候村煤礦粉煤灰灌漿防滅火技術(shù)應(yīng)用

張利軍

（沁和能源集團(tuán)有限公司候村煤礦，山西 晉城 048000）

為解決沁和能源集團(tuán)煤化工基地粉煤灰排放問題，提出將粉煤灰充填到井下，使用粉煤灰替代黃土制成粉煤灰漿液，用于防滅火灌漿使用[1-6]。經(jīng)試驗(yàn)應(yīng)用取得了較好的防滅火效果。

1 工程概況

沁和能源集團(tuán)有限公司候村煤礦位于山西省晉城市沁水縣鄭村鎮(zhèn)候村，主要開采 3～15 號煤層，井田面積12.179 5 km2，設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力120 萬t/a。候村煤礦3605 綜采工作面位于二采區(qū)南翼，主要開采15 號煤層，埋深284～386 m，工作面傾向長256 m，走向長1185 m，平均采高2.7 m，已回采440 m。采用傾斜長壁、綜合機(jī)械化、一次采全高、全部垮落法處理采空區(qū)頂板的采煤工藝。工作面上隅角CO 平均濃度7×10-5，回風(fēng)巷回風(fēng)流CO 平均濃度6×10-6。

候村煤礦15 煤層為容易自燃煤層，最短自然發(fā)火期35 d。3605 綜采工作面回采作業(yè)時(shí)，初采初放結(jié)束后老頂垮落，破碎煤柱氧化聚熱自燃，產(chǎn)生大量的CO 氣體，CO 氣體從15 煤層采空區(qū)涌出后造成本煤層3605 綜采工作面上隅角CO 平均濃度達(dá)到7×10-5，CO 濃度超限。為有效防止采空區(qū)內(nèi)浮煤、破碎煤柱因氧化自燃問題導(dǎo)致影響15 煤層的正?；夭?，向15煤層采空區(qū)進(jìn)行連續(xù)性注氮和大量灌漿，有效地控制采空區(qū)內(nèi)浮煤、破碎煤柱氧化速度，確保本煤層3605 綜采工作面安全回采。

2 粉煤灰灌漿工藝

粉煤灰是燃煤電廠排出的主要固體廢棄物，是從煤燃燒后的煙氣中收捕下來的細(xì)灰，主要成分為SiO2、Al2O3、FeO、Fe2O3、CaO、TO2等。

采用粉煤灰（取代黃土）、水、工業(yè)鹽、懸浮劑和膠凝劑按相應(yīng)配比制成粉煤灰漿液，并通過礦井防滅火系統(tǒng)將粉煤灰漿液輸送至井下防滅火工作面，達(dá)到吸收熱量、填補(bǔ)煤巖裂隙、阻斷氧氣通道、實(shí)現(xiàn)防滅火的目的。

3 粉煤灰灌漿防滅火技術(shù)的設(shè)計(jì)

3.1 高溫煤體試驗(yàn)研究

為掌握粉煤灰漿液防滅火的使用效果，采用粉煤灰漿液和黃土漿液進(jìn)行高溫煤體對比試驗(yàn)。分別使用水土比為7:1 的黃土漿液和水灰比為5:1 的粉煤灰漿液處理相同質(zhì)量的高溫煤體。在實(shí)驗(yàn)開始時(shí)記錄1～2 次高溫煤體的溫度，之后每天記錄2～3 次溫度，當(dāng)煤體溫度不再變化時(shí)停止記錄。實(shí)驗(yàn)過程及溫度記錄如表1 和圖1。

表1 高溫煤體表面溫度（℃）與時(shí)間數(shù)據(jù)記錄表

圖1 高溫煤體表面溫度（℃）與時(shí)間變化曲線圖

從圖1 數(shù)據(jù)可知，在黃土漿液和粉煤灰漿液的作用下，煤體溫度均出現(xiàn)大幅度下降，兩者下降幅度幾乎重合，充分說明黃土漿液和粉煤灰漿液對煤體的降溫效果幾乎相同，都較為理想，相對來講粉煤灰漿液降溫速度緩慢于黃土漿液。

打開實(shí)驗(yàn)煤樣隔溫膜，觀察粉煤灰漿液和黃土漿液對煤塊的包裹效果，發(fā)現(xiàn)粉煤灰漿液和黃土漿液均能夠?qū)崿F(xiàn)對煤樣的包裹，粉煤灰在井下采空區(qū)使用時(shí)能夠起到隔絕氧氣的作用。

