粉煤灰復(fù)合膠體在火區(qū)治理中的應(yīng)用

甘元平，王寶群

(新疆焦煤集團(tuán)，新疆 烏魯木齊 830018)

0 引言

中國(guó)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[1]。新疆焦煤集團(tuán)1930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。目前該礦的開拓方式為：平硐、斜井、運(yùn)輸大巷及石門等，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)。

2014年8月15日，二采區(qū)+1 870 m水平變電所回風(fēng)道內(nèi)出現(xiàn)煤層自燃預(yù)兆，根據(jù)1930煤礦監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)顯示，自2014年8月15日10：05分二采區(qū)總回風(fēng)巷出現(xiàn)一氧化碳報(bào)警現(xiàn)象，當(dāng)班安排通風(fēng)隊(duì)密閉檢查人員對(duì)二采區(qū)所有密閉進(jìn)行了排查，發(fā)現(xiàn)5#軌道下山東幫部分密閉內(nèi)一氧化碳濃度較高，同時(shí)5#軌道下山上段(變電所回風(fēng)口以上)一氧化碳出現(xiàn)異常，為確保安全快速查出異常原因，礦井通風(fēng)室在17：02分左右聯(lián)系救護(hù)隊(duì)進(jìn)入井下查找原因，查出二采區(qū)變電所回風(fēng)道東幫及頂部有自然發(fā)火預(yù)兆。礦井立即啟動(dòng)了火災(zāi)應(yīng)急處理預(yù)案，于8月17日晚23點(diǎn)，經(jīng)新疆煤礦安全監(jiān)察局、重慶煤科院專家及新疆焦煤集團(tuán)火災(zāi)應(yīng)急指揮部共同研究確定封閉二采區(qū)。

水是滅火的最直接、最有效的物質(zhì)。但水的流動(dòng)性較強(qiáng)，無法在高溫區(qū)域長(zhǎng)時(shí)間存在。為使水在高溫區(qū)域長(zhǎng)時(shí)間停留且效果好、價(jià)格低的做法是將土或粉煤灰等物質(zhì)與水混合制成灌漿防滅火材料。灌漿用的水和黃土、粉煤灰需從外區(qū)運(yùn)送，因此只有提高水與土或粉煤灰的效率，才能有效降低注漿成本。黃土膠體或粉煤灰膠體充填封堵采空區(qū)的目的是堵住漏風(fēng)通道，膠體中的水分可以起到降溫的作用，膠體覆蓋在煤體表面又可以起到阻隔氧氣的作用。膠體防滅火技術(shù)具有固水降溫、堵漏降氧、覆蓋阻化等優(yōu)勢(shì)。全國(guó)范圍內(nèi)利用該技術(shù)已成功撲滅數(shù)百起煤自燃火災(zāi)，且較好地預(yù)防了工作面停采期間的采空區(qū)自燃隱患，是目前煤礦自燃火災(zāi)防治的主要方式之一[2-3]。

以1930煤礦煤自燃為例，采用西安科技大學(xué)防滅火團(tuán)隊(duì)研發(fā)的膠體防滅火技術(shù)，對(duì)自燃隱患區(qū)域進(jìn)行充填封堵。本次以粉煤灰復(fù)合膠體為主，根據(jù)需要可加入其它輔助材料。

1 膠體技術(shù)防治煤火的理論基礎(chǔ)及應(yīng)用

1.1 膠體技術(shù)防治煤火的理論基礎(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(duì)水、粉煤灰或黃土漿液進(jìn)行改性。依賴于水較強(qiáng)的傳熱與吸熱性能，它是理想的滅火降溫材料；且它具有很好的流動(dòng)性，故可調(diào)和并攜帶粉煤灰等骨料直達(dá)用漿地點(diǎn)。粉煤灰骨料在充填采空區(qū)孔隙的同時(shí)，由于對(duì)煤體形成了包裹作用，所以將氧氣與煤隔離開來，達(dá)到控制煤火災(zāi)害繼續(xù)發(fā)展的目的。在以往的膠體注漿過程中出現(xiàn)過潰水和潰漿事故，為有效控制并避免此類事故，在此次注漿中添加了輔助外加劑[4-5]。

