關于煤礦注漿防滅火技術規范不合理性研究

王海寧

（鄂爾多斯市神東工程設計有限公司，內蒙古鄂爾多斯 017209）

關于煤礦注漿防滅火技術規范不合理性研究

王海寧

（鄂爾多斯市神東工程設計有限公司，內蒙古鄂爾多斯 017209）

灌漿防滅火技術是利用注漿材料加水后制成漿的基本原理，用水力的作用將漿注入到煤井下的防滅火區域，通過注漿材料與水的相互作用，冷卻煤炭的溫度，防止或避免火災發生的一項防滅火技術。本文從注漿防滅火技術的規范出發，依據注漿防滅火的注漿量的計算、效果分析及設備選型三個方面，對現行的煤礦注漿防滅火技術規范進行審視，總結歸納現行注漿防滅火技術的不合理性，并提出相對應的修改建議，以期為防滅火技術的發展與創新提供借鑒。

注漿防滅火技術規范 不合理性 效果分析

灌漿防滅火方法采用的是將注漿材料進行細粒化后加入水而制備成漿，注漿材料一般為頁巖、粉煤灰、尾礦、黃土等材料，這些材料要通過水的輸送到達煤礦井下，并將其注入所需要的防滅火區域，對漏風通道進行封堵，通過煤巖的包裹來阻止氧化，并對煤巖的溫度進行冷卻，達到預防或者撲滅礦井的火災，實現火災的提前預防與預警。本文通過灌漿防滅火技術的發展現狀，探析注漿技術的不合理計算，對其效果的片面性及設備選型的缺失性進行分析，提出有關的修改意見及發展趨勢。

1 灌漿防滅火技術的發展現狀

煤礦行業發展的主要災害之一是礦井火災的發生，從火災發生的原因來看，煤炭自然引發的火災占到總災害的90%以上。煤自燃作為一種高發的災害，需要具有多種條件與環境的支撐，如煤炭本身的自燃傾向、氧氣的連續供應、煤炭存在的破碎情形以及積聚氧化熱的自然環境。在這些條件中，煤炭的自燃傾向與積聚氧化熱的環境都表明煤自燃的過程中必須要有厚度較大、狀態松散堆積的浮煤，它能夠使浮煤通過氧化產生的一些熱量，這些熱量不斷地進行積聚，并且煤自燃點與煤體暴露面之間存在一定的距離。由此可見，防止煤自燃的途徑可以從自然的條件入手，減少自燃的條件就能夠避免煤自燃情況的發生，而最主要的方法就是在采空區內減少丟煤量。現階段，受到生產工藝及技術水平的影響，減少煤自燃的手段不再僅僅依靠減少采空區丟煤量這種方法，還開發出出許多防止煤自燃火災的辦法與技術，如注漿、灌注凝膠、提高資源的回收利用率、保持通風系統的暢通等等，這些方法都能夠通過降低煤自燃的比率來減少煤礦的火災，其中，注漿防滅火技術是煤自燃火災防治的重要技術措施之一。

2012年度，霍洛灣煤礦發生火災，經過礦井瓦斯等級的鑒定，結果顯示為I級容易發生自燃煤層的自然發火傾向。從煤的氧化程度視角來看，各煤層基本為容易自燃的煤層，自燃發火期大約為一個月。東勝各個煤田的自然發火期基本為40-60天左右，依據煤礦開采煤層的自然發火期與自燃傾向性，很多礦井采取綜合預防煤田自然發火的措施。灌漿泥漿系統是解決這類煤田自然發火的主要措施，這種系統一般由制漿、運漿、注漿三個系統構成，制漿系統可分為制漿生產與電氣控制兩個部分，運漿系統則是利用管路輸送等方式來實現運漿的過程；注漿系統主要由管路加壓泥漿泵、井下注漿機井下埋管三個部分組成。目前，我國的采煤設備及工藝都向著現代化的方向不斷發展，現代化礦井的生產能力能夠對達到千萬噸的數量，龐大的生產能力與現行的注漿防滅火的設計水平形成巨大的差距，造成火災現場難以滿足現代化礦井的注漿量計算需求。另外，由于注漿需要達到漿液保濕保水效果的增加，粉煤灰或者黃土脫水時間的延長、注漿管路堵塞的避免等效果，基于只灌注黃泥漿這種單一的方式，研制出各種各樣的漿液添加劑，這些漿液添加劑在一定程度上滿足了現代化礦井的部分需要，但現行的注漿防滅火技術規范與龐大生產量的工廠之間的吻合度仍有較大的一段距離，如何使防滅火技術適應生產能力較強的工廠成為研究的重要課題。

