黃土泥漿膠體的研制及應用

王小軍， 杜達文

（陽泉煤業（集團）有限責任公司，山西 陽泉 045000）

引 言

礦井火災是煤礦的主要災害之一。陽煤一礦所開采的煤層屬三級自然發火危險礦井，困擾著礦井的安全生產。為此，積極開展防滅火的科學研究，搞好礦井防滅火工作，是保證本礦安全生產的一個重要方面。陽煤集團一礦北丈八井開采15＃煤層，煤層平均厚度6m，具有自燃傾向性，鑒定為三級不易自燃發火礦井。該井自1979年開采，到2001年底，共發生自燃著火和一氧化碳超限15次，最短自燃發火期為22個月，火災給國家資源和財產造成很大的損失。為進一步貫徹落實“安全第一，預防為主”的方針，減少和消滅自燃火災事故，確保礦井安全生產，決定對采掘工作面的采煤方法和采煤工藝進行改進。改進后，從2002年至今，未發生自燃發火事故。但隨著生產向深部及邊遠地區轉移，礦井通風系統趨于復雜，通風壓力逐年升高，瓦斯涌出量不斷增大，綜放工作面走向長1 600m～2 000m、傾向長160m～240m。隨著工作面的增大，回采時間延長，自燃發火幾率增加，自然發火威脅愈來愈嚴重。針對“一通三防”安全管理存在的諸多不利因素，我礦“一通三防”工作始終堅持突出3個重點，嚴把3個關鍵，強化2項管理，即，突出通風系統優化調整與安全技術管理、完善防滅火系統與落實預防措施、高瓦斯區與瓦斯異常區的綜合智力等3個重點，狠抓盲巷與采空區封閉、啟封密閉排放瓦斯、瓦斯監測檢查等3個關鍵環節，強化局扇的雙風機、雙電源和礦井綜合防塵2項動態管理。緊緊依靠科技進步，加強現場管理，積極推廣應用新技術、新工藝，并結合本區實際創造性地進行技術改造，開展科研項目的研究［1-2］。

為此，我們在應用耐溫高水膠體直接滅火技術基礎上，又自行研制了黃土泥漿膠體直接防滅火技術，并在實際應用中取得了良好的效果。

1 黃土泥漿膠體成膠原理

黃土泥漿膠體成膠過程是，基料水玻璃先按一定的配比與黃土泥漿混合，然后根據所選的促凝劑按一定的配比溶解于水中，再將促凝劑的水溶液與已加入水玻璃的黃土泥漿混合液二者混合，即發生膠凝作用，生成硅膠的黃土泥漿膠體。其防滅火機理既具備耐溫度水膠體防滅火機理，又具備黃土泥漿防滅火和不泄漏等優點［3-4］。

2 黃土泥漿膠體的配比與應用工藝

2.1 配比

能否形成黃土泥漿膠體，關鍵性技術是促凝劑、基料水玻璃、水、黃土四者之間的配比。根據成膠機理，選用碳酸氫銨化肥作為促凝劑［5］。經反復實驗，當水、黃土、水玻璃、碳酸氫銨質量配比為2.0∶1.0∶2.0∶（0.5～1.0）時，可形成黃土泥漿膠體。其成膠時間為1.0min～2.5min。此膠體形狀類似果凍或蛋糕。

2.2 應用工藝

黃土泥漿膠體防滅火技術，采用如圖1所示的工藝系統。

圖1 工藝系統

該工藝系統的流程為：在地面灌漿站制備泥漿，密度為1.2～1.4；測定泥漿流量，根據泥漿流量調節加入泥漿中的水玻璃流量，使二者的流量比為10∶1；在井下距注膠地點10m范圍內安設促凝劑溶解加壓泵，加壓泵額定流量為3m2/h、壓力18MPa［6］。依據現場火區空間大小，控制成膠時間，促凝劑填加量為25kg/min～50kg/min。

3 黃土泥漿膠體防滅火現場應用實驗

通過實驗，我礦已獲得并掌握了形成黃土泥漿膠體配比、設計并實驗工藝系統及泥漿與水玻璃比例關系、促凝劑填加量等關鍵性技術。現場實際應用該技術，成功地隔離和控制了204W綜采煤工作面火災，按期穩妥地將工作面綜采設備回撤［7］。

3.1 工作面概況及發火狀況

204 W工作面位于一礦二號井東采區，走向長280m，傾斜平均長25m，煤層傾角56度，采用急斜特厚煤層水平分層綜采放頂煤采煤方法，放頂高度7.5m。該面放頂煤時，將靠底板側上部殘存火區高溫浮煤放入工作面支架頂部及采空區，煤溫達53℃，隨之工作面出現體積分數為0.07%的CO氣體、濃煙與明火，工作面被迫封閉（如圖2）。若采用常規的隔絕灌漿滅火方法，一是工作面綜采設備會被泥漿浸泡腐蝕，灌漿后清理量大，綜采設備需投人大量資金更換配件，進行檢修；二是滅火周期長，礦生產任務緊，無綜采設備投人。鑒于此，決定以打鉆注黃土泥漿膠體直接防滅火技術為主要手段進行防滅火后，將綜采設備回撤。