在粉煤灰膠體漿液中水份含量超過90%，其余為骨料和添加劑，膠體將易于流失的水“鎖住”，長(zhǎng)時(shí)間停留在高溫區(qū)域，依靠其較強(qiáng)的吸熱作用從而達(dá)到降溫作用，在成膠過程中吸收的大量熱能使水汽化，由于粉煤灰漿液大部分是水，因此漿液的流動(dòng)性較好，可以很好地滲透到煤巖裂隙中，而后形成粉煤灰膠體，達(dá)到充填裂隙和封堵漏風(fēng)的效果；粉煤灰基料本身不自燃，添加劑中促進(jìn)漿液凝固的促凝劑亦不可燃，基料與促凝劑的反應(yīng)生成物也是一種不自燃的促凝和阻化溶劑。通過在實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在1 000 ℃以上的高溫中粉煤灰膠體沒有出現(xiàn)熔化或破裂的現(xiàn)象，僅僅是失去部分水出現(xiàn)干裂，膠體整體依然相對(duì)完好；在粉煤灰骨料添加量增大時(shí)，膠體的整體抗壓性則越大，堆積性越高，可實(shí)現(xiàn)對(duì)高冒空頂區(qū)的有效充填；眾所周知，用水直接撲滅高溫火區(qū)時(shí)，曾發(fā)生過爆炸等次生災(zāi)害事故，而粉煤灰膠體的鎖水作用則很好地避免了水煤氣爆炸或污染環(huán)境。根據(jù)管路的長(zhǎng)短、所需滲流的范圍等可以控制成膠時(shí)間，最小的成膠時(shí)間為25 s，長(zhǎng)的可達(dá)2 h之上，根據(jù)各自火區(qū)情況和現(xiàn)場(chǎng)工藝等自行調(diào)整[6-7]；根據(jù)實(shí)驗(yàn)室測(cè)試，在溫度低于28 ℃，濕度大于90%的環(huán)境中，膠體可長(zhǎng)期完好保存在煤體中，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)注膠后觀測(cè)，13個(gè)月后膠體依然完好。綜上可以看出粉煤灰膠體具有如下優(yōu)點(diǎn)：鎖水、降溫、流動(dòng)滲透性好、充填堵漏、阻化、高溫穩(wěn)定、安全性高、有效期長(zhǎng)、成膠時(shí)間范圍可調(diào)等。

1.2 膠體技術(shù)的應(yīng)用

基于灌漿注膠系統(tǒng)的注膠技術(shù)是井筒封閉過程中所必需的專業(yè)技術(shù)。該系統(tǒng)以“MYZ-30”型地面移動(dòng)式灌漿注膠防滅火系統(tǒng)為主，與“ZHJ-5/1.8”型礦用移動(dòng)式注漿防滅火裝置為輔。

如圖1所示，MYZ-30型地面移動(dòng)式灌漿注膠防滅火系統(tǒng)主要有5大部分組成，分別為：骨料(粉煤灰)存放場(chǎng)地、骨料輸送裝置、定量型連續(xù)式制漿裝置、漿液攪拌過濾裝置、漿液輸送裝置、輔助材料添加裝置等。定量型連續(xù)式制漿裝置的作用為按所需要求恰當(dāng)配比灰、膠凝劑等，按預(yù)設(shè)比例將上述原料輸入制漿裝置，然后制漿裝置根據(jù)比例配送合適的用水量，然后邊攪拌邊濾除雜質(zhì)，制備出合格的理想漿液。漿液攪拌過濾裝置的作用為把調(diào)配好的不同濃度的漿液井下排渣過濾，在此過程中粒徑超過8 mm的顆粒物將被篩選并排出，以此來保證輸送管路不會(huì)因?yàn)榇笾睆筋w粒物阻塞或沉淀而發(fā)生阻塞現(xiàn)象。漿液輸送裝置可以把以上制備的理想粉煤灰膠體輸送至目標(biāo)地點(diǎn)。

