基于粉煤灰資源化利用的煤層火災防治技術研究與應用

王振平宋先明肖 旸王洪權

(1.兗礦集團有限公司,山東省鄒城市,273500; 2.西安科技大學,陜西省西安市,710054)

★煤礦安全★

基于粉煤灰資源化利用的煤層火災防治技術研究與應用

王振平1,2宋先明1,2肖 旸2王洪權1

(1.兗礦集團有限公司,山東省鄒城市,273500; 2.西安科技大學,陜西省西安市,710054)

在分析兗礦集團下屬各礦坑口電站粉煤灰的物理化學性質基礎上,結合兗礦的防滅火實際情況,提出了用粉煤灰替代黃土作為礦井灌漿防滅火材料或廢棄巷道充填物,實現坑口電廠粉煤灰的就地資源化利用。從粉煤灰代替黃土灌漿注膠和粉煤灰固化充填2個方面的煤層火災防治技術進行了系統的研究。結果表明,通過粉煤灰的資源化利用,有效地解決了礦井防滅火、密閉加固、廢巷充填等安全生產問題,以及黃泥灌漿造成的耕地、植被破壞等環(huán)境問題,促進了礦井的安全生產和環(huán)境保護工作。

粉煤灰 煤層火災 灌漿 注膠 固化充填

目前我國電廠以燃煤為主,隨著電力工業(yè)的不斷發(fā)展,粉煤灰的排放量也日益增多。1995年我國粉煤灰累計庫存已達6.6億t,占地2.27萬hm2。1990年粉煤灰排放量為6700萬t,1995年粉煤灰排放量達9936萬t,2000年約為1.2億t,到2010年將達到2億t,居世界之首。但我國粉煤灰的利用率在1990年僅為28.3%,1995年為41.7%,2000年為58%,而國外已達到了70%～80%。

兗礦集團南屯礦、鮑店礦、東灘礦、興隆莊礦、濟二礦和濟三礦等開采易自燃厚煤層的幾個大型礦井均建有坑口電廠,每年要排放大量的粉煤灰,不僅占用了大量場地和空間,又增加了企業(yè)的負擔,外運還需支付排污費(20元/m3)和運費。粉煤灰對環(huán)境的污染是多方面的,如占用土地,污染土壤;微粒飄逸,污染大氣;濕法排灰,污染水體。另外,在粉煤灰利用過程中,也會對環(huán)境產生影響,例如生產建材制品時,粉煤灰中放射性元素含量過高會危害人體健康。因此,實現粉煤灰的資源化利用,因地制宜地解決粉煤灰所帶來的負面問題尤為必要。本文結合兗礦實際,用粉煤灰替代黃土作為礦井灌漿防滅火材料或廢棄巷道充填物,可實現坑口電廠粉煤灰的就地資源化利用,省去將其作為建筑材料或公路、橋梁等工程建設時,需進行二次加工處理和運輸等諸多方面的不便,形成粉煤灰資源化利用的礦井防滅火成套技術及裝備。

1 兗礦坑口電站粉煤灰的物理化學性質

實驗用南屯礦、東灘礦、鮑店礦和興隆莊礦4個坑口電站產粉煤灰,其一般物理性質和化學成分見表1。

表1 兗州礦區(qū)坑口電站粉煤灰化學成分分析%

從表1可以看出,兗州礦區(qū)坑口電站所產粉煤灰具有如下物理化學性質。

(1)坑口電廠粉煤灰的化學成份、燒失量等與黃土、頁巖相似,吸氧量不大,交叉著火溫度和熔點溫度較高,氧化性能低,無自燃和助燃性,具備代替黃土作為防滅火材料的條件,符合注漿材料的要求。

(2)從粉煤灰的揮發(fā)分、固定碳含量、含硫量、燒失量、吸氧量等實驗結果來看,粉煤灰可燃物少、氧化性能很低,完全符合注漿材料的要求。當粉煤灰含水量達到38%時,在低壓差下透氣量為零。對潮濕環(huán)境的井下,不難保持粉煤灰的含水量大于38%,此時能起到完全封閉隔絕火區(qū)的作用。

