改良型復(fù)合漿液在地表渣臺(tái)火區(qū)的應(yīng)用

王 剛

（1.遼寧工程技術(shù)大學(xué)，遼寧 阜新123000；2.煤科集團(tuán)沈陽(yáng)研究院有限公司，遼寧 撫順113122；3.煤礦安全技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 撫順113122）

黑岱溝露天煤礦位于內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市準(zhǔn)格爾旗格爾煤田北部中間位置，常年氣候干燥、煤炭自然發(fā)火嚴(yán)重，為回收黑岱溝露天礦首采區(qū)邊幫6#煤層，計(jì)劃布置南幫S01 工作面和西幫W01 2個(gè)井工生產(chǎn)工作面。首采區(qū)西邊幫壓煤區(qū)由西邊幫、南幫煤層底板境界線和礦權(quán)界線包圍形成，其形態(tài)呈“L”型狹長(zhǎng)條帶，S01 工作面一側(cè)煤壁裸露于露天礦預(yù)留坑內(nèi)，工作面采用“L”型布置方式且主運(yùn)巷和輔運(yùn)巷斷面形狀均為矩形，凈寬5.5 m，凈高3.6 m，采用錨網(wǎng)索支護(hù)方式。由于南幫S01 工作面上部在原始露天開采過(guò)程中經(jīng)過(guò)回填處理，回填面積大且松散回填體中含有煤矸石及部分遺留煤塊，松散回填體中的遺煤在漏風(fēng)供氧條件下緩慢發(fā)生氧化導(dǎo)致蓄熱自燃，故南幫S01 工作面上覆松散體火區(qū)對(duì)工作面安全回采構(gòu)成威脅。針對(duì)上述松散體火區(qū)實(shí)際狀況，應(yīng)考慮對(duì)注入松散體的傳統(tǒng)黃泥漿特性進(jìn)行改良，引入陰離子表面活性劑[1]減小固液接觸角、表面張力使其具有良好的動(dòng)力特性以及潤(rùn)濕性[2]和起泡性以達(dá)到有效治理火區(qū)的目的。目前國(guó)內(nèi)缺少針對(duì)注漿防滅火特性的研究，但業(yè)內(nèi)比較有代表性的有中國(guó)礦業(yè)大學(xué)的三相泡沫防滅火技術(shù)和中國(guó)煤炭科工集團(tuán)重慶研究院有限公司研究的高倍數(shù)泡沫防滅火技術(shù)，兩者都是基于漿液為載體進(jìn)行的，以此達(dá)到取得穩(wěn)定性強(qiáng)、保濕性、隔氧性強(qiáng)的泡沫。受此啟發(fā)，由于傳統(tǒng)的黃泥漿滅火技術(shù)保濕性、隔氧和漿液流動(dòng)性差且漿液不能大面積覆蓋火區(qū)，故針對(duì)傳統(tǒng)漿液的暴露的缺點(diǎn)有針對(duì)性進(jìn)行改良使其改良后的復(fù)合漿液具有良好的潤(rùn)濕性，其降溫、隔氧效果好，加之其在微小的裂隙中具有良好的流動(dòng)特性，可以將復(fù)合漿液帶入松散體內(nèi)部各微小裂隙處，并在高溫表面形成持續(xù)潤(rùn)濕，起到隔氧降溫的作用，從而提高大面積火區(qū)的應(yīng)用性。

1 工程概況

1.1 南幫S01 工作面上覆松散體火區(qū)范圍

南幫S01 工作面呈條狀分布，走向長(zhǎng)約900 m，最寬處約150 m。其上覆松散體北側(cè)為露天剝離坑，為露天狀態(tài)，南側(cè)為部分剝挖回填區(qū)及部分原始山體。松散體火區(qū)與下覆工作面垂直距離最近約50 m。由于距離較近，初步考慮切眼與探測(cè)的高溫區(qū)域之間留有一段安全隔離煤柱，使得火區(qū)內(nèi)明火在煤層開采后不會(huì)直接進(jìn)入到S01 工作面。為防止工作面開采后上覆松散體產(chǎn)生的有毒有害氣體在負(fù)壓通風(fēng)的作用下通過(guò)發(fā)育的微小裂隙到達(dá)井下工作面，利用紅外熱像儀初步對(duì)火區(qū)范圍進(jìn)行勘察來(lái)確定火區(qū)范圍，最后在集中的高溫區(qū)域注入改良后的黃泥漿液來(lái)達(dá)到火區(qū)治理的目的。S01 工作面上覆松散體高溫區(qū)域圈定范圍面積分布情況如圖1。

