫技術(shù)存在穩(wěn)定時(shí)間相對(duì)較短，且無(wú)法固化、不耐高溫等缺陷。針對(duì)砂土顆粒為主的煤田火區(qū)，開發(fā)一種在工藝上簡(jiǎn)單易行，性能上能針對(duì)泥漿中砂石顆粒物具有一定的懸浮作用，另外還具備一定的填充、堵漏、降溫、惰化、阻燃等綜合性能的材料，本文稱之為懸砂劑，就顯得尤為重要。本文以技術(shù)可行和降低經(jīng)濟(jì)成本為主要考慮因素，來(lái)對(duì)大量懸砂劑配比材料進(jìn)行不斷篩選，最終確定了懸砂劑的材料成分及其配比。在室內(nèi)砂土漿體泵送試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，在新疆幾個(gè)火區(qū)的注漿試驗(yàn)中進(jìn)一步優(yōu)化了顆粒懸浮注漿的施工工藝，驗(yàn)證了懸砂劑所制泥漿的泵送性，最終形成了一套成熟的顆粒懸浮注漿滅火新技術(shù)，該技術(shù)的應(yīng)用推廣可為今后類似煤田火區(qū)注漿施工提供借鑒和參考。

1 懸砂劑的制備

取用托克遜潘吉達(dá)格蘇火區(qū)的土樣和水樣，根據(jù)各種材料的特性，結(jié)合相應(yīng)的經(jīng)濟(jì)性，經(jīng)過(guò)大量的室內(nèi)試驗(yàn)，最終確定了制備懸砂劑的主要材料和輔助材料，同時(shí)確定了各個(gè)組分的配比區(qū)間，針對(duì)潘吉達(dá)格蘇火區(qū)的土樣情況確定了該火區(qū)懸砂劑的最優(yōu)配方。

1.1 制備懸砂劑的主要材料及其性能

根據(jù)“凝膠才能懸浮”理論，依據(jù)能產(chǎn)生凝膠的單體或復(fù)合凝膠都可用作懸浮劑材料，而且，還必須具備以下幾個(gè)條件∶第一，符合防滅火的安全、阻燃性要求；第二，具有很好的填充、封堵、隔氧密閉性能；第三，具有優(yōu)越的耐熱、抗高溫能力；第四，抗析水性能強(qiáng)；第五，性能穩(wěn)定，便于工藝操作，機(jī)械注膠；第六，用量省，具有較好的經(jīng)濟(jì)性能。為此，懸砂劑的配方通過(guò)性能篩選，并在大量試驗(yàn)的基礎(chǔ)上得出了最優(yōu)配方，即制備懸砂劑主要材料為鈉基膨潤(rùn)土、植物膠、纖維素(羧甲基纖維素)、海藻酸鈉和聚丙烯酸鈉等。

鈉基膨潤(rùn)土具有很強(qiáng)的親水性，吸附大量的水而膨脹12～30倍，在水介質(zhì)中分散呈膠體懸浮液，并具有一定的懸浮性、粘滯性、觸變性和潤(rùn)滑性，特別是具有較強(qiáng)的高溫懸浮能力，低溫增稠不明顯，與泥沙形成的混合物具有可塑性和粘結(jié)性，與砂土結(jié)合使用有利于成膠填充封堵裂隙。

植物膠MC，主含纖維素、半纖維素、木質(zhì)素和大量木質(zhì)纖維顆粒，能遇水溶脹，在水中具備高浮水性，與纖維素結(jié)合形成高粘度的溶膠液，與泥漿砂土顆粒絮凝成膠團(tuán)顆粒，從而整體提高膠團(tuán)顆粒的懸浮能力。

纖維素(羧甲基纖維素)CMC和海藻酸鈉都是高分子材料，相互作用配合，在泥漿中具有耐鹽堿、懸濁等特性，且不產(chǎn)生鹽析現(xiàn)象，遇水可形成高粘度的膠體溶液，有粘著、增稠、流動(dòng)、乳化分散、懸浮和潤(rùn)滑作用，在泥漿膠體中起著薄膜成型保護(hù)膠體并提高流動(dòng)性的作用。