(3)粉煤灰密度小,顆粒大部分呈玻璃球體狀,少部分為不規(guī)則珠狀和海綿狀結構,粘結性差,流動性好,便于攪拌和管道水力輸送。粉煤灰的粒度較細,不含粗顆粒(大于2 mm),利于輸漿,其灰漿的穩(wěn)定性較好,可以利用管道水力輸送。但灰漿流速不得低于0.3 m/s,灰水比(重量比)一般不要高于1∶1。

(4)粉煤灰的組成主要是砂粒和粉粒,滲透性和沉降速度大于黃土,脫水性優(yōu)于黃土。粉煤灰的粘性比黃土差,故粉煤灰作防滅火注漿材料時,注漿系數應比黃泥漿大20%左右。

(5)從粉煤灰的化學分析各成分來看,要配制出無機固化粉煤灰充填材料的關鍵物質是S iO2和Al2O3兩種成分,兩者之和在南屯礦占63.66%,鮑店礦占57.8%,東灘礦占78.76%,均符合無機固化充填材料的要求。

2 粉煤灰灌漿注膠防滅火技術

煤層火災防治需用大量含水材料充填松散煤體裂隙,起到包裹煤體、封堵漏風、降低煤溫、并阻止煤溫升高的作用,充分利用礦區(qū)附近的土、砂、粉煤灰和巖石等無機不燃物作為防滅火原料,是一條重要且經濟的解決途徑。

2.2.1 教練員的基本情況 教練員的學歷統計結果顯示，研究生學歷的教練員為空缺狀態(tài)，2名（占20%）教練員的學歷為本科以下水平；具有本科學歷的教練員有8名，占有絕大多數（80%）。對比國家體育總局下發(fā)的《“國家高水平體育后備人才基地”認定辦法》（以下簡稱《辦法》）中關于教練學歷方面滿分的標準：“具有本科及以上學歷的教練員占教練員總數：中等體育運動學校100%；少體校85%及以上。每降低1個百分點扣1分”[2]，我們可以發(fā)現武進少體校的教練員學歷水平雖然已達較高標準，但還有一定的提升空間。

2.1 新型粉煤灰灌漿注膠材料

灌漿防滅火技術在我國自然發(fā)火危險礦井中使用普遍,泥漿能夠吸熱降溫,包裹煤體隔氧,防滅火效果顯著。但現有水力沖土自流成漿工藝制出的漿液濃度低且不穩(wěn)定,灌入井下的土量少,效率低,而且系統自動化程度低,人員工作環(huán)境差、勞動強度大。另外,可使用的灌漿原料種類少,產生的殘渣等固體廢棄物較多,嚴重污染環(huán)境。

由粉煤灰的物理化學性質可知,其符合注漿材料的要求。粉煤灰密度小,顆粒大部分呈玻璃球體狀,少部分為不規(guī)則珠狀和海綿狀結構,粘結性差,流動性好,便于攪拌和管道水力輸送。粉煤灰的粘性比黃土差,粒度較細,不含粒徑大于2 mm的粗顆粒,灰漿的穩(wěn)定性較好,有利于漿液的管道水力輸送,但其親水性差,易沉淀,要求灰漿流速不低于0.3 m/s,灰水的重量比一般不能高于1∶1。膠體防滅火技術集堵漏、降溫于一體,防滅火效果佳,已成為煤層自燃火災治理的主要技術手段之一,但采用井下移動式注膠防滅火系統時,設備安裝運行及材料運輸均不能迅速實施,且注膠流量小,井下材料運輸量大,使得滅火效率降低。