圖1 火區(qū)面積范圍Fig.1 Fire area

1.2 南幫S01 工作面上覆松散體高溫區(qū)域

通過(guò)設(shè)計(jì)的松散體高溫區(qū)域鉆孔，結(jié)合鉆孔內(nèi)氣體取樣測(cè)定結(jié)果和測(cè)溫結(jié)果可知，鉆孔內(nèi)CO 氣體濃度在10×10-6左右，且溫度保持在50～60 ℃左右水平，并無(wú)C2H4、C2H2等有害氣體產(chǎn)生，且鉆孔內(nèi)氧氣濃度相對(duì)較低。分析可能原因是地表松散體內(nèi)遺煤在微裂隙通道的漏風(fēng)供氧狀態(tài)下氧化產(chǎn)生低濃度有害氣體，整個(gè)松散體高溫區(qū)域風(fēng)量、熱量交換處于動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)。如果松散體裂隙進(jìn)一步發(fā)育則會(huì)導(dǎo)致整個(gè)高溫區(qū)域松散體遺煤處于加速氧化階段，進(jìn)而導(dǎo)致完全自燃。所以，在松散體遺煤尚未達(dá)到加速氧化狀態(tài)前應(yīng)對(duì)工作面上覆高溫區(qū)域進(jìn)行針對(duì)性治理，以消除回采過(guò)程中對(duì)人員造成的威脅。針對(duì)渣臺(tái)火區(qū)的治理，普通的注漿、注水等防滅火措施對(duì)高溫區(qū)域的治理雖然有效果，但溫度容易反彈到較高水平，需對(duì)鉆孔不斷進(jìn)行注水注漿，且水、漿液容易沿著固定路徑流動(dòng)導(dǎo)致防滅火效果并不十分理想。因此，對(duì)傳統(tǒng)的黃泥漿進(jìn)行性能改良，使其具有良好的動(dòng)力學(xué)特性及黏附潤(rùn)濕性來(lái)達(dá)到快速治理火區(qū)的效果。

2 實(shí)驗(yàn)部分

主要原料為十二烷基苯磺酸鈉（0.2%），聚丙烯酰胺（PAM）MW1000 萬(wàn)陰離子，氣泡劑A，添加劑B，聚丙二醇（PPG-2000），黃土，水等。主要儀器為精密電子分析天平、量筒、ZNN-D12 高精度數(shù)字黏度計(jì)、S312 攪拌器、計(jì)時(shí)器、水滴角測(cè)試儀、SITA 表面張力儀等。根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要，分別將黃泥漿溶液制成單一的黃土、水混合型普通漿液和添加實(shí)驗(yàn)試劑的改良型復(fù)合型漿液。實(shí)驗(yàn)過(guò)程將環(huán)境溫度控制恒定，當(dāng)S312 攪拌器處于某一轉(zhuǎn)速時(shí)，使用ZNN-D12高精度數(shù)字黏度計(jì)測(cè)量出2 種復(fù)合漿液的黏度[3]。各取1 000 mL 體積上述漿液置于密閉量筒中觀察漿液泡沫的半衰期[4]并用計(jì)時(shí)器記錄下來(lái)，以泡沫體積來(lái)表征復(fù)合漿液的起泡性能。最后運(yùn)用水滴角測(cè)試儀和SITA 表面張力儀對(duì)所配復(fù)合漿液進(jìn)行實(shí)驗(yàn)參數(shù)測(cè)定，找出某一配比下復(fù)合漿液具有的最佳起泡性、毛細(xì)動(dòng)力特性、鋪展及黏附潤(rùn)濕性。

2.1 十二烷基硫酸鈉量對(duì)漿液起泡性能的影響

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中在一定范圍內(nèi)隨著十二烷基苯磺鈉濃度的增加，復(fù)合漿液的起泡能力、半衰期隨之增加，超出某一值后會(huì)抑制漿液起泡能力。分析可能是高能濃度配比下使得泡沫的穩(wěn)定性變差、導(dǎo)致泡沫析出加快，十二烷基苯磺酸鈉用量與泡沫起泡能力關(guān)系如圖2。整體而言，在一定濃度范圍內(nèi)，泡沫的半衰期與起泡能力均與十二烷基苯磺鈉濃度呈正比例關(guān)系，過(guò)量后呈抑制下降趨勢(shì)，不同十二烷基苯磺酸鈉與泡沫半衰期關(guān)系如圖3。

圖2 十二烷基苯磺酸鈉用量與泡沫起泡能力關(guān)系Fig.2 The relationship between the amount of sodium dodecyl benzene sulfonate and foam foaming ability

圖3 不同十二烷基苯磺酸鈉與泡沫半衰期關(guān)系Fig.3 The relationship between different sodium dodecyl benzene sulfonate and foam half-life

