膠體技術在新疆焦煤集團2130煤礦小窯火區治理中的應用

彭南春　孫明磊

（新疆煤礦安全監察局東疆分局監察處　新疆烏魯木齊　830000）

膠體技術在新疆焦煤集團2130煤礦小窯火區治理中的應用

彭南春孫明磊

（新疆煤礦安全監察局東疆分局監察處新疆烏魯木齊830000）

小窯采空區煤自燃是為煤礦生產中常見災害，通常只能檢測到指標氣體而不知道火源位置，為了保證生產區域的安全，需要對火區進行控制，防止其對生產區域產生危害。研究表明，膠體技術能夠有效的封堵漏風通道、充填采空區空間、保水降溫撲滅高溫火源，并且膠體技術可控性好、不會產生次生災害、保持時間長等特點，對煤層火災治理、保障安全生產意義重大。本文采用膠體技術有效治理了2130煤礦小窯采空區火，為煤礦建設及今后的安全生產提供了安全保障，具有廣泛的應用前景，對治理礦井煤火具有重要的推廣價值。

膠體技術小窯火區治理

中國煤炭的90%是井下開采，地下作業有許多不安全因素，尤其礦井火災，已經成為煤礦重大自然災害之一。新疆焦煤集團2130煤礦位于烏魯木齊西西南120 km處，屬烏魯木齊市達坂城區管轄。2003年以前，艾維爾溝煤礦采用落后的倉柱式采煤方法，目前礦井主要采用走向平硐集中運輸大巷、斜井延深、集中石門開拓方式，主采面為一個綜采面和一個綜放面。礦井范圍內現有火區影響到下一步采掘接續面的安全生產。

1994年4月，在2130水平一采區1521采煤工作面發現自燃發火現象，后封閉通向該采面的所有巷道及其運煤上山。至2003年4月，一采區1511密閉發現自燃發火現象，在原一采區2183回風石門6#在一采區運輸石門1號煤層口和上倉口各構筑1道防火墻；在6號梯子道上口和梯子道與煤倉聯絡口各構筑1道防火墻，共計構筑5道防火墻。后又對一采區車場進行了封閉。2004年4月在2130平峒2130水平一采區中部距井口560米處6#-5#石門密閉發現自燃發火現象，后對該處及距井口200米處2130水平一石門密閉進行了重新構筑。2005年1月，2130水平2612采面回采完封閉半年后發現該處密閉有一氧化碳溢出現象。后對該處及其2183風井和2279風井進行了封閉。

2130平峒火區起源于2050至2120之間倉柱式回采的采空區內，該采空區傾斜長度約300 m，走向長度約1000 m，采空區內的火源發展變化情況不詳，礦井正在生產的綜放面（布置在5#煤層內）將在其下部布置，面臨火下采煤的局面。現2130平峒火區主要分布在2130水平以上，14號溝以西13號溝以東300米，東西長約1000米。目前區域已封閉，但地面塌陷裂隙大量存在，對礦井安全生產影響較大。

水和不燃性灌漿材料（土、粉煤灰等）是礦井最主要，也是效果最好、最廉價的滅火材料，灌漿用的水和黃土、粉煤灰需從外區運送，因此，必須采用能夠提高水、土的利用率和效率的膠體防滅火技術，來封閉、充填該處采空區火區。膠體防滅火材料集堵漏、降溫、阻化、固結水等性能于一體，能夠在指定位置停留，較好地解決了灌漿、注水的泄漏流失問題，成功撲滅了上百起煤層火災，防滅火效果極佳，已成為煤層火災封閉的主要技術手段之一。本次工程選用西安科技大學提供的復合膠體技術對井筒采空區進行封閉、充填施工和對火區隱患進行治理，工程實施時以“黃土”復合膠體為主，在工程需要時可采用其他材料。

一、膠體技術防治煤礦井下煤火的理論基礎

膠體是以水作為溶劑，粉煤灰或黃土作為主要充填物，膠體外加劑對水、粉煤灰或黃土漿液進行改性。水所起的主要作用是將各種成膠材料通過管路輸送到指定地點，并起到吸熱降溫作用；粉煤灰或黃土起到充填浮煤孔隙，包裹煤體，隔絕煤氧接觸，阻隔火勢的發展和蔓延，并有利于再生頂板的形成。膠體外加劑是提高泥漿利用率，并改善其防滅火效能，避免“潰水、潰漿”等次生事故的發生。