隔絕氧氣和降溫是消滅井下采空區(qū)高溫點(diǎn)的重要手段，分別從隔絕氧氣和降低煤溫兩個(gè)角度對粉煤灰漿液和黃土漿液滅火效果進(jìn)行了評估。粉煤灰漿液的滅火效果和黃土灌漿的滅火效果幾乎相同，而且經(jīng)濟(jì)成本更低，因此粉煤灰可以用于礦井防滅火灌漿。

3.2 井下灌注粉煤灰漿液試驗(yàn)

2021 年3 月19 日至3 月21 日，在地面灌漿站進(jìn)行粉煤灰灌注試驗(yàn)。灌漿系統(tǒng)結(jié)果如圖2。灌漿期間，通過上斜口向漿液添加工業(yè)鹽、懸浮劑。由于制漿機(jī)的進(jìn)料速率和注水速率是設(shè)定的，灌漿時(shí)，通過調(diào)整皮帶輸送機(jī)的運(yùn)行速度和時(shí)間來調(diào)整粉煤灰和水的比例。灌漿管路為4 寸鋼管，灌漿距離為2400 m，垂高為400 m。

圖2 灌漿系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

在地面灌漿站進(jìn)行粉煤灰灌漿試驗(yàn)時(shí)水灰比分別為8:1、7:1、6:1、5:1、4:1，試驗(yàn)期間漿液狀態(tài)如圖3。當(dāng)水灰比為5:1 時(shí)，灌注速率開始下降，漿液池液面出現(xiàn)升高現(xiàn)象。經(jīng)分析，這是由于粉煤灰濃度逐漸升高，黏稠度逐漸增大，管路輸送粉煤灰漿液的能力下降導(dǎo)致的。當(dāng)水灰比為4:1 時(shí)，必須開啟加壓泵向注漿管路加壓才能確保漿液面不繼續(xù)升高。通過現(xiàn)場提取漿液分析，灌注粉煤灰最佳的水灰比約為5:1。

圖3 不同水灰比條件下漿液狀態(tài)圖

4 灌注粉煤灰漿液注意事項(xiàng)

（1）為防止注漿管路被堵，在灌注粉煤灰前后必須及時(shí)開啟加壓泵用清水沖洗管路30 min。

（2）為確保粉煤灰漿液飽和濃度，防止堵管，需對粉煤灰成分及化學(xué)性質(zhì)進(jìn)行鑒定，選擇與所使用的粉煤灰特性匹配的化學(xué)懸浮劑。

（3）為有效提高粉煤灰漿液防滅火效果，應(yīng)添加膠凝劑等材料。

5 成本對比

根據(jù)灌注粉煤灰需要的原材料的單價(jià)，計(jì)算灌注粉煤灰的單價(jià)。

（1）灌注粉煤灰漿液需要的懸浮劑價(jià)格為6800 元/t，工 業(yè) 鹽700 元/t，水 費(fèi)7.4 元/m3，粉煤灰運(yùn)費(fèi)13 元/t，粉煤灰漿液的水灰比為5:1，粉煤灰堆積密度為0.8 g/cm3，懸浮劑和工業(yè)鹽添加比例各按1%計(jì)算。以1 m3粉煤灰為例，粉煤灰運(yùn)費(fèi)10.4 元，水費(fèi)29.6 元，工業(yè)鹽和懸浮劑135 元，電費(fèi)0.35 元，共計(jì)175.35 元。1 m3粉煤灰可以制作6 m3粉煤灰漿液，所以1 m3漿液制作成本為29.22 元。

（2）黃土灌漿成本計(jì)算。以1 m3黃土為例，黃土的密度是1.6 g/cm3，價(jià)格為97 元/t，即1 m3黃土的成本為155.2 元；黃土漿水土比為7:1，水費(fèi)為51.8 元；懸浮劑添加比例為1%，費(fèi)用為584.8 元；電費(fèi)0.8 元。共計(jì)792.6 元。1 m3黃土可以制作8 m3黃土漿液，所以1 m3黃土漿液制作成本為99.08 元。

6 結(jié)論

候村煤礦3605 工作面采用地面固定式灌漿及注膠防滅火系統(tǒng)可輸送最大水灰比為5:1 的粉煤灰漿，配制水灰比為5:1 的粉煤灰漿在隔絕氧氣和降低煤溫上和黃土漿液的效果相當(dāng)。根據(jù)環(huán)保要求，黃土取用將受到很大限制，因此利用粉煤灰替代黃土，可顯著節(jié)約成本并處理固體廢棄物，選用粉煤灰作為礦井防滅火灌漿新材料值得推廣使用。