聚丙烯酸鈉PAANa是合成高分子材料，有著極強(qiáng)的絮凝作用，其通過(guò)引進(jìn)各種離子基團(tuán)調(diào)節(jié)，其親水基團(tuán)與泥漿中其他親水基團(tuán)架橋吸附，使泥漿中形成親水而不溶水性的絮凝膠團(tuán)，其中聚丙烯酸鈉PAANa通過(guò)引進(jìn)各種離子基團(tuán)調(diào)節(jié)與植物膠MC、纖維素CMC和膨潤(rùn)土結(jié)合，形成一定的親水而不溶水的絮狀粘彈性膠黏體，并將砂土顆粒粘合在一塊，懸浮在液體泥漿中，其中植物膠MC中的木質(zhì)纖維顆粒，比重輕，懸浮性強(qiáng)，與砂質(zhì)顆粒通過(guò)絮凝成粘彈性膠黏體。纖維素CMC在絮狀粘彈性膠黏體上起著提高粘結(jié)強(qiáng)度的作用，防止砂質(zhì)顆粒物從絮狀粘彈性膠黏體上由于比重大而脫離下沉。

1.2 制備懸砂劑的輔助材料及其性能

為了使懸砂劑具備煤田火區(qū)治理綜合性能，懸砂劑中加入了十二烷基苯磺酸鈉SDBS、含水硅酸鎂、氫氧化鈣、硫酸鈣和碳酸氫鈉五種輔助材料。

碳酸氫鈉和十二烷基苯磺酸鈉SDBS是分散劑和表面活性劑，可有效幫助高分子吸水材料和高吸水礦物質(zhì)均勻滲透到泥漿顆粒中，幫助快速均勻成膠，十二烷基苯磺酸鈉SDBS通過(guò)乳化發(fā)泡進(jìn)一步提升泥漿的懸浮填充效果；硫酸鈣是一種無(wú)機(jī)膠凝劑，能在泥漿中固化吸水作用，特別是硫酸鈣與氫氧化鈣的親水基團(tuán)與泥漿中其他親水基團(tuán)作用，具備了一定的阻化性能，對(duì)煤田火區(qū)采空燃燒區(qū)或者燃燒過(guò)的過(guò)火煤具備阻燃特性；碳酸氫鈉在泥漿中當(dāng)遇高溫后可產(chǎn)生二氧化碳?xì)怏w，起到加大填充空間、提高填充效率作用；含水硅酸鎂與聚丙烯酸鈉PAANa、海藻酸鈉聯(lián)合作用主要提高泥漿的絮凝效果和穩(wěn)定性，而且能提高滅火泥漿的耐高溫特性。

1.3 懸砂劑的制備

由于不同的煤田火區(qū)砂土顆粒的大小、化學(xué)成分不一樣，懸砂劑中各個(gè)組分的占比也發(fā)生相應(yīng)的變化，從而實(shí)現(xiàn)懸砂劑的效能最大化，懸砂劑按照重量百分比進(jìn)行配比，其組份重量占比區(qū)間分別為膨潤(rùn)土(鈉基型)45%～75%，植物膠MC25%～40%，纖維素(羧甲基纖維素)CMC2%～8%，聚丙烯酸鈉PAANA0.3%～2%，海藻酸鈉0.3%～2%，十二烷基苯磺酸鈉SDBS0.05%～2%，含水硅酸鎂0.5%～2%，氫氧化鈣0.2%～1%，硫酸鈣0.5%～2%，碳酸氫鈉0.5%～5%。在懸砂劑的制備前需將膨潤(rùn)土、含水硅酸鎂、硫酸鈣、碳酸氫鈉加工粉碎成150目以上細(xì)粉，將植物膠MC、纖維素(羧甲基纖維素)CMC、聚丙烯酸鈉PAANa、海藻酸鈉、十二烷基苯磺酸鈉SDBS加工粉碎成40目細(xì)粉，根據(jù)火區(qū)所需的最佳配置稱取相應(yīng)的組分含量混合在一起，然后放入真空常溫混料機(jī)攪拌混合15～30 min后制成懸砂劑。