2.2 聚丙烯酰胺（PAM）量對(duì)漿液的起泡能力的影響

由于聚丙烯酰胺（PAM）加入復(fù)合漿液后會(huì)減少漿液內(nèi)部的分子摩擦阻力[5]，在一定范圍內(nèi)漿液的起泡性能隨著內(nèi)部摩擦力變小有所提高，同時(shí)復(fù)合漿液的內(nèi)部摩擦力減小后使得其在微小裂隙的毛細(xì)動(dòng)力現(xiàn)象更突出，可以使溶液極大化充填微小松散體裂隙。值得指出的是漿液的起泡性能隨著聚丙烯酰胺的高濃度存在其發(fā)泡效果并不突出，超出某范圍后其抑制效果表現(xiàn)更明顯。分析原因可能是高濃度的聚丙烯酰胺溶于水后形成凝膠物質(zhì)[6]阻礙漿液的發(fā)泡性所致，因此考慮在添加聚丙酰胺時(shí)應(yīng)控制好其合理的濃度范圍。

2.3 復(fù)合漿液的表面張力及接觸角特性

由于液體具有毛細(xì)動(dòng)力現(xiàn)象，液體在微小管內(nèi)液面上升的高度h 符合下式：

式中：δ 為表面張力系數(shù)，N/m；θ 為液面與管壁接觸角，度；R 為細(xì)管半徑，m；ρ 為液體密度，kg/m3；g 為重力加速度，m/s2。

通過(guò)式（1）可知實(shí)驗(yàn)用復(fù)合漿液應(yīng)減小固液接觸角、增大表面張力，使得溶液的毛細(xì)動(dòng)力現(xiàn)象更明顯、液面上升高度最大化，在工程運(yùn)用過(guò)程中復(fù)合漿液能夠通過(guò)微小裂隙對(duì)區(qū)域進(jìn)行高低位立體潤(rùn)濕覆蓋[7]，最優(yōu)化達(dá)到治理高溫效果。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中取所配復(fù)合漿液和普通溶液置于觀察臺(tái)，用注射器（外徑0.5 mm）取2 種溶液并靠重力作用緩緩自然地滴落在放有煤體的玻璃片上使其形成水滴泡，再利用水滴角測(cè)試儀及SITA 表面張力儀分別對(duì)液滴的接觸角、表面張力進(jìn)行測(cè)定[8]。水滴角測(cè)試儀法是將儀器插上電源后打開電腦，雙擊桌面上的應(yīng)用程序進(jìn)入主界面，接著點(diǎn)擊界面上的活動(dòng)圖象按鈕可以看到攝像頭拍攝的觀察臺(tái)上的圖象。將微量注射器固定在觀察臺(tái)上方，根據(jù)距離適當(dāng)調(diào)整攝像頭焦距（測(cè)小液滴接觸角時(shí)通常調(diào)到2～2.5倍），最后用注射器壓出液體。SITA 表面張力儀是運(yùn)用氣泡壓力法原理對(duì)復(fù)合漿液的表面張力進(jìn)行測(cè)定[9]。室溫條件下，普通黃泥漿液與煤體實(shí)驗(yàn)條件下接觸角如圖4，改良黃泥漿液與煤體實(shí)驗(yàn)條件下接觸角如圖5，實(shí)驗(yàn)條件下2 種不同濃度漿液的表面張力如圖6。

圖4 普通黃泥漿液與煤體實(shí)驗(yàn)條件下接觸角Fig.4 The contact angle between ordinary yellow mud slurry and coal body under experimental conditions

通過(guò)實(shí)驗(yàn)可知，經(jīng)改良后的復(fù)合漿液其固液接觸角較傳統(tǒng)型黃泥漿有大幅降低，表面張力有所提高，其黏附、鋪展?jié)櫇衲芰σ嘞鄳?yīng)較強(qiáng)[10]，傳統(tǒng)黃泥漿液滴低落在煤體上會(huì)有滾動(dòng)等疏水特征，改良后的漿液則黏附潤(rùn)濕能力更強(qiáng)，相同實(shí)驗(yàn)條件下改良后的復(fù)合漿液毛細(xì)動(dòng)力現(xiàn)象也更為明顯[11]。值得注意的是，復(fù)合漿液的毛細(xì)動(dòng)力現(xiàn)象并非與固液接觸角呈明顯線性相關(guān)性，在同等實(shí)驗(yàn)條件下其更易受到表面張力影響。由于煤體表面具有不均勻性，對(duì)接觸角及表面張力的測(cè)定會(huì)有誤差，故應(yīng)多測(cè)定幾次取其平均值。