為了更好、更有效地發(fā)揮礦井灌漿和注膠防滅火技術的優(yōu)勢,有必要將二者有機地結合起來,研究新型的系列灌漿注膠防滅火材料,提高灌漿效率,并根據各種新型灌漿注膠防滅火材料的特點,有針對性地處理各種不同情況下的浮煤自燃。

2.2 粉煤灰灌漿注膠防滅火工藝及裝備的研制與應用

研制的粉煤灰灌漿注膠工藝及系統裝備可實現高濃度漿液的制備及管路輸送,提高灌漿效率。通過建立完善的自動化監(jiān)控系統,確保灌漿注膠防滅火系統的穩(wěn)定運行,減小人為因素影響,提高系統的可操作性,并通過向灌漿系統中自動按比例加入外加劑,實現凝膠、稠化膠體、復合膠體和固化充填材料等新型防滅火材料的壓注,從而對礦井煤層火災進行有效地預防和在緊急情況下快速反應,并適應不同類型礦井的防滅火需要,有針對性地處理各種不同情況下的煤層火災。

粉煤灰灌漿注膠防滅火系統由漿料粉煤灰儲存場地、漿料破碎和過濾系統、連續(xù)式定量制漿系統、地面外加劑添加系統、輸漿管網系統和井下外加劑添加系統構成。粉煤灰灌漿注膠防滅火系統的總體構成如圖1所示。

圖1 多功能灌漿注膠系統的總體構成

3 粉煤灰固化充填堵漏防滅火技術

3.1 粉煤灰無機固化配比

無機固化粉煤灰防滅火充填材料配方的選擇是在南屯煤礦井下實際灌漿應用的基礎進行的,最佳配方選擇的合適,實際灌漿時才能達到要求的技術經濟指標。無機固化粉煤灰防滅火充填材料最佳配方的選擇只是為實際灌漿應用提供一個基本的參考依據,對于不同的應用地點(例如開切眼、停采線、上下巷道、采空區(qū)、老空區(qū)、內提聯絡巷、溜煤眼等),必須根據具體情況,在基本配方的基礎上靈活應用,擇優(yōu)選擇,以便達到不同的應用地點所要求達到的不同的技術經濟效果和目的。無機固化粉煤灰防滅火充填材料最佳應用配方的選擇是根據南屯煤礦井下應用地點防滅火充填堵漏風的實際需要,以及電廠粉煤灰固化實驗結果,對基本配方各組分按表2的比例進行實驗。

圖2 南屯礦無機固化粉煤灰防滅火充填材料灌漿系統及工藝示意圖

在地面灌漿立孔下漿時,各成分所占比例為:干粉煤灰占37.0%～35.7%,固化激發(fā)劑占10.3%～10.0%,水占52.7%～54.3%。對于不同的應用地點,根據是充填支撐或是堵漏風或是防滅火的灌漿目的,可以在上述基本配方的基礎上進行適當的比例微調。

3.2 粉煤灰無機固化充填工藝及裝備研究與應用

在原有黃泥灌漿系統的基礎上,為了滿足以粉煤灰為主要成分,達到堵漏風材料各種組成成分定量配比的需要,完成了系統裝備的研制及應用。南屯礦無機固化粉煤灰防滅火充填材料灌漿工藝系統如圖2所示。

表2 南屯煤礦粉煤灰固化實驗結果

根據上述結果,并考慮到固化粉煤灰每立方米的經濟成本,選擇應用的最佳配方為:粉煤灰71 g,固化激發(fā)劑14 g,硬化速凝劑5～6 g,水50～55 g。

填充工藝的具體步驟:

(1)按要求的比例把儲灰池內的粉煤灰用水沖放到兩個灌漿池;

(2)攪拌機把2個灌漿池內的粉煤灰水溶液攪拌均勻,利用粉煤灰定量給料泵把粉煤灰溶液定量輸送到灌漿立孔;

(3)利用固化激發(fā)劑定量給料裝置把固化激發(fā)劑定量輸送到灌漿立孔;