1.4 懸砂劑的應(yīng)用研究

混合泥漿攪拌和泵送過(guò)程中，懸砂劑中有大量高分子材料，懸砂劑的溶解應(yīng)避免過(guò)強(qiáng)的剪切力攪拌，過(guò)強(qiáng)的攪拌會(huì)使高分子的分子鏈斷裂，從而降低使用效果。由于砂土顆粒沉淀主要發(fā)生在管道輸送階段，在使用工藝上采用二次加入工藝，懸砂劑注漿應(yīng)用工藝如圖1所示。即在混合泥漿攪拌和泵送過(guò)程中只加入添加總量30%～45%的懸砂劑，通過(guò)減少濃度防止混合泥漿攪拌和泵送過(guò)程中損害；然后在泵送后通過(guò)管道再將添加總量55%～70%的懸砂劑加入混合。通過(guò)以上組合配方制成的懸砂劑，經(jīng)過(guò)兩次混合加入，使得不同溶解速度材料或絮凝、懸浮反應(yīng)的物質(zhì)，在泥漿中基本反應(yīng)一致?；旌系哪酀{通過(guò)管道和鉆孔充分懸浮砂土顆粒進(jìn)入空區(qū)和裂隙后，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離輸送泥漿，就地解決制漿材料問(wèn)題。在輔助材料的配合作用下，可以使極易沉淀的砂土泥漿提高一定流動(dòng)性、懸浮性、粘彈性、致密性和堆積性，使進(jìn)入空區(qū)或者火區(qū)的泥漿膠體內(nèi)聚力大、堆積角度大，完全具備了填充煤田火區(qū)所要求的遠(yuǎn)距離輸送、防風(fēng)堵漏、裂隙封堵、堆積填充和阻化降溫等功能。

圖1 懸砂劑注漿應(yīng)用工藝

2 懸砂劑在煤田火區(qū)中的應(yīng)用

2.1 用懸砂劑制備砂土漿體的室內(nèi)試驗(yàn)

在試驗(yàn)時(shí)，所取的土樣和水樣皆取自新疆潘吉達(dá)格蘇煤田火區(qū)，該火區(qū)粗砂顆粒粒徑超過(guò)0.5 mm的比例大于70%，粒徑超過(guò)10 mm的比例為23.7%，沙土容重指標(biāo)1.39 g/ml。根據(jù)懸砂劑的主要材料和輔助材料的性能特征，制作了6個(gè)懸砂劑樣品和1個(gè)沒(méi)添加任何懸砂劑的泥漿作為對(duì)比樣，對(duì)這6個(gè)懸砂劑樣品分別取土樣和水樣的總重量的0.5%、0.75%、1%、1.25%、1.5%和2%作為添加懸砂劑量制作懸砂泥漿。先將砂土顆粒進(jìn)行篩選，使其粒徑小于10 mm，稱取250份篩選土和250份水，再將懸砂劑稱取4份與250份土、180份水?dāng)嚢杌旌铣缮百|(zhì)膠體泥漿，將稱取的6份懸砂劑加入70份水中并均勻混合成懸砂劑水溶液，將混合好的砂質(zhì)膠體泥漿通過(guò)渣漿泵泵送到灌漿管路中，同時(shí)在泵送出口處，將懸砂劑水溶液以一定的壓力注入到灌漿管路中，實(shí)現(xiàn)懸砂劑與泥砂漿液的二次混合，砂質(zhì)泥漿與懸砂劑在輸漿管道中混合、攪拌、懸浮、稠化，形成滅火稠化懸浮泥漿注入到空區(qū)和裂隙及破損的煤體表面進(jìn)行治理。試驗(yàn)獲得成漿量、自然干燥體積、自然干燥強(qiáng)度、流動(dòng)性、粘度和3 min、5 min及8 h的析水量等技術(shù)指標(biāo)，對(duì)各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行綜合分析，結(jié)合經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)反復(fù)對(duì)比試驗(yàn)，最后得到了針對(duì)該火區(qū)懸砂劑的最佳配比(按照各組分重量百分比)分別為64%的膨潤(rùn)土(鈉基)、25%的植物膠MC、3%的纖維素(羧甲基纖維素)CMC、0.8%的聚丙烯酸鈉PAANA、7.2%其他輔助材料，該懸砂劑的容重為0.858 g/ml，制作成本控制在7000元/t之內(nèi)。試驗(yàn)結(jié)果表明，該懸砂劑制備的泥漿干燥慢，保濕性較好，干強(qiáng)度較高，填充好，不易潰漿和跑漿，有堆積性，降溫能力好，有封堵性。