圖1 MYZ系列灌漿注膠防滅火系統(tǒng)構(gòu)成框圖

使用方法及工藝流程如圖2所示。依據(jù)用漿量的濃度和設(shè)備流量計(jì)算好水的用量，氣動(dòng)設(shè)備，開啟給水開關(guān)；給水一定時(shí)間后，利用裝載機(jī)或其它方式將粉煤灰裝填入漿液制備裝置，制漿機(jī)中的定量配送裝置將按需求自動(dòng)調(diào)配粉煤灰用量，而后將粉煤灰均勻的送進(jìn)制漿攪拌裝置；水與粉煤灰等原料到制漿機(jī)后，會(huì)被制成濃度均勻的漿液，而后均勻的漿液流入過濾裝置；為了方便漿液在管路中的流動(dòng)與運(yùn)輸，在制漿機(jī)出口處連接有懸浮劑相關(guān)設(shè)備，初始漿液中大直徑的固體顆粒會(huì)在過濾裝置中被剔除出，而后理想漿液流入渣漿泵，輸送至井下預(yù)設(shè)位置，在預(yù)設(shè)位置處有“煤礦用注漿機(jī)”，該設(shè)備按設(shè)計(jì)比例向上部漿液中加入復(fù)合膠凝劑，粉煤灰膠體通過預(yù)設(shè)鉆孔被注入至采空區(qū)高溫異常區(qū)域或煤層火區(qū)。

圖2 灌漿注膠防滅火系統(tǒng)工藝示意圖

粉煤灰復(fù)合膠體漿液在壓力作用下通過裂隙緩慢移動(dòng)，到達(dá)目標(biāo)位置的很短時(shí)間內(nèi)將發(fā)生膠凝反應(yīng)(時(shí)間可調(diào)，一般約60 s左右)，膠凝反應(yīng)后漿液將轉(zhuǎn)化成外形似豆腐形狀的沒有流動(dòng)性的固體，失去部分水分后它完全喪失流動(dòng)特性。

2 焦煤集團(tuán)1930煤礦火區(qū)治理

2.1 治理思路及方法

治理思路：盡可能分析火源位置，并對(duì)已確定的火源進(jìn)行探明后滅火治理，對(duì)可能存在的火源進(jìn)行預(yù)防性治理。滅火技術(shù)采用粉煤灰復(fù)合膠體為主對(duì)采空區(qū)及火區(qū)進(jìn)行灌注，撲滅火源及封堵漏風(fēng)通道。本方案在實(shí)施過程中應(yīng)根據(jù)火區(qū)的實(shí)際情況做出詳細(xì)的施工方案，并對(duì)施工過程進(jìn)行指導(dǎo)。

治理方法：地面鉆探是在地面向采空區(qū)火區(qū)施工注膠鉆孔，并在相應(yīng)位置施工監(jiān)測(cè)鉆孔，對(duì)火區(qū)治理情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)。注膠充填是對(duì)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(duì)生產(chǎn)區(qū)域的危害。觀測(cè)是注膠效果通過地面鉆孔進(jìn)行互檢、監(jiān)測(cè)；采用鉆孔直接測(cè)溫法和氣體監(jiān)測(cè)法，監(jiān)測(cè)火區(qū)治理情況。

2.2 地面鉆探

鉆孔布置：根據(jù)火區(qū)情況，布置鉆孔如圖3所示。

圖3 采空區(qū)治理鉆孔布置方案

鉆孔工程量：根據(jù)治理需要，共需布置鉆孔約13個(gè)，成功鉆孔率應(yīng)高于80%，因此實(shí)際有可能需施工鉆孔15個(gè)，鉆孔平均深度約100 m，鉆孔總長(zhǎng)度約1 500 m。在地面建立制膠站，通過高壓泵站把粉煤灰膠體輸送至鉆孔注入井下。

鉆孔參數(shù)：鉆孔開孔位置設(shè)計(jì)中會(huì)有詳細(xì)座標(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(cè)溫、采樣時(shí)打開，不用時(shí)封閉。

鉆探施工：剝離工程是進(jìn)行火區(qū)鉆探施工的前提和基礎(chǔ)。在由西往東的總體施工順序指導(dǎo)原則下，鉆探施工工程亦遵從上述由西向東的開展順序，即在剝離整理好的地表由西往東逐步進(jìn)行高溫火區(qū)的鉆孔探測(cè)施工工程?；饏^(qū)鉆探施工工程除了上述由西往東的原則外，還遵循自南往北、由重至輕的原則。

