大南湖一礦采空區(qū)灌漿防滅火技術研究

路 寧

（國家能源集團新疆哈密煤電公司大南湖一礦，新疆 哈密 839000）

針對大南湖一礦開采所面臨的采空區(qū)殘煤低溫氧化嚴重的問題，結合煤礦地質條件、生產能力及地理優(yōu)勢等，進行采空區(qū)灌漿防滅火系統(tǒng)設計。綜合考慮該礦煤電一體化產生的固廢粉煤灰處理問題，利用虹吸效應達到漿體運輸過程中的節(jié)能減排。對西北地區(qū)煤電一體化的燃煤電廠生產過程中所產生的固廢粉煤灰坑口進行綜合利用，有效地解決了其對脆弱戈壁灘生態(tài)環(huán)境所造成的潛在環(huán)境污染威脅，從源頭上實現了固體廢棄物就地資源化利用。

1 技術原理

1.1 灌漿防滅火原理

在煤礦生產中把黏土、粉碎的頁巖、電廠飛灰的固體材料與水混合、攪拌，配制成一定濃度的漿液，借助輸漿管路注入或噴灑在采空區(qū)里，達到防火和滅火的目的，這種方法就叫作灌漿防滅火。實質為抑制煤在低溫時的氧化速度，延長自然發(fā)火期。

1.2 虹吸式漿體輸送原理

虹吸現象是將液體充滿一根倒U 形的管狀結構內，將開口高的一端置于裝滿液體的容器中，在液體壓強和大氣壓強的作用下容器內的液體會持續(xù)通過虹吸管向更低的位置流出，應用于管道漿體輸送中。原理如圖1 所示。

圖1 虹吸式漿體輸送原理圖

2 工程概況

該礦海拔高度420～550 m，相對高差一般30～50 m。大南湖一號礦井主井井口標高+470 m，副井井口標高+484.5 m，風井井口標高+490 m。井田內富煤中心主要在15-25 線，可采煤層總厚可達100 m 以上，含煤系數達20%～25%。井田先期開采地段正位于本區(qū)間中部，北起17-3 孔至25-1 孔連線，南止17-1 孔至25-2 孔連線，面積為8 km2。17線以西，因有火燒區(qū)破壞和小煤礦影響，造成較多煤炭資源的損失。井田內19-5 至25-6 孔一線及其北部第二煤層群以上煤層大部被沖刷，25 線以東除25 煤層仍保持巨厚煤層厚度外，大部分煤層變薄，條件變差。

針對該礦1305 工作面采空區(qū)束管監(jiān)測的實際情況，以O2濃度為主要劃分指標，溫度為輔助劃分指標，對采空區(qū)自燃“三帶”進行劃分。具體劃分指標如下：

（1）散熱帶：O2≥15%或ΔT＜1 ℃；

（2）氧化帶：15%＞O2≥5%或ΔT ≥1 ℃；

（3）窒熄帶：O2＜5%。

根據氣體濃度分析結果，對1305 工作面采空區(qū)自燃“三帶”分布范圍進行劃分，結果如圖2 所示。

圖2 1305 工作面采空區(qū)自燃“三帶”分布范圍

上順槽氧化帶寬度為27 m，下順槽氧化帶寬度為50 m，下順槽氧化帶寬度即為采空區(qū)自燃“三帶”最大寬度。1305 工作面最短自然發(fā)火期37 d，按此計算最小推進度為1.35 m/d 即可保證工作面安全生產。

在最小推進度的基礎上，為保證工作面的安全高效生產，防止采空區(qū)殘煤自燃及氧化放出大量CO 對工作面生產造成不良影響，決定采用灌漿防滅火方式進行綜合治理。采用該礦附近火力發(fā)電廠生產過程中產生的固廢粉煤灰作為灌漿材料的主要原材料，配合其他添加劑制成超高摻量粉煤灰基灌漿材料。