2.2 懸砂劑在煤田火區(qū)中的應(yīng)用

為了檢驗(yàn)懸砂劑的實(shí)用性，為今后進(jìn)一步大面積推廣應(yīng)用打好基礎(chǔ)，在新疆托克遜烏尊布拉克煤田火區(qū)開展了懸砂劑的應(yīng)用實(shí)踐。本次懸砂劑灌漿應(yīng)用實(shí)踐，總計(jì)灌漿量為1057 m3，懸砂劑用量10 t，共計(jì)灌注魚鱗坑1個(gè)，灌注低溫孔4個(gè)，高溫孔3個(gè)，加膠量為漿體重量的0.75%、1%、1.5%和2%，分別對(duì)應(yīng)水土比為1∶0.1、1∶0.3、1∶0.7和1∶1。主要檢驗(yàn)懸砂劑在不同添加量和漿液濃度情況下的封堵性能、降溫效果、沙土泥漿泵送性能和泥漿堆積性、泥漿固水性、泥漿懸浮性以及擴(kuò)散性能指標(biāo)和設(shè)備性能參數(shù)。

2.2.1 滅火現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際灌漿效果評(píng)價(jià)

應(yīng)用實(shí)踐結(jié)果表明∶原來(lái)通過(guò)注水達(dá)2000 m3以上灌漿量，才能將孔口溫度降至70℃左右，而本次通過(guò)懸砂劑技術(shù)，所灌注的鉆孔，最多262 m3灌漿量就將高溫孔孔口溫度降至到地表常溫(12℃左右)，降溫效果明顯。并且28、29、30、34孔周圍及魚鱗坑灌漿后均封堵良好，前后對(duì)比，地表熱氣全部消失，地表裂隙封堵密實(shí)無(wú)熱氣溢出，達(dá)到煤田火區(qū)治理相關(guān)的技術(shù)要求。滅火現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際灌漿效果評(píng)價(jià)見(jiàn)表1。由表1中數(shù)據(jù)可以看出，懸砂泥漿擴(kuò)散范圍、孔內(nèi)部降溫效果可以通過(guò)懸砂劑的添加量和水土比進(jìn)行很好的調(diào)節(jié)。

表1 滅火現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際灌漿效果評(píng)價(jià)表

2.2.2 懸砂泥漿評(píng)價(jià)

本次應(yīng)用實(shí)踐的主要內(nèi)容是檢驗(yàn)懸砂劑的懸浮、泵送和懸砂泥漿膠體的擴(kuò)散、封堵、降溫性能，在測(cè)試中，制作灌注不同添加比例和不同濃度的懸砂泥漿膠體共計(jì)1057 m3，懸砂泥漿在0.75%～2%都表現(xiàn)出優(yōu)異的懸浮性能，特別是在1%范圍內(nèi)比較好地兼顧懸砂泥漿的流動(dòng)性、擴(kuò)散性、封堵性，說(shuō)明在新疆托克遜烏尊布拉克煤田火區(qū)的砂質(zhì)土，懸砂劑添加比例1%就完全達(dá)到懸砂技術(shù)要求。在灌注魚鱗坑使用懸砂劑添加量0.75%～1.5%，水土比1∶0.5～0.7所制的懸砂泥漿在10 h后觀測(cè)，幾乎無(wú)分層析水現(xiàn)象，在懸砂泥漿表層就可以清楚看到膠凝懸砂砂粒穩(wěn)定懸浮，坑內(nèi)裂隙得到封堵，已經(jīng)無(wú)熱氣溢出，說(shuō)明泥漿懸浮、封堵性達(dá)到技術(shù)要求。

2.2.3 懸砂制漿注膠系統(tǒng)設(shè)備評(píng)價(jià)

本次應(yīng)用實(shí)踐的設(shè)備主要由立時(shí)懸砂制漿機(jī)、振動(dòng)式定量篩分給料機(jī)、前端加膠裝置和后端注膠機(jī)等組成，見(jiàn)圖2，機(jī)組配套總功率60 kW。本次輸漿距離在60～120 m之間，懸砂制漿量在30～70 m3/h，水土比在1∶0.1～1之間。工作期間，在20.2 h內(nèi)灌注懸砂泥漿膠體1057 m3，整個(gè)懸砂制漿注膠、輸漿一直正常，輸出懸砂泥漿出口壓力大于0.5 MPa，設(shè)備指標(biāo)完全達(dá)到設(shè)計(jì)和懸砂灌漿技術(shù)要求，并且具有效率高、故障少、簡(jiǎn)單易操作等特點(diǎn)。

2.2.4 懸砂制漿注膠經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)