膠體材料具有如下防滅火性能：1）固水降溫性：膠體中90%以上是水，易于流動的水被固結起來，充分發揮水的降溫作用；成膠過程是吸熱反應，煤溫上升使膠體中的水汽化，也吸收大量的熱。2）滲透和堵漏性：成膠材料是易于流動的液體，滲透到煤層縫隙中后形成膠體，堵住漏風通道。3）阻化性：促凝劑和基料本身都是阻化劑，兩者反應生成的材料也是阻化劑，膠體具有通用阻化劑的性能。4）熱穩定性：在1000多度的高溫下膠體不熔化、不破裂，仍能保持完好，只是慢失水干裂。5）充填性能：增強劑（黃土、粉煤灰等）用量增加，膠體耐壓性增強，高濃度膠體泥漿可充填高冒空頂區。6）滅火安全性：由于膠體有束水作用，在用于撲滅煤火時，不會急劇產生大量的水煤氣而惡化工作環境或發生爆炸。7）有效期：正常情況下（T＜28℃，濕度＞90%），膠體可長期保存在煤層中（現場實測十三個月仍完好），防止煤層自然發火或火區復燃。8）成膠時間可控性：最短成膠時間25s，慢的可控制在2 h以上，便于針對不同發火情況和現場使用工藝對其進行適當調節。

二、膠體技術的應用工藝。

井筒封閉工程采用注膠技術就必須建立相應的灌漿注膠系統。建立系統時以“MYZ-30地面移動式灌漿注膠防滅火系統”為主，“ZHJ-5/1.8礦用移動式注漿防滅火裝置”為輔。地面移動式膠體防滅火系統構成：漿料儲存場地、漿料輸送、連續式定量制漿、過濾攪拌、輸漿及管網系統和外加劑添加等部分構成，見圖1。定量制漿部分主要目的是將加入制備機料箱里的大量土、灰按照設備要求的用量將土、灰均勻送入制漿部分，然后由制漿部分根據需要的漿液濃度配比相應的水量，并攪拌制成合格的漿液。漿液過濾部分其主要功能是把制成的不同濃度的漿液進行過濾，漿液中大于8 mm的固體顆粒物會被濾出使其不能進入注漿管路，以保證注漿管路不因固體顆粒的沉淀而發生堵塞。漿液壓注部分可將制成的合格膠體以30米揚程輸送至用膠地點。

圖1　MYZ系列灌漿注膠防滅火系統構成框圖

使用方法：工藝流程見圖2。打開供水閥門，根據計劃注漿的流量和濃度調整水量；通水一段時間后使用裝載機（當灰場高度高于制漿機料箱時可使用推土機）把土、灰從灰場加入到制漿機料箱內，制漿機的定量部分會自動按要求的用灰量把灰均勻送入制漿攪拌部分；制漿部分把水與土、灰混合、攪拌制成均勻濃度漿液，漿液自流進入過濾部分；由懸浮劑添加機在制漿機出口管加入稠化懸浮劑；過濾部分的濾漿機把漿液中的大顆粒固體濾出，合格漿液自流進入渣漿泵送至井下（灌漿站附近有鉆孔可不使用泵送，由制備機出口管路直接自流入鉆孔），漿液到達注膠地點附近時，用“煤礦用注漿機”按比例要求加入復合膠體膠凝劑，膠體通過管路注入火區或采空區。復合膠體膠凝劑會使漿液在一定時間內（1分鐘左右）發生膠凝反應，形成類似豆腐狀無流動性固體，在壓力作用下通過裂隙緩慢移動，失去部分水后完全失去流動性。井上、下配合的灌漿注膠系統的膠凝劑在井下灌漿地點附近加入，地面鉆孔的系統膠凝劑在地面鉆孔口加入。

圖2　灌漿注膠防滅火系統工藝示意圖

三、焦煤集團2130煤礦火區治理。

1.治理思路及方法。

（1）治理思路。

1）火區隔離：采用地面打鉆壓注復合膠體的方法，在將要開采的下階段綜放工作面與2130火區之間建立起膠體隔離帶，防止火區向下蔓延，同時避免火區的有害氣體涌入綜放工作面，并防止綜放工作面回采期間發生“潰漿”事故，確保采煤工作面的安全。

2）火區熄滅：采用地面打鉆壓注復合膠體的方法，降低火區溫度，充填浮煤空隙，隔絕氧氣，達到控制及撲滅2130平硐火區的目的。

3）觀測：火區灌漿、注膠效果通過地面滅火鉆孔進行互檢；火區動態監測采用鉆孔直接測溫法、氣體監測法監測火情，并對火區的熄滅程度進行監測；治理完成后，打探測鉆孔，采用測溫法和氣體監測法檢驗滅火工程效果。

治理順序如下：根據礦井生產實際情況，首先治理對目前5號煤層生產工作面25221生產有直接影響的A火區和C火區，然后根據火區嚴重情況，按順序治理B、D、E、F、G火區（見下圖3）。

