改性超高水材料在俯斜綜采工作面防滅火中的應(yīng)用

秦大健

（1.國家能源充填采煤技術(shù)重點實驗室，河北 邢臺 054000；2.河北煤炭科學(xué)研究院有限公司，河北 邢臺 054000；3.河北充填采礦技術(shù)有限公司，河北 邢臺 054000）

0 引 言

長期以來，礦井火災(zāi)都是煤礦生產(chǎn)的重大安全隱患之一，在影響煤礦安全生產(chǎn)的同時，也制約著煤礦的正常發(fā)展。礦井火災(zāi)分為內(nèi)因火災(zāi)和外因火災(zāi)，其中內(nèi)因火災(zāi)中煤炭自燃引起的火災(zāi)占礦井火災(zāi)的90%。近年來，先進(jìn)的綜采放頂煤開采在大采高煤層中得到廣泛的推廣與應(yīng)用，極大的提高了生產(chǎn)效率，但由于冒落高度大、殘留煤炭多、封閉困難，使采空區(qū)漏風(fēng)嚴(yán)重，當(dāng)熱量集聚到一定程度后，極易引起采空區(qū)煤層自燃，造成安全生產(chǎn)事故，影響正常生產(chǎn)[1]。為了防止煤層自燃，煤礦生產(chǎn)中多采用注黃泥漿、注阻燃劑、噴灑阻燃材料、構(gòu)筑密閉墻、注惰性氣體等方法，但存在成本高、使用環(huán)境限制、效果不理想等問題。

超高水材料作為最近幾年新興的一種井下無機(jī)注漿材料，具有流動性好、凝固時間短、早期強(qiáng)度高、含水量大等特點，在煤礦充填開采、老空區(qū)治理、巷道密閉、井下防滅火、沿空留巷等多個技術(shù)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。其中超高水材料作為防滅火材料，在煤礦防滅火技術(shù)中能夠有效熄滅煤炭火災(zāi)，降低火區(qū)溫度，快速包裹煤體，阻止有害氣體揮發(fā)，防止煤層復(fù)燃，同時超高水材料凝固后具有一定強(qiáng)度，能夠?qū)鷰r起到有效的加固作用[2]。但面對俯斜綜采工作面這類復(fù)雜條件的防滅火，原有超高水材料性能不能滿足工程需要，因此需根據(jù)實際情況對超高水材料進(jìn)行改性，同時對注漿工藝進(jìn)行優(yōu)化。

1 工程背景

核桃?guī)Z煤礦俯斜綜采工作面設(shè)計傾斜長度240 m，走向長度2 110 m，煤層實際厚度10.27～20.5 m，平均厚度16.05 m，煤層傾角2°～8°。煤層在靠近停采線附近相對較薄，自北向南逐漸增厚。開采的8 號煤層屬Ⅰ類易自燃煤層，自然發(fā)火期為2～4 個月，最短49 d。

工作面安裝完成后進(jìn)行試生產(chǎn)，煤層設(shè)計開采厚度0～300 m 時回采高度為4.8 m，在回采70 m時，受斷層巖墻段影響推進(jìn)緩慢、高溫點及漏風(fēng)通道探查不充分、隔離降溫措施不到位等因素影響，采空區(qū)浮煤快速氧化，一氧化碳、乙烯等氣體變化較快，為保障作業(yè)人員及設(shè)備安全，對工作面先后兩次進(jìn)行封閉，期間采取了注黃泥漿、氮氣及防滅火材料進(jìn)行滅火降溫，未能取得很好的效果。

經(jīng)過研究考察，結(jié)合現(xiàn)場情況，在鉆孔深度受限的情況下，最終選擇利用超高水材料在支架后部采空區(qū)10 m，距離底板12 m 處利用注漿管從措施巷進(jìn)行注漿構(gòu)筑隔離密閉墻（圖1）；密閉墻構(gòu)筑完成后在后部采空區(qū)注入膠體充填材料，利用膠體包裹采空區(qū)遺煤，控制采空區(qū)遺煤氧化；最后在啟封后根據(jù)支架后部漏風(fēng)情況，利用超高水材料進(jìn)行補(bǔ)注密閉。在施工過程中，始終保持向采空區(qū)后部注入低溫氮氣以降低采空區(qū)溫度，隔絕空氣，以防止采空區(qū)火情加重。

圖1 隔離密閉墻注漿效果示意Fig.1 Grouting effect of isolated closed wall

由于現(xiàn)有超高水材料的凝固時間和流動擴(kuò)散半徑不能滿足該工程需要，因此需對超高水材料進(jìn)行改性，對注漿工藝進(jìn)行優(yōu)化。