2 注漿量計算的不合理性

2.1 注漿量的計算分析

礦井注漿量在現行的注漿防滅火技術規范中的計算公式［1］為：QW=kG（δ+1）M/rct

其中，不同的字母代表的含義分別為：QW為礦井注入量，單位為m3/h；k代表灌漿系數；G代表礦井日產煤量，單位為t/d；代表土水比的倒數；M代表漿液制成率，取0.9；rc代表煤的密度，單位為t/ m3；t代表礦井日注漿時間，單位為h。

通過礦井注漿量的公式可知，在現行注漿防滅火技術規范中，每天的注漿量計算是兩個方面的比值產生出來的，一方面是每天產生采空區的總體積，另一方面是漿液中存在的粉煤灰等固體顆粒或者黃土所占體積分數，這兩個方面的比值就是每天的注漿量數量。根據公式的表達與計算可得出，注漿量與水土比值及礦井的整體產量具有直接相關的關系，也就是說，當煤炭回采率提高時，煤炭的生產量就會越高，與之相應的所需要的注漿量也會隨之增加。除此之外，當注漿的漿液中無限稀釋固體顆粒的含量，就會使得所需要的注漿量繼續擴大，最終可能會導致用水來填充整個工作面仍無法達到注漿需求的現象。從計算公式來看，上述的計算內容與實際的注漿防滅火技術規范并不匹配，表明注漿量計算在注漿防滅火技術中仍存在一定程度而局限性和制約性。

2.2 注漿量計算不合理的歸因

現行注漿防滅火技術規范中的注漿量計算要依據各工作面的丟煤量或礦井的總產量展開計算，伴隨著采煤技術與工藝的發展進步，新疆、內蒙及陜西等區域出現條件較好的煤區，礦井的生產能力達到近年產千萬噸。如果按照現行注漿防滅火技術規范來計算，1200萬t/a生產能力的礦井，5%的灌漿系數，330d/a礦井生產時間，1：3的土水比，1.35t/m3煤的密度，依據每天12h的注漿時間來計算，單位時間的注漿量可以高達404m3/h。在實際的礦井注漿過程中404m3/ h的注漿量所需要的足夠的供水能力是很難達到的，而且漿液會出現脫水的現象，這就對礦漿在排水方面的能力提出了更高的規范與要求，由此可知，現行的注漿防滅火技術規范與現代礦井所需要的注漿防滅火技術要求必并能相互適應、相互匹配。