圖3　火區分布情況平面圖

（2）治理方法。

地面鉆探：在地面向采空區火區施工注膠鉆孔，并在相應位置施工監測鉆孔，對火區治理情況進行監測。注膠充填：對火區及采空區壓注復合膠體，進行滅火、充填采空區，撲滅采空區火區并防止浮煤再次發生自燃或復燃，并形成采空區充填體，防止回采時采空區垮冒對生產區域的危害。觀測：注膠效果通過地面鉆孔進行互檢、監測；采用鉆孔直接測溫法和氣體監測法，監測火區治理情況。

2.地面鉆探。

1）鉆孔布置。

根據火區情況，布置鉆孔如下圖4。

2）鉆孔工程量。

本火區治理共設計鉆孔62個，平均孔深145m，共計8990米。可根據施工情況增減。這些鉆孔既可作為注膠滅火鉆孔，還可作為膠體流動范圍及測溫取氣孔。鉆孔工程總量：8990m。

3）鉆孔參數。

鉆孔開孔位置設計中會有詳細坐標、終孔位置，鉆孔平均孔深約103 m，孔徑89 mm、65 mm，套管70 mm、50 mm，采用普通鉆孔工藝、普通套管和一次成孔注膠鉆桿、鉆頭。鉆孔終孔位置為燃燒煤層底板，孔口安裝可開啟的蓋子，以便在測溫、采樣時打開，不用時封閉。

4）鉆探施工。

鉆探工程的開展是以火區剝離工程為基礎的，因此在自西向東總施工順序原則下，鉆探工程的施工順序也按照自西向東展開，即在剝離平整好的地表自西向東逐步展開火區鉆探工程；鉆探工程的施工方向按照由南向北、先重后輕的要求進行。

為使注水注漿工藝達到預期效果，鉆孔設計采用花眼布設方式，滅火孔終孔位置為燃燒煤層底板。另外，為監測火區下部火情的發展態勢，根據火區的溫區分布，必須鉆探一定數量的觀測孔。鉆孔的深度必須嚴格按照設計要求，通過現場鉆探工程師驗收為標準。除孔口為實管外，其余部分下花管，套管終孔應距煤層頂板上1～2m，鉆探觀測孔孔口安裝可開啟的蓋子，以便在測溫、采樣時打開，不用時封閉。

圖4　采空區治理鉆孔布置方案圖

3.注膠。

（1）注膠量設計。2130平硐火區需處理范圍為：傾斜長300 m，走向長1000 m，煤層厚度5 m，充填率按40%計算，需處理火區總面積為31 140 m2，并考慮1.2的富余系數（主要考慮需針對火源探測出的高溫區域進行重點處理），則需灌注的復合膠體總量為：

31140×5×40%×1.2=74736m3

本次工程注膠總量約為74736m3；粉煤灰總量約為50000 m3；水總量約為100 000 m3；膠凝劑約為75 T；JXF1930懸浮劑約為75 T。

（2）注膠比例設計。制漿比例：水：灰=1∶1；添加劑添加量：添加劑：漿液重量=1∶1000；注膠流量：30 m3/h；注膠時間：每天注膠12小時，連續灌注。

（3）注膠施工工藝。制漿機的定量部分會自動按要求的用灰量把灰均勻送入制漿攪拌部分；制漿部分把水與土、灰混合、攪拌制成均勻濃度漿液，過濾部分把漿液中的大顆粒固體濾出，合格漿液自流進入渣漿泵通過注膠管路送至井下，漿液到達注膠地點附近時，用“煤礦用注漿機”按比例要求加入復合膠體膠凝劑，通過管路注入火區或采空區。復合膠體膠凝劑會使漿液在一定時間內（1分鐘左右）發生膠凝反應，形成類似豆腐狀無流動性固體，在壓力作用下通過裂隙緩慢移動，失去部分水后完全失去流動性。

3.治理結果檢驗。通過自地面向采空區打鉆灌注復合膠體，充分充填采空區空間、包裹高溫煤體、封堵漏風通道。通過治理，火區CO氣體濃度從780 ppm降至3 ppm以下，經過半年多不間斷觀測，沒有出現任何異常，效果非常明顯，確保了該礦安全生產。

四、結論

（1）對采空區的高溫自燃區域進行治理，抑制其繼續擴大火源范圍和自燃程度，避免因此帶來的采空區有害氣體對生產系統的威脅和瓦斯爆炸事故，改善安全生產條件；

（2）復合膠體材料是很好的堵漏和固水材料，能夠有效地抑制下水平開采時破碎煤柱的漏風，并且避免了使用泥漿材料滅火時帶來的潰水危險。本項目的實施具有重要的經濟和社會效益及推廣價值。

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