(4)井上定量送漿,井下同時打開通往工業(yè)試驗地點的閥門,根據粉煤灰充填地點的長短,計算管路需要置換的時間,在粉煤灰溶液把管路置換完畢并到達充填地點以后,開啟井下硬化速凝劑定量給料泵,進行定量配給硬化速凝劑。

通過系統的改造,使粉煤灰防滅火充填材料灌漿系統裝備更加完善,使無機固化粉煤灰防滅火充填材料各種組成成分在灌漿過程中能夠達到最佳配方比例,滿足了不同的灌漿地點對無機固化粉煤灰防滅火充填材料技術指標的要求。

4 結論

(1)利用粉煤灰替代黃土注漿,使粉煤灰變廢為寶的同時,減少了對環(huán)境的污染,節(jié)約了寶貴的黃土資源,優(yōu)質農田免于被破壞。

(2)粉煤灰灌漿注膠防滅火材料,改善了粉煤灰漿的防滅火性能,降低了漿液在煤礦井下的流失率,提高了粉煤灰的利用率和防滅火效果。

(3)粉煤灰灌漿除可用于防滅火外,加入水泥和其他固化材料后,可應用于內錯聯絡巷的改造。為采煤面過聯絡巷時制造假底,具有堅固、穩(wěn)定、省工、省時、省成本等特點。

(4)粉煤灰灌漿注膠防滅火系統可實現粉煤灰漿液、稠化膠體、復合膠體、凝膠、粉煤灰凝膠和固化充填材料等多種防滅火材料的大流量壓注,避免了系統的重復建設,節(jié)約了基建資金。

[1]張金山,劉燁,王林敏.我國粉煤灰綜合利用現狀[J].西部探礦工程,2008(9)

[2]韓懷強,蔣挺大.粉煤灰利用技術[M].北京:化學工業(yè)出版社,2002

[3]湯從心等.積極開發(fā)利用粉煤灰資源(上)[J].環(huán)境保護,1991(11)

[4]王福元,吳正嚴.粉煤灰利用手冊[M].北京:中國電力出版社,1997

[5]徐精彩,張辛亥,文虎,鄧軍.煤層自燃膠體防滅火理論與技術[M].北京:煤炭工業(yè)出版社,2003

(責任編輯 梁子榮)

Based on recycled use of coal ash:research and application Coal seam fire prevention and control technology

Wang Zhenping1,2,Song Xianming1,2,Xiao Yang2,Wang Hongquan1
(1.Yankuang Group Co Ltd,Zoucheng,Shandong province 273500,China; 2.Xi’an University of Science and Technology,Xi’an,Shaanxi province 710054,China)

On the basis of an analysis of the physical and chemical characteristics of the coal ash discharged by allmine mouth power plants of Yankuang Group and also combined with the actual conditions of underground fire prevention and control in all Yankuang mines,it is proposed in this paper that the coal ash is to be used asmaterial formaking fire prevention and control grouting and raw material for backfilling in used driftswhen they become of no use.This is an effective way to turn the coal ash discharged from mine mouth power plants into usefulmaterial on-site.Besides,a systematic study is carried out in this paper on coal ash replacing the role ofmud slime in underground fire prevention and backfilling in underground gobs.Relevant results indicate that on-the-site utilization of coal ash aimed at turning the useless waste into a resource can effectively solve the problem of coal mine work safety such asmine fire prevention and control,underground cavity sealing and fortification and backfilling in useless drift and/or roadways,etc.It is also a very effective solution to the problem of environmental problems linkedwith mud sl ime related pollution such as the destruction of farmland and ground vegetation.Inone word,thistechnologysimplyimproves coal mine worksafetyandcoal mine environment.

coal ash,coal seam fire,grouting,backfilling in underground cavity

TD752

A

王振平(1965-),男,安徽巢湖人,博士,工程技術應用研究員,山東省突出貢獻中青年專家,從事礦井“一通三防”技術管理工作。