膨脹水泥封堵材料在龐莊煤礦的應用

劉宏委，羅武賢，丁 豹

（徐礦集團龐莊煤礦，江蘇 徐州 221000）

·試驗研究·

膨脹水泥封堵材料在龐莊煤礦的應用

劉宏委，羅武賢，丁 豹

（徐礦集團龐莊煤礦，江蘇 徐州 221000）

膨脹水泥材料是煤炭行業近年來研究應用的一種新技術，具有覆蓋浮煤、填充孔洞、封堵裂隙等綜合防滅火效果。為有效地解決黃泥封堵不嚴密等問題，龐莊煤礦通過采用該技術在條帶、兩道以及停采線等區域進行火災防治，取得了較好的效果，可為開采自燃煤層礦井火災預防與防治工作提供借鑒。

煤礦；防滅火；膨脹水泥；現場應用

黃泥（或沙土、粉煤灰）灌漿是煤礦最主要的防滅火手段之一，其原理是利用泥漿中的水分吸收大量熱，起到滅火降溫的作用；其次黃土固體覆蓋浮煤表面，起隔絕氧氣阻止氧化的作用［1］。灌漿防滅火時，泥漿濃度對注漿防滅火的效果影響很大，泥漿濃度越大滅火效果越好。但現有灌漿防滅火系統的水土比通常在5∶1左右，漿液流失量大，灌漿效率低，而且灌注黃泥漿時還存在嚴重的“拉溝”現象，在較大空間內不能有效的堆積，下部煤層開采時還容易發生“潰漿”事故；且在控制火勢時，迅速產生的大量水蒸氣，反而會促進煤層自燃火勢發展，惡化工作環境，并有產生水煤氣爆炸的危險［2］。

根據龐莊煤礦歷年開采情況和發火情況來看，龐莊煤礦開采的煤層均具有自燃發火傾向，山西組七、九煤均屬自燃煤層［3］。同時煤層間距較小，煤層中斷層較多，工作面采空區漏風比較嚴重。在工作面開采過程中，上部煤層采空區由于頂板來壓很容易與本工作面采空區產生貫穿，擴大了漏風范圍。因此，一般的黃泥灌漿不能夠滿足防滅火的技術要求，封堵技術的實施將決定工作面采空區自燃防治的效果［4］。針對該特性，龐莊煤礦采用膨脹水泥防滅火新材料對條帶、兩道以及工作面停采線等區域進行封堵，大大減少了漏風通道，提高了防滅火效果。

1　膨脹水泥防滅火材料的性能特點

針對普通水泥和黃土這兩種材料在封堵后會產生裂隙的缺點，國內外專家研制出了膨脹水泥封堵材料。它主要由水泥、黃沙、膨脹劑和水等構成。膨脹劑是一種干粉狀態的化學物質添加劑，主要功能是使基料膨脹，膨脹率為1．35。當水泥、黃沙、水的比例為1∶1∶0．6時，該膨脹水泥材料的強度為22．2 MPa，膨脹劑的添加比例為10%。由于添加劑的膨脹性能，膨脹水泥材料能夠有效地減小水泥的收縮，從而起到包裹煤體、充填松散煤體裂隙、封堵漏風裂隙的作用。

2　灌注工藝

膨脹水泥材料的灌注主要利用螺桿泵，該泵的主要技術參數為：額定轉速為80 r／min，額定流量為6～10 m3／h，額定壓力為3 MPa。該泵對灌注物料的要求為物料必須＜4．75 mm，該泵不能空轉，所添加物料必須是配好的成品物料。對于膨脹水泥材料來說，必須將材料在添加前按照規定的比例配好，可加入泵中進行灌注。膨脹水泥材料的配制主要有兩個步驟。

2．1膨脹水泥干料的配制

根據龐莊煤礦的實際條件，配制的地點可以選擇在地面或者井下的開闊地（離灌漿地點不遠）。配制之前，先鋪設好風筒布或者塑料布，使材料內不混入其它雜質，然后將水泥和膨脹材料按照10∶1的比例進行配比，配比時必須保證物料的干燥，同時配制人員必須將物料充分混合均勻。根據試驗，該步驟可以以5袋水泥和半袋膨脹劑為一個循環進行。