圖5 改良黃泥漿液與煤體實(shí)驗(yàn)條件下接觸角Fig.5 The contact angle between the modified yellow mud slurry and coal body

圖6 實(shí)驗(yàn)條件下2 種不同濃度漿液的表面張力Fig.6 Surface tension of two different concentrations of slurry under experimental conditions

2.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

1）在一定濃度范圍內(nèi)，添加具有發(fā)泡特性的陰離子表面活性劑的黃泥漿液能夠大幅提高發(fā)泡能力，且泡沫的半衰期較持久。

2）實(shí)驗(yàn)過(guò)程中方發(fā)現(xiàn)添加劑的使用量與產(chǎn)生的效果并非呈線性相關(guān)，在一定劑量?jī)?nèi)能夠起到優(yōu)化漿液效果的作用，比如增強(qiáng)漿液發(fā)泡性、泡沫具有持久性、漿液黏度適中等等。當(dāng)使用量超出某一定值后反而抑制其發(fā)泡效果，導(dǎo)致堆積的泡沫不穩(wěn)定且連續(xù)產(chǎn)生的氣泡帶來(lái)的內(nèi)生動(dòng)力會(huì)沖擊上覆氣泡導(dǎo)致泡沫液膜破裂。

3）改良后的漿液其內(nèi)部分子摩擦力有所減小、溶液黏度保持合理，其發(fā)泡性能和氣泡的穩(wěn)定性得到提高，同時(shí)改良后的漿液其接觸角和表面張力改變后使得漿液具有更強(qiáng)的毛細(xì)動(dòng)力特征和潤(rùn)濕特性，能夠大幅度充填微小裂隙。

3 工程實(shí)踐

3.1 南幫S01 工作面上覆松散體火區(qū)治理

S01 工作面上覆松散體火區(qū)計(jì)劃通過(guò)施工的密集地表鉆孔壓注改良后的復(fù)合漿液，單孔每天壓注量為300 L，治理后在很短的時(shí)間內(nèi)火區(qū)溫度較之前鉆孔孔口測(cè)溫結(jié)果相比呈明顯下降趨勢(shì)，防滅火效果顯著。因?yàn)榻?jīng)改良的復(fù)合漿液不同于單一黃泥漿，其具有更強(qiáng)的流動(dòng)特性，毛細(xì)動(dòng)力特性得到大幅提到，能夠快速沿地表微小裂隙滲透至深部，且在下部能夠黏附潤(rùn)濕高溫煤體。不僅能起到填充、封堵、隔氧作用還具有保濕性，在短時(shí)間內(nèi)使地表高溫區(qū)域得到有效控制。

3.2 南幫S01 工作面上覆松散體火區(qū)治理效果

工作面上覆松散體經(jīng)初次壓注復(fù)合漿液治理后鉆孔內(nèi)溫度有顯著下降趨勢(shì)，孔內(nèi)基本無(wú)CO 氣體等火災(zāi)標(biāo)志性氣體，治理前1#鉆孔孔口溫度變化如圖7，治理后1#鉆孔孔口溫度變化如圖8。

圖7 治理前1#鉆孔孔口溫度曲線圖Fig.7 Temperature curve of 1# borehole before treatment

圖8 治理后1#鉆孔孔口溫度曲線圖Fig.8 Temperature curve of 1# borehole after treatment

4 結(jié) 語(yǔ)

1）相比于普通注水、灌漿等防滅火措施，松散體高溫區(qū)壓注復(fù)合漿液治理后短時(shí)間內(nèi)使得松散體微小裂隙被漿液充填、漏風(fēng)減少、高溫煤體被漿液所潤(rùn)濕、溫度大幅降低，說(shuō)明復(fù)合漿液發(fā)泡性能、堆積性、潤(rùn)濕性及毛細(xì)動(dòng)力特性在隔氧、堵漏、潤(rùn)濕降溫方面表現(xiàn)比傳統(tǒng)黃泥漿要好。

2）實(shí)施復(fù)合漿液后松散體溫度迅速得到有效控制，在短期內(nèi)未發(fā)現(xiàn)反彈跡象，但在實(shí)際壓注運(yùn)用過(guò)程中其流動(dòng)性沒(méi)有水好，對(duì)黃泥的粒度要求較高，全面推廣仍有局限性。

3）松散體內(nèi)煤體表面微小接觸復(fù)合漿液后在毛細(xì)動(dòng)力作用下能迅速形成含水的液膜并鋪展開來(lái)，起到隔氧氣、潤(rùn)濕、降溫作用。

4）能否以泡沫為載體同時(shí)利用毛細(xì)動(dòng)力現(xiàn)象將下部液體傳遞至孔隙深處尚不清楚，仍有待研究。