2 改性超高水材料研制

超高水材料由A 料、B 料組成，其中B 料中主要由天然硬石膏、生石灰和外加劑等材料構(gòu)成。長期以來，天然的無水硬石膏產(chǎn)量不斷降低，材料品質(zhì)穩(wěn)定性變差，對超高水材料的性能影響較大。針對天然石膏的問題，結(jié)合工程需要，通過大量的考察與試驗，最終選定了一種經(jīng)過特殊處理的工業(yè)副產(chǎn)品石膏作為天然硬石膏的替代品，制成改性超高水材料。改性材料與原材料相比，具有凝固時間更短、強(qiáng)度更高等特點，完全能夠滿足該工程需要。

改性超高水材料與原超高水材料的生產(chǎn)工藝相同，因此試驗時采用相同的加工工藝，利用實驗小磨制備兩種不同的B 料進(jìn)行試驗，2 種材料的A 料及外加劑均相同，試驗按照GB/T 39337-2020《綜合機(jī)械化超高水材料袋式充填采煤技術(shù)要求》中超高水材料檢驗方法進(jìn)行試驗，分別對2 種不同的材料凝固時間和抗壓強(qiáng)度就行對比實驗。

2.1 凝固時間

將制備好的原超高水材料和改性超高水材料在20±2℃的室溫中，使用20±1℃的自來水，分別制備不同水固質(zhì)量比的材料，測定材料初凝時間（漿液混合后失去流動性所需的時間）見表1。

表1 不同水固比初凝時間Table 1 Initial setting time of different water-solid ratio

由表1 可知，在相同水固比條件下，改性超高水材料與原超高水材料相比初凝時間大幅度降低，水固比為6∶1、5∶1 和4∶1 時，改性超高水材料初凝時間分別縮短了1.7 倍、1.7 倍和1.8 倍。由于凝固時間縮短，在工程實踐中，改性超高水材料混合注入采空區(qū)后的流動擴(kuò)散半徑更小。

2.2 抗壓強(qiáng)度

將不同水固比的改性超高水材料和原超高水材料按標(biāo)準(zhǔn)要求分別制樣，倒入70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm 的三聯(lián)試模中成型，然后放入濕度≥90%、溫度20±1℃的恒溫恒濕養(yǎng)護(hù)箱中養(yǎng)護(hù)至所需齡期，最終測得不同水固比下2 種材料的單軸抗壓強(qiáng)度曲線如圖2 所示。

圖2 不同水固比單軸抗壓強(qiáng)度曲線Fig.2 Uniaxial compressive strength curves of different water-solid ratios

由圖2 可知，改性超高水材料單軸抗壓強(qiáng)度與原超高水材料相比，在不同水固比條件下均有所增長，水固比6∶1 時，早期4 h 強(qiáng)度增加了17%，1 d 強(qiáng)度增加了13%，后期14 d 強(qiáng)度增加了15%，說明材料強(qiáng)度在不同齡期均能穩(wěn)定增長，其中水固比5:1 時，早期4 h 強(qiáng)度增長20%，后期14 d 強(qiáng)度增長17%，漲幅最高。

3 工程應(yīng)用

封閉的俯斜綜采工作面共有139 架支架，從現(xiàn)回順高位鉆場位置以里5 m 拉門施工消火道，消火道底板保持距離煤層底板8 m 以上，在消火道內(nèi)部施工注漿鉆孔，注漿鉆孔在每部支架架間布置，鉆孔終孔距支架后部架頂10 m，距工作面底板12 m，通過在鉆孔內(nèi)部埋設(shè)注漿管向采空區(qū)注入改性超高水材料，構(gòu)筑隔離密閉墻。

3.1 制漿工藝及參數(shù)

由于受工期、井下空間和設(shè)備條件限制，在注漿時采用1 臺注漿泵配合2 套攪拌設(shè)備，為實現(xiàn)連續(xù)注漿，在注漿過程中需控制攪拌桶液面始終保持在同一位置，并間隔相同時間向桶內(nèi)加料，因此需計算出漿速度，并得到向攪拌桶內(nèi)注水速度和加料量之間的關(guān)系，計算方法如下。

將每只攪拌桶中注入1 m3的清水，此時液位距攪拌桶底的距離為H，測量攪拌桶液位距攪拌桶口的距離h1；不開動攪拌機(jī)，開泵注水，并記錄開泵時間，3 min 后關(guān)閉注漿泵，測量此時攪拌桶中液位距攪拌桶口的距離h2，從而計算出每分鐘漿液下降高度h0，根據(jù)上述測量結(jié)果，按式（1）可計算出每只攪拌桶每分鐘出漿量：