3 管路流體力學計算及注漿材料配比

現以水平線0-0 為基準線，列出圖1 中1-1、2-2斷面的能量方程：

其中：λ 為沿程阻力系數，l 為管長，∑ζ 為局部損失系數之和。

因為p1=p2=pa，v1=v2=0，所以虹吸管系統(tǒng)流量為：

所以虹吸管系統(tǒng)的速度公式為：

由虹吸管系統(tǒng)流量和速度公式可知，為求解系統(tǒng)中漿液的輸送速度及流量，還需進一步確定系統(tǒng)的沿程阻力系數和局部阻力系數。

3.1 系統(tǒng)阻力系數的確定

（1）沿程阻力系數

沿程阻力與壁面相對粗糙度Δ/d 和雷諾數Re的變化有一定關系。雷諾數是判斷流體流態(tài)的標準，是與流體黏度μ、密度ρ、管徑d 和速度υ 有關的綜合無量綱參數，且

式中：v 為運動粘度。

尼古拉茨光滑管公式（適用于Re=105～3×106）

附面層可理解為附著在管壁上的流體，其厚度為與管壁相對速度由0 到0.99υ 的流體距管道法線上的距離，用δ 表示。附面層的流動有層流與紊流之分，當雷諾數較小時，整個壁面都可能是層流附面層，隨著雷諾數的增大，附面層后部會變成紊流，在紊流附面層緊鄰壁面處，仍有極薄的層流層，稱為層流底層。

（2）局部阻力系數的確定

根據大南湖一礦的礦井設計及工作面巷道布置情況，初步設計灌漿管路經由地面制漿站→風井→井底車場→輔助運輸大巷二→三中車場→1305 工作面回風巷→采空區(qū)。管路共包含轉彎角度90°圓彎管5 處、135°1 處，圓彎管處局部阻力系數計算公式為：

根據（9）式可求得圓彎管處局部阻力系數之和ζ1為0.7，管路還經過直三通ζ2取其經驗值2.7、分支管ζ3取0.5、進出口ζe均取1，因此，系統(tǒng)局部阻力系數總和為

可求得局部阻力系數之和為5.9。

3.2 輸送過程流量的計算

由（7）、（8）、（9）、（10）式可知，沿程阻力系數λ 由雷諾數Re確定，因此需要知道速度v 的值。而速度的值v 又需要沿程阻力系數λ 來確定。聯立（7）、（8）、（9）式或（7）、（8）、（10）式得

式中：l 為灌漿管道總長度，取3550 m；d 為灌漿鍍鋅鋼管管徑，取0.105 m；H 為地表→灌漿點高差，取304 m；ρ 為超高摻量粉煤灰基灌漿材料密度，取 1 603.7 kg/m3；v 為灌漿材料動力粘度，取6×10-6m2/s；∑ζ 為局部阻力系數之和，為5.9。

由于該工程選用普通鍍鋅鋼管，粗糙度△取0.35 mm，分別將所得的兩個速度值代入（8）式，結果表明應選用布拉修斯公式。求得速度υ=2.88 m/s，沿程阻力系數λ=0.021 1，再由（6）式可求得系統(tǒng)流量Q = 89.67 m3/h。

3.3 漿體輸送可行性分析

為計算最大真空高度，在1-1 斷面與虹吸管最高處截面C-C 間列能量方程：

式中：ζe為進口局部阻力系數，取1；ζb為轉彎局部阻力系數，取0.2；l1為最高處之前管路長度。

因為p1=pa，v=0，代入（2）式，得

式中：ZC-Z1取1 m。

由于理論真空高度小于最大允許值，可有效避免溶解于漿液中的空氣釋放出來造成氣塞，破壞漿液輸送?？芍缥焦酀{管路輸送方式可應用于大南湖一礦采空區(qū)灌漿防滅火工作之中。

3.4 粉煤灰灌漿材料制備

綜合考慮采空區(qū)灌漿任務目的、經濟成本兩方面，優(yōu)選出經濟成本低、采空區(qū)覆蓋性能良好、有利于預防采空區(qū)遺煤自燃的粉煤灰灌漿材料配比，供大南湖一礦礦方開展采空區(qū)灌漿工作。粉煤灰與生石灰的量作為總量1，水、添加劑G、添加劑S相對總量分別為0.45、0.05、0.01。粉煤灰灌漿材料配比見表1。