在新疆托克遜烏尊布拉克煤田火區(qū)開展的懸砂劑的應(yīng)用實(shí)踐活動(dòng)中，對(duì)懸砂劑的經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)進(jìn)行的測(cè)定評(píng)價(jià)。經(jīng)過(guò)測(cè)評(píng)其單位灌漿成本73.75～123.5元/ m3，具體見(jiàn)表2。由表2可以看出，在相同條件下比發(fā)泡填充材料成本低約71.6%，在經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)上遠(yuǎn)優(yōu)于目前常用的發(fā)泡填充材料。

圖2 煤田防滅火懸砂制漿注膠設(shè)備系統(tǒng)圖

項(xiàng)目指標(biāo)備注設(shè)備單位灌漿量/m3·h-150～80 整套設(shè)備制漿注膠灌漿量每班次灌漿量/m3·班-1400～640 每班工作時(shí)間8 h需水量/m3·h-135～60設(shè)備需水要求需砂土量/t·h-13.5～60 火區(qū)周圍砂土懸砂劑添加量/t·h-10.375～1.2設(shè)備最大或最小添加量懸砂劑添加量比例/%1根據(jù)砂質(zhì)屬性在0.75%～1.12%之間調(diào)整單位懸沙泥漿重量/ t· m-31.42～1.103根據(jù)水土比懸砂劑添加比例確定懸砂劑材料成本/元·t-16500懸砂劑采購(gòu)單價(jià)每班人數(shù)/人·班-14～5 每人工時(shí)費(fèi)用350元/工時(shí)單位灌漿勞務(wù)、設(shè)備、油料成本/元· m-320不含取水、取砂土費(fèi)用,主要有設(shè)備折舊、勞務(wù)、油料費(fèi)單位懸砂劑材料成本/元· m-353.75～103.5根據(jù)砂質(zhì)土屬性比重確定單位懸砂泥漿灌漿成本/元· m-373.75～123.5根據(jù)砂質(zhì)土屬性比重確定

3 總結(jié)

(1)懸砂劑是充分利用高分子材料中的絮凝、增粘特性，引進(jìn)高浮水性材料和高吸水礦物質(zhì)，通過(guò)吸附性樹脂離子基團(tuán)良好的粘附力，與泥漿中的固相顆粒進(jìn)行絮凝、粘合、膠凝懸浮，再結(jié)合大量比重小、懸浮力大的木質(zhì)纖維顆粒材料，達(dá)到防止固相顆粒在漿體中不斷下沉的趨勢(shì)。

(2)通過(guò)不同材料的細(xì)度控制和不同材料的選配，使配方中的各種材料在泥漿中的膠凝反應(yīng)的時(shí)間基本一致，懸砂劑與水混合快速均勻并且不結(jié)塊，與砂質(zhì)泥漿通過(guò)絮凝、粘合、懸浮膠凝后能析出有一定粘度和潤(rùn)滑性的水溶液，從而減少砂質(zhì)泥漿的流動(dòng)阻力, 適應(yīng)各種液體泵長(zhǎng)距離管線輸送的要求。

(3)懸砂劑配方加入了其他煤田滅火性能相關(guān)的輔助材料，與砂質(zhì)泥漿混合應(yīng)用于煤田火區(qū)后具備一定的降溫、惰化、阻燃綜合性能，促使砂質(zhì)泥漿填充覆蓋后形成致密的密閉層，防止火區(qū)復(fù)燃。

(4)懸砂劑配方既有高分子有機(jī)材料,也有無(wú)機(jī)材料, 性能各有優(yōu)勢(shì),相互取長(zhǎng)補(bǔ)短，它們絕大部分都是高吸水材料，在一定的滅火周期內(nèi)具有保水功能，抑制了煤炭自燃速度，在失水后能夠固化并覆蓋浮煤，從而隔絕煤火的供氧通道。該懸浮劑的性能廣，作用強(qiáng)，綜合性能優(yōu)于單一性能的懸浮材料，并且應(yīng)用廣泛，特別針對(duì)缺水少土和注漿施工有危險(xiǎn)的區(qū)域、地下空區(qū)、塌陷區(qū)域、礦山巷道和裂隙等的填充、堵漏、防風(fēng)、防火等有很好的應(yīng)用前景。配方組合中所選用的材料基本都是市場(chǎng)常用產(chǎn)品，用量少，作用持久，基本無(wú)毒無(wú)害，成本在相同條件下比其他煤田滅火灌漿添加材料要低很多，達(dá)到了降低煤田火區(qū)治理成本的目的。