3.2 黃土泥漿膠體防滅火技術實驗步騾

3.2.1 利用鉆孔壓注泥漿膠體

在回風巷向工作面底板至5號支架后部設計3個鉆孔，計劃注膠35m2。

圖2 204W—2采煤工作面

3.2.2 利用排水巷打鉆壓注泥漿膠體

在排水巷用EZZ麻花代用鉆，從第15號支架開始逐步向下出口打鉆，鉆孔內下6套管，計劃注漿100m2。

完成上述準備工作后，按下列步驟實施壓注膠體：

1）工藝設備安裝。先將0.5m2箱擱置在地面灌漿站泥漿池內，測得泥漿流量32m3/h。將水玻璃流量調節為3m2/h［8］。

2）促凝劑溶解加壓泵安設在回風巷（排水巷壓注膠體時設在排水巷內），距鉆孔3m處接好電、水源。成膠時間控制在80s內（排水巷為50s），則每分鐘填加碳銨化肥30kg左右（排水巷為40kg）［9］。

3）地面開始下泥漿與水玻璃混合液體，該液體流經地面。井下灌漿系統至鉆孔注膠處需25min。地面開始啟動清水泵時間，通知井下后再開啟加壓泵，25min后填加促凝劑（碳銨化肥）。分別在回風巷、排水巷鉆孔2次，壓注黃土泥漿膠體40m2、32m2，對支架頂部和采空區發火，形成一條黃土泥漿膠體的隔離帶，保證了工作面回撤期間既未出現明火又未出現火勢增大的趨勢，使工作面綜采設備順利安全地回撤，達到了預期的防火目的［10］。

3.3 黃土泥漿膠體防滅火技術的優點

1）從應用結果看，黃土泥漿膠體能夠起到耐溫高水膠體與黃土泥漿防滅火的雙重作用，滅火效果顯著。尤其是黃土泥漿膠體壘堆成墻形條帶，堵漏隔氧，吸熱降溫，使火區中灼熱的破碎煤體溫度下降很快。灑漿或灑水以及注水澆注漿都達不到這種效果。

2）從應用工藝看，操作簡單，在壓注膠體最短距離處安設促凝劑溶解加壓泵，能充分利用礦井原有的防滅火灌漿系統，同耐溫高水膠體工藝系統相比，具有工藝簡單、操作簡便的優點，適宜井下任何條件實施黃土泥漿膠體防滅火工作。

3）向火區注漿雖起到降溫作用，但泥漿易流失，而黃土泥漿膠體可人為控制起來。

4）膠體遇高溫成膠速度加快，滅火效果比水、泥漿更好，并具有耐高溫特性。

5）它不同于耐溫高水膠體的優點是，若選用銨鹽類作促凝劑，分解出對人體感官有刺激性的氨氣被泥漿吸附，避免了氨氣對工作環境的污染和對人體的危害。

3.4 經濟效益分析

耐溫高水膠體與黃土泥漿膠體材料費用相比較，1m3耐溫高水膠體材料費54.5元，1m3黃土泥漿膠體材料費35.9元，后者比前者材料費少18.6元/m3。顯然，應用黃土泥漿防滅火技術經濟效益顯著。

4 結束語

黃土泥漿膠體直接防滅火技術的自主研制，并在現場實踐應用中取得成功，使防滅火技術手段又提高到了一個新水平。該技術同耐溫高水膠體直接滅火技術相比，具有材料費用低、工藝簡單、操作簡便的優勢，是一種安全、經濟、可靠的防滅火技術。

［1］ 徐精彩.煤層自燃膠體防滅火理論及技術［M］.北京：煤炭工業出版社，2003.

［2］ 王德明.礦井火災學［M］.北京：中國礦業大學出版社，2008.

［3］ 周軍民，張吉林，郭俊祥.利用膠體泥漿治理綜采面停采線內因火災［J］.煤，2001，10（1）：24-25.

［4］ 郭興明，徐精彩，王更雨.處理小窯入侵造成自燃的膠體泥漿技術［J］.陜西煤炭技術，2004（3）：21-24.

［5］ 張玉治，陳振永.復合膠體在防滅火中的應用［J］.中州煤炭，2007（1）：87-88.

［6］ 谷天峰，孫忠弟，駱鳳濤，等.水泥-黃土注漿充填材料的試驗研究［J］.工程地質學報，2014，22（1）：98-105.

［7］ 王洪波.泡沫泥漿鉆進工藝在山西平朔東露天礦勘探施工中的應用［J］.中國煤炭地質，2008，20（B9）：103-104.

［8］ 王銀梅，韓文峰，諶文武.新型高分子固化材料與水泥加固黃土力學性能對比研究［J］.巖土力學，2004，25（11）：1761-1765.

［9］ 蘇琳，郭軍偉，賀曉剛.深部大傾角綜放面撤面期間綜合防滅火技術［J］.煤礦安全，2007（5）：25-26.

［10］楊彬，翟小偉，楊紅革.北馬坊煤礦2134復采工作面煤自燃防控技術研究與實踐［J］.煤炭工程，2013，45（9）：47-49.