表1 粉煤灰灌漿材料配比

漿體制備：粉煤灰、生石灰分別經由刮板輸送機加入至膠體制備機，添加劑G 與添加劑S 經由螺旋給料器按比例加入至膠體制備機。開啟供水閥送水，膠體制備機對固體物料進行混合、打碎、攪拌。漿體通過膠體輸送管路加入濾漿機的漿料箱進行二次過濾，分離石渣，分離的石渣從濾漿機末端的刮板順出渣槽刮出。漿體從濾漿機出漿口進入制漿池，開啟供水閥與攪拌機充分混合攪拌漿體，并通過濃度傳感器監(jiān)測漿體濃度。

4 現場工業(yè)性應用

基于前期理論計算結果，設計并建立了大南湖一礦粉煤灰基灌漿材料采空區(qū)灌漿防滅火系統(tǒng)。整個系統(tǒng)集成度高，從原材料輸送、漿體制備到漿體運輸都由電腦集中控制。

圖3 大南湖一礦采空區(qū)灌漿材料制備流程

該系統(tǒng)主要采用大南湖附近的神華電廠所生產的粉煤灰作為原材料，輔以其他添加劑制備出粉煤灰基灌漿材料。粉煤灰基灌漿材料的主要制備過程如圖3 所示。粉煤灰經由進料口進站，經由傳輸帶輸送到進料倉，隨后進料倉皮帶輸送到漿體制備機中按照配比制備粉煤灰基灌漿材料初漿。制備好的初漿經濾漿機過濾掉粗雜顆粒，以保證漿體在管道中的流動性，隨后進入儲料池中加入添加劑進行攪拌，完成終漿的制備。

選取大南湖一礦1305 工作面采空區(qū)進行灌漿工業(yè)性試驗，試驗所用灌漿管路布置如圖4 所示。整個灌漿過程充分利用該礦的地理特點，采用虹吸式自流輸送方式將漿體從地表制漿站到井下灌漿地點。由于地形的限制，從制漿站到風井口有一段15 m 左右高差，因此在制漿站配備一臺大功率渣漿泵用于灌漿作業(yè)初始時候克服該段高差。開泵3 min左右，漿體大致充滿地面至井底管路，此時關閉渣漿泵，整個灌漿系統(tǒng)開始利用地表到井底高程差所產生的虹吸現象進行持續(xù)漿體輸送。

粉煤灰基采空區(qū)灌漿材料在地面制漿站配制完成之后，從渣漿泵的初期動力輸送轉變?yōu)楹笃诔掷m(xù)的虹吸式輸送。經過現場工業(yè)性試驗證明，地面制漿站的漿體能夠順利地通過該套管路系統(tǒng)輸送到1305 工作面采空區(qū)?；鹆﹄姀S的固廢粉煤灰制備的灌漿材料流動性能較好，能夠較好地覆蓋采空區(qū)殘煤，阻止殘煤與空氣接觸產生自燃及低溫氧化的現象，能夠有效保障1305 工作面的安全高效生產。

5 結 論

針對大南湖一礦粉煤灰采空區(qū)殘煤自燃及低溫氧化問題，結合大南湖一礦地質條件及現場工況，提出大南湖一礦粉煤灰基灌漿材料采空區(qū)灌漿防滅火工藝。通過理論計算及現場工業(yè)性試驗得出以下結論：

（1）虹吸效應可以成功地應用于礦井灌漿防滅火工藝中的漿體輸送方面，通過理論計算漿體輸送時理論真空高度小于最大允許值，可有效避免溶解于漿液中的空氣釋放出來造成氣塞，破壞漿液輸送。

（2）通過現場工業(yè)性試驗證明，粉煤灰基灌漿材料采空區(qū)灌漿防滅火工藝可以有效地緩解采空區(qū)中殘煤自燃及低溫氧化所帶來的問題，保障了1305 工作面的安全高效生產。