大南湖一礦采空區(qū)灌漿防滅火技術(shù)研究

路 寧

（國家能源集團(tuán)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(yán)重的問題，結(jié)合煤礦地質(zhì)條件、生產(chǎn)能力及地理優(yōu)勢等，進(jìn)行采空區(qū)灌漿防滅火系統(tǒng)設(shè)計(jì)。綜合考慮該礦煤電一體化產(chǎn)生的固廢粉煤灰處理問題，利用虹吸效應(yīng)達(dá)到漿體運(yùn)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(chǎn)過程中所產(chǎn)生的固廢粉煤灰坑口進(jìn)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(shí)現(xiàn)了固體廢棄物就地資源化利用。

1 技術(shù)原理

1.1 灌漿防滅火原理

在煤礦生產(chǎn)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(dá)到防火和滅火的目的，這種方法就叫作灌漿防滅火。實(shí)質(zhì)為抑制煤在低溫時(shí)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(xiàn)象是將液體充滿一根倒U 形的管狀結(jié)構(gòu)內(nèi)，將開口高的一端置于裝滿液體的容器中，在液體壓強(qiáng)和大氣壓強(qiáng)的作用下容器內(nèi)的液體會(huì)持續(xù)通過虹吸管向更低的位置流出，應(yīng)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(biāo)高+470 m，副井井口標(biāo)高+484.5 m，風(fēng)井井口標(biāo)高+490 m。井田內(nèi)富煤中心主要在15-25 線，可采煤層總厚可達(dá)100 m 以上，含煤系數(shù)達(dá)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(nèi)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(shí)際情況，以O(shè)2濃度為主要?jiǎng)澐种笜?biāo)，溫度為輔助劃分指標(biāo)，對采空區(qū)自燃“三帶”進(jìn)行劃分。具體劃分指標(biāo)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(jù)氣體濃度分析結(jié)果，對1305 工作面采空區(qū)自燃“三帶”分布范圍進(jìn)行劃分，結(jié)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(jì)算最小推進(jìn)度為1.35 m/d 即可保證工作面安全生產(chǎn)。

在最小推進(jìn)度的基礎(chǔ)上，為保證工作面的安全高效生產(chǎn)，防止采空區(qū)殘煤自燃及氧化放出大量CO 對工作面生產(chǎn)造成不良影響，決定采用灌漿防滅火方式進(jìn)行綜合治理。采用該礦附近火力發(fā)電廠生產(chǎn)過程中產(chǎn)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(xué)計(jì)算及注漿材料配比

現(xiàn)以水平線0-0 為基準(zhǔn)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(shù)，l 為管長，∑ζ 為局部損失系數(shù)之和。

因?yàn)閜1=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(jìn)一步確定系統(tǒng)的沿程阻力系數(shù)和局部阻力系數(shù)。

3.1 系統(tǒng)阻力系數(shù)的確定

（1）沿程阻力系數(shù)

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

式中：v 為運(yùn)動(dòng)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(dòng)有層流與紊流之分，當(dāng)雷諾數(shù)較小時(shí)，整個(gè)壁面都可能是層流附面層，隨著雷諾數(shù)的增大，附面層后部會(huì)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(shù)的確定

根據(jù)大南湖一礦的礦井設(shè)計(jì)及工作面巷道布置情況，初步設(shè)計(jì)灌漿管路經(jīng)由地面制漿站→風(fēng)井→井底車場→輔助運(yùn)輸大巷二→三中車場→1305 工作面回風(fēng)巷→采空區(qū)。管路共包含轉(zhuǎn)彎角度90°圓彎管5 處、135°1 處，圓彎管處局部阻力系數(shù)計(jì)算公式為：

根據(jù)（9）式可求得圓彎管處局部阻力系數(shù)之和ζ1為0.7，管路還經(jīng)過直三通ζ2取其經(jīng)驗(yàn)值2.7、分支管ζ3取0.5、進(jìn)出口ζe均取1，因此，系統(tǒng)局部阻力系數(shù)總和為

可求得局部阻力系數(shù)之和為5.9。

3.2 輸送過程流量的計(jì)算

由（7）、（8）、（9）、（10）式可知，沿程阻力系數(shù)λ 由雷諾數(shù)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(shù)λ 來確定。聯(lián)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(diǎn)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(dòng)力粘度，取6×10-6m2/s；∑ζ 為局部阻力系數(shù)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(gè)速度值代入（8）式，結(jié)果表明應(yīng)選用布拉修斯公式。求得速度υ=2.88 m/s，沿程阻力系數(shù)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(jì)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(jìn)口局部阻力系數(shù)，取1；ζb為轉(zhuǎn)彎局部阻力系數(shù)，取0.2；l1為最高處之前管路長度。

因?yàn)閜1=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。可知，虹吸式灌漿管路輸送方式可應(yīng)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(wù)目的、經(jīng)濟(jì)成本兩方面，優(yōu)選出經(jīng)濟(jì)成本低、采空區(qū)覆蓋性能良好、有利于預(yù)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(jīng)由刮板輸送機(jī)加入至膠體制備機(jī)，添加劑G 與添加劑S 經(jīng)由螺旋給料器按比例加入至膠體制備機(jī)。開啟供水閥送水，膠體制備機(jī)對固體物料進(jìn)行混合、打碎、攪拌。漿體通過膠體輸送管路加入濾漿機(jī)的漿料箱進(jìn)行二次過濾，分離石渣，分離的石渣從濾漿機(jī)末端的刮板順出渣槽刮出。漿體從濾漿機(jī)出漿口進(jìn)入制漿池，開啟供水閥與攪拌機(jī)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(xiàn)場工業(yè)性應(yīng)用

基于前期理論計(jì)算結(jié)果，設(shè)計(jì)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(gè)系統(tǒng)集成度高，從原材料輸送、漿體制備到漿體運(yùn)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(chǎn)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(jīng)由進(jìn)料口進(jìn)站，經(jīng)由傳輸帶輸送到進(jìn)料倉，隨后進(jìn)料倉皮帶輸送到漿體制備機(jī)中按照配比制備粉煤灰基灌漿材料初漿。制備好的初漿經(jīng)濾漿機(jī)過濾掉粗雜顆粒，以保證漿體在管道中的流動(dòng)性，隨后進(jìn)入儲(chǔ)料池中加入添加劑進(jìn)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(jìn)行灌漿工業(yè)性試驗(yàn)，試驗(yàn)所用灌漿管路布置如圖4 所示。整個(gè)灌漿過程充分利用該礦的地理特點(diǎn)，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(diǎn)。由于地形的限制，從制漿站到風(fēng)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(shí)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(shí)關(guān)閉渣漿泵，整個(gè)灌漿系統(tǒng)開始利用地表到井底高程差所產(chǎn)生的虹吸現(xiàn)象進(jìn)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(dòng)力輸送轉(zhuǎn)變?yōu)楹笃诔掷m(xù)的虹吸式輸送。經(jīng)過現(xiàn)場工業(yè)性試驗(yàn)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(dòng)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(chǎn)生自燃及低溫氧化的現(xiàn)象，能夠有效保障1305 工作面的安全高效生產(chǎn)。

5 結(jié) 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(jié)合大南湖一礦地質(zhì)條件及現(xiàn)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(jì)算及現(xiàn)場工業(yè)性試驗(yàn)得出以下結(jié)論：

（1）虹吸效應(yīng)可以成功地應(yīng)用于礦井灌漿防滅火工藝中的漿體輸送方面，通過理論計(jì)算漿體輸送時(shí)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(xiàn)場工業(yè)性試驗(yàn)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(chǎn)。