式中：V 為每只攪拌桶每分鐘出漿量，L/min；V0=1 000 L，表示攪拌桶中注入1 000 L 清水；h0=（h1-h2）/3，cm/min；H=95 cm。

根據(jù)上述公式及井下測量結(jié)果可知：

h0=10 cm/min

V=1 000×10/95=105 L/min

計算得出每只攪拌桶每分鐘出漿量后，按攪拌桶中水量始終保持1.05 m3計算，可得出每只攪拌桶加料速度與水固比的關(guān)系，見表2。

表2 攪拌桶加料速度與水固比的關(guān)系Table 2 Relationship between the feeding speed of the stirring barrel and the water-solid ratio

在保持相同液位條件下，最高水固比為加料前漿液濃度，最低水固比為加料后漿液濃度，平均水固比為漿液平均濃度下的水固比。

3.2 注漿工藝及參數(shù)

由于該工作面處于封閉狀態(tài)，且工作面為俯斜開采，工作面內(nèi)又有大量出水點，雖然對超高水材料進(jìn)行改性，但在實際注漿過程中無法觀測注漿情況，不能根據(jù)實際情況進(jìn)行調(diào)整，又受到頂煤破碎冒落、工作面出水影響，對注漿構(gòu)筑密閉墻的實際效果無法做出準(zhǔn)確評估，因此為注漿構(gòu)筑封閉墻帶來很大難題。

為進(jìn)一步保證密閉墻的效果，在注漿過程中對注漿孔采取分段注漿的方法，分3 次將注漿孔注滿，在注漿過程中嚴(yán)密監(jiān)視周邊注漿孔情況，出現(xiàn)漏漿情況及時更換注漿孔，并加長注漿混合管路，以縮短凝固時間，減少漿液擴(kuò)散。具體注漿方案見表3。

表3 注漿孔階段注漿方案Table 3 Grouting hole stage grouting scheme

在注漿過程中，每階段注漿均根據(jù)上一階段注漿的現(xiàn)場情況進(jìn)行少量調(diào)整，第一階段注漿以底板及細(xì)碎殘煤內(nèi)部空隙的滲透擴(kuò)散為主要目的，對采空區(qū)下部的空間進(jìn)行徹底封閉；第二階段注漿是在第一階段注漿完全凝固后進(jìn)行的，進(jìn)一步降低了水固比，以封堵采空區(qū)中部為主要目的；第三階段注漿實在第二階段注漿完全凝固后進(jìn)行，在降低水固比的同時，加長了混合管路長度，以進(jìn)一減少漿體擴(kuò)散，提高注漿封閉高度，以保證注漿密閉墻的效果。

3.3 工程效果

在注漿過程中，因后部采空區(qū)頂煤冒落不規(guī)則，且存在出水點，從而部分注漿孔出現(xiàn)無法注漿、注漿后周邊注漿孔返漿、以及注漿后漿液隨排水口外溢等情況，針對此類特殊情況對現(xiàn)場注漿工藝進(jìn)行調(diào)整后，注漿工作最終圓滿完成。

注漿基本完成后對工作面啟封，通過對后部采空區(qū)進(jìn)行溫度及氣體檢測發(fā)現(xiàn)，隔離密閉墻整體注漿封閉效果較好，能夠滿足工作面防滅火的技術(shù)要求。

啟封后同時發(fā)現(xiàn)，由于工作面封閉，對注漿效果無法觀測調(diào)整，且受工作面俯斜影響，導(dǎo)致大部分液壓支架后溜被注漿材料掩埋，個別液壓支架被部分掩埋，但由于材料強(qiáng)度并不高，后期清理過程中利用風(fēng)鎬、搞頭等工具即可，清理工作及補(bǔ)注封閉相結(jié)合，花費了較長時間。

4 結(jié) 論

（1）利用處理過的工業(yè)副產(chǎn)品石膏，可完全替代無水硬石膏生產(chǎn)改性超高水材料，能夠有效縮短材料凝固時間，提高材料強(qiáng)度，在節(jié)約優(yōu)質(zhì)天然礦產(chǎn)材料的同時，實現(xiàn)工業(yè)固體廢棄物的綜合利用。

（2）改性超高水材料在井下防滅火工程應(yīng)用中，能夠有效的降低火區(qū)溫度，隔絕空氣，降低有害氣體濃度，包裹覆蓋煤體，防止煤炭復(fù)燃，從而達(dá)到防滅火的目的。

（3）俯斜綜采工作面封閉后的防滅火技術(shù)中，利用改性超高水材料，采用合理的技術(shù)方案及注漿工藝設(shè)計，能夠?qū)崿F(xiàn)注漿構(gòu)筑隔離密閉墻的工程需要，為工作面防滅火及啟封復(fù)采創(chuàng)造有利條件。