在利用粉煤灰膠體處理煤層火區(qū)時(shí)，為使該技術(shù)工藝實(shí)現(xiàn)預(yù)設(shè)目標(biāo)，注漿鉆孔的布設(shè)方式為花眼形狀，注漿孔中孔位置應(yīng)在煤層高溫區(qū)域上部。為有效觀測(cè)采空區(qū)或煤層高溫區(qū)域的時(shí)空演變過程，根據(jù)采空區(qū)或煤層溫度場(chǎng)分布規(guī)律實(shí)施一定數(shù)量的觀測(cè)鉆孔。觀測(cè)鉆孔應(yīng)達(dá)到設(shè)計(jì)規(guī)定，以現(xiàn)場(chǎng)防滅火專家與鉆探專家共同驗(yàn)收合格為準(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1～2 m，觀測(cè)鉆孔的另一端安裝方便開啟與關(guān)閉的活動(dòng)開關(guān)，以便在抽氣和測(cè)溫時(shí)開啟，其余時(shí)間處于關(guān)閉狀態(tài)。

2.3 注膠

注膠量設(shè)計(jì)：充填廢棄巷道注膠量為6 m2(斷面)×200(巷道長(zhǎng)度)×2.0(充填系數(shù))=2 400 m3。充填冒落及采空區(qū)注膠量估計(jì)約20 000 m3。本次工程注膠總量約為22 400 m3；粉煤灰總量約為15 000 m3；水總量約為50 000 m3；膠凝劑約為25 t。

注膠配方設(shè)計(jì)：利用粉煤灰膠體處理煤自燃災(zāi)害時(shí)，若高溫區(qū)域所在的采空區(qū)面積較大時(shí)，應(yīng)合理調(diào)整注膠參數(shù)，在保證注膠效果的前提下，為節(jié)約成本，盡可能的降低膠體用量。注膠施工時(shí)，井上與井下需同時(shí)有注漿技術(shù)人員，對(duì)發(fā)生的異常情況及時(shí)做出調(diào)整，并對(duì)調(diào)整情況及時(shí)備案。①充填巷道注膠—水灰比=1～1.5∶1；膠凝劑添加量：0.1%；注膠時(shí)采用間斷注膠，即注一定時(shí)間(約3～4 h)便停一會(huì)(約1 h)，間斷注膠的目的是使膠體中的水分充分脫出，增大膠體的堆積率；②滅火注膠—水灰比=1～1.5∶1；膠凝劑添加量：0.3%。為了增加膠體在高溫區(qū)域中的漿液流動(dòng)性，增大漿液的有效覆蓋范圍，提高滅火效率，應(yīng)采用連續(xù)性大量灌漿；③冒落及采空充填注膠—水灰比=1∶1～1.5；膠凝劑添加量：0.1%。為了使膠體在采空區(qū)冒落區(qū)域的孔隙和裂隙中充分充填，采有的注漿方式為間歇式反復(fù)灌漿，即灌注1 h而后停歇0.5 h，依此循環(huán)往復(fù)，在達(dá)到膠體在孔隙或裂隙中充分充填的同時(shí)，滿足了停止灌漿后膠體中水分盡可能脫出的效果。

注膠施工工藝：水與粉煤灰等在定量輸送裝置的作用下被送入制漿裝置。制漿裝置將水與粉煤灰等原料充分?jǐn)嚢杈鶆颍{液中的大直徑顆粒排出。制成的合格漿液在渣漿泵的作用下進(jìn)入注漿管路送至井下，在達(dá)到用膠地點(diǎn)附近時(shí)，利用“井下移動(dòng)式礦用注膠機(jī)”按設(shè)計(jì)量添加如膠凝劑，而后加入膠凝劑的漿液被輸送至高溫火區(qū)。粉煤灰復(fù)合漿液到達(dá)采空區(qū)后很快發(fā)生膠凝作用，形成形如豆腐狀的不具有流動(dòng)性的固體，在壓力作用下通過孔隙或裂隙緩緩運(yùn)移，失去大部分水分后將完全喪失流動(dòng)性。

2.4 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)一氧化碳?xì)怏w濃度從999 ppm降至15 ppm以下，經(jīng)過半年多不間斷觀測(cè)，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)。

3 結(jié)論

(1)對(duì)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(duì)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)。