2．2膨脹水泥濕料的配制

膨脹水泥材料的濕料配制選擇在井下的開闊地（離干料配制地點和灌漿地點不遠處）進行。水泥膨脹材料濕料的配制主要是在干料中按照1∶1∶0．6的比例加入黃沙和水。配制的方法可以參考混凝土的配制方法，在井下配制地點先鋪設好風筒布或者塑料布，然后用水泥堆砌，形成配制濕料的區域，使漿液不外流。配制必須充分，將配制好的材料用方便的容器盛裝，倒入螺桿泵的混合料斗。膨脹水泥材料的灌注工藝見圖1。灌注時必須防止泵的空轉，并且在灌注前后要對泵進行沖洗，防止管路堵塞。

圖1　水泥膨脹材料的灌注工藝

3　現場應用

3．1條帶的封堵

在龐莊煤礦工作面開采過程中，當工作面遇到斷層或者推進速度緩慢時，采空區后部浮煤就容易受漏風影響發生氧化，當氧化時間達到自燃條件時，采空區就會發生自燃發火［5］。因此，為了防止采空區浮煤自燃，必須進行封堵條帶的灌注，利用膨脹水泥材料封堵冒落區域的裂隙，結合該材料的性能，灌注后水泥不收縮，不回彈，材料與冒落巖石的有效結合，在最大程度上達到封堵漏風的效果。

當工作面開采時間達到1～2個月，工作面出現CO或工作面開切眼推進到斷層時，在工作面已采后方預定部位構筑一道傾斜條帶封閉區，封閉高度盡可能達到工作面煤層頂板破碎區。

具體灌注方法有以下兩種，根據現場實際條件進行選擇［6，7］。

1）從兩道隅角開始，沿工作面傾向每隔5 m處，向支架間鋪設灌漿管路，終孔位置為工作面后部5 m處，本煤層頂板以上1 m，鉆孔角度為沿煤層底板以上30°。灌注封堵示意圖見圖2（a）。灌注工藝可以采用管網式灌注，或者單個注漿管從下往上依次灌注，確保漿液堆積。

2）打孔灌注封閉方法。在采空區預定傾斜條帶封閉區的工作面兩道位置提前打多個鉆孔并下套管封閉好，或者利用工作面預抽鉆孔，各孔參數依據現場情況實測計算，要求終孔位置距開采煤層頂板高度3 m、從風巷煤壁開始傾斜間距5 m左右一個終孔位。鉆孔開孔位置可在一個鉆場內，但必須保證終孔點在傾斜方向的一條直線上。灌注工藝可以采用管網式灌注，或者單個注漿管從下往上依次灌注，當工作面發現漿液時止灌。注漿設備安在工作面風巷不影響生產的位置，具體注漿示意圖見圖2（b）。

圖2　膨脹水泥條帶封堵示意圖

具體注漿操作方法與注水泥漿相似，先將定量的水泥和膨脹劑按10∶1的比例充分混合，再加入重量比為30%的河沙或粉煤灰和40%的水，人工制成漿體，用螺桿泵進行灌注。膨脹劑和水泥材料的制備采用人工制備，先按比例計算出水泥和膨脹材料的質量，不加水人工混合成干料，將混合好的干料與河沙和水進行充分攪拌后形成漿體，使用注漿泵進行灌注。干料混合地點可以在井上進行，將混合好的材料用袋子運送到井下；或者在井下現場能夠提供足夠空間的地點進行混合。

3．2兩道的封堵

根據龐莊煤礦施工懸空密閉的情況，由于頂板的垮落容易造成封堵不嚴。因此，在施工懸空密閉的基礎上，向懸空密閉內注膨脹水泥進行封堵，加強封堵效果。工作面每推進10～15 m，在兩道施工該懸空密閉，通過預埋管路向懸空密閉內進行灌漿。

具體的施工方法為：沿用龐莊煤礦懸空密閉的原施工方法，在懸空密閉內留出一定的空間，懸空密閉的兩層沙袋墻間隔距離為5 m，該空間為注漿空間，并且在施工的同時預埋注漿管路，管路采用1．5寸鋼管，沿上幫預埋2根，上部1根，下部1根，上部的1根最好能盡可能提高，達到頂板以上位置，預埋深度為2．5 m，見圖3。

圖3　懸空密閉封堵注漿示意圖

兩道的懸空密閉封堵注漿范圍高2 m，長5 m，寬3 m，總共注漿范圍為30 m3。按照孔隙率為20%計算，則總共注漿量為6 m3，需要膨脹劑0．5 t，水泥5 t，其余為河沙和水。具體注漿操作方法與注水泥漿相似，注漿管埋入密閉空間的深度不得小于2．5 m，并采取防跑漿措施。如果條件不滿足，可以僅在回風巷進行。兩道封堵的效果見圖4。

3．3工作面停采前的封堵

工作面回撤之前，需要經過鋪網、打地平等一系列的工作，會影響工作面后期推進速度及撤架工作。因此，為了降低采空區自燃發火的概率，在工作面距離停采線50 m左右時，增強采空區的充填堵漏措施。

工作面停采前，在采空區進、回風側距停采線25 m和0 m處采用沙袋壘成寬4 m、高2 m的隔離墻，并在隔離墻后采用預埋管路壓注膨脹水泥材料，灌注范圍為沿工作面傾向10 m，走向10 m，高度3 m，總共灌注范圍不小于300 m3，按照孔隙率20%計算，則需要灌注的水泥膨脹材料為60 m3，見圖5。

圖5　停采撤架時的注漿封堵示意圖

4　使用效果

某工作面回采初期通過灌漿鉆孔向采空區內部進行了預防性灌漿，上隅角CO濃度基本保持在10× 106以下。在工作面接近停采線時，上隅角出現200 ×106的CO，此時，通過預先打好的消火孔向采空區內部實施了灌注膨脹水泥材料等防滅火措施，使上隅角CO迅速下降，3天后降至20×106，之后持續下降，直至10×106以下，并且穩定至回采結束。

5　結 論

采用膨脹水泥防滅火封堵材料對龐莊煤礦條帶、兩道、工作面停采線等區域進行了有效封堵，大大降低了礦井自燃發火概率，取得了很好的防滅火效果，為礦井防滅火提供了一項高效、簡便和經濟的新技術手段，保證了礦井的安全開采，取得了較大的經濟和社會效益。

［1］馬衍頌，肖興明．智能型黃泥灌漿給料系統設計［J］．煤礦機械，2011，32（8）：150-151．

［2］鄧 凱，黃 鸝，彭 偉，等．礦井防滅火技術現狀及研究［J］．煤礦技術，2011，30（7）：79-80．

［3］李四清，劉永先，李慶新．三相泡沫新技術在老火區防滅火中的應用［J］．能源技術與管理，2008（3）：86-87．

［4］劉 鑫，肖 旸，鄧 軍．礦用輕質膏體防滅火材料研究與應用［J］．煤礦安全，2011，42（12）：77-80．

［5］郭良經．煤炭自燃防治技術在沿空煤巷掘進中的應用［J］．煤炭開采，2011，16（6）：93-96．

［6］劉 鑫，肖 旸，鄧 軍，等．新型水泥灌漿材料的防滅火性能測定［J］．煤礦安全，2011，42（5）：87-89．

［7］文 虎，徐精彩，鄧 軍，等．煤層自燃多功能灌漿注膠防滅火系統及其應用［J］．煤炭工程，2004（5）：4-6．

Application of Expansive Cement Bloching M aterial in Pangzhuang Coal M ine

Liu Hong-wei，Luo Wu-xian，Ding Bao

Expansive cementmaterial is the new technology of coal industry，researched and applied in recent years．Ithas the comprehensive fire prevention effects of covering float coal，filling holes and plugging fracture．In order to solve the problems effectively，such as yellow mud cannot plug fracture tightly，Pangzhuang coalmine adopts this technology to prevent and control fire in the areas，such as the strip，two roadways and stop line，itachieves good results，provides a reference for fire prevention and control work of spontaneous combustion coal seam．

Coalmine；Fire prevention and extinguishing；Expansive cement；Field application

TD75+2．2

B

1672-0652（2013）12-0019-03

2013-10-19

劉宏委（1986—），男，江蘇宿遷人，2010年畢業于中國礦業大學，助理工程師，主要從事礦井通風防滅火和瓦斯防治工作（E-mail）liusun2011＠163．com