2.3 注漿量的影響因素解析

首先，采空區的丟煤量是影響注漿量的首要因素。由于采空區內產生遺煤氧化蓄熱現象，導致礦井煤體自燃的問題，一般而言，采空區內的丟煤量與遺煤自燃的比率具有密切相關性，當采空區內丟煤數量越多時，就會造成采空區遺煤自燃的比率越大，這與礦產所產生的總產量并沒有直接的關系。由此可見，在計算礦井注漿量時，要以各工作面的丟煤數量作為依據，而個工作面又應該將采空區的丟煤量與工作面的采煤方法相互結合，依據不同的工作面在煤層賦存條件方面及推進階段方面的差異，選取具體可行的修正系數。其次，煤的自燃傾向性是影響注漿量的另一因素，基于不同煤種自身變質程度的不同，煤體自燃的難易程度也會有所不同。因此，不同的煤種在發火危險程度及自燃幾率等方面也存在著顯著地差異。依據目前使用的煤體自燃傾向性的相關鑒定方法，可以在常溫（30°）、常壓（1.0133×104Pa）下每克干煤的吸氧量作為主要的分類指標，以不易自燃、自燃、易自燃的分類來劃分煤體的自燃傾向性。由此可見，在煤體自燃過程中，可以采用注漿措施來治理煤體的自燃現象，并依據不同煤種性的性質及自燃傾向性，及時的對注漿量進行相應的修正與改進。最后，其他因素的影響。除了采空區的丟煤量、煤體的自燃傾向性兩個因素因外，還有一些因素也會影響到注漿量的計算過程，如水分的吸熱作用形成的水分蒸發，降低煤炭溫度，破壞煤體自燃氧化蓄熱的條件，達到冷卻煤體的效果［2］，這是一種常見的影響因素，還有不同防滅火添加劑材料、水土比的不同成漿率以及工作面推進情況等等，這些因素都會影響到注漿量的計算過程。因此，在考慮注漿量的計算時，要綜合各種因素的影響方式，控制無關變量的不利影響，積極修正不同影響因素的作用與效果。

3 效果分析過程的片面性

現階段的注漿防滅火技術規范在效果分析過程方面存在著片面性，這種片面性主要存在于兩個方面。

（1）防滅火效果的忽略。

注漿防滅火過程中會采用粉煤灰漿或關注黃泥漿的方式來進行滅火，而粉煤灰漿或黃泥江又需要通過兩個途徑來防止采空區內的煤體自燃，一是通過減少覆蓋煤體表面與煤氧的接觸，通過對漿液的自然沉淀及層層過濾松散的煤體，將粉煤灰或者固體顆粒的黃泥遺留在采空區內，形成對采空區所有遺煤的包裹，阻隔煤與氧的接觸，防止煤炭的自燃現象的發生；二是通過吸熱降溫的方法來防止煤體自燃。自然界中的水是比熱容量最大的事物，也是吸熱降溫材料中使用最廣泛、最經濟的物質，1L水可在變成蒸汽時可以吸收2256.7KJ的熱量，還會生成1.7m3的水蒸氣，因此，水可以吸收煤中的熱量，通過破壞煤的蓄熱環境來降低煤炭的溫度，還可以通過大量水蒸汽通過稀釋空氣中氧濃度的方法來達到窒息火源的目的。從目前的注漿防滅火技術規范的效果分析來看，它只考慮到粉煤灰在充填覆蓋等方面的作用，忽略了水的蒸發所帶的吸熱窒息效果，以及通過水分蒸發導致的破壞煤自燃引發氧化蓄熱條件的防滅火功能。

（2）防滅火效果不明顯。

注漿防滅火技術規范中的效果不明顯主要表現為防滅火效果不能體現新型材料。近幾年來，伴隨著煤礦安全技術的快速發展，各科研員所在煤自燃火災的治理方面不斷的探究出新型的防滅火物質和材料，主要包括懸浮劑、高分子凝膠、塑料水玻璃凝膠劑JTJ-1型膠體材料等，這些新型材料通過增加漿液的堵漏風能力、吸水能力及覆蓋能力，擴展了漿液所帶來的保濕保水的時間段，促使漿液單位體積的防火能力迅速的提升，并在一定程度上實現了注漿量的降低。但是，從現在采用的注漿防滅火規范來看，防滅火效果并不能體現新型防火材料所帶來的特殊效果，也無法說明新型材料在注漿量減少方面所帶來的優越性。

4 設備選型計算的缺失性

現階段，注漿防滅火技術規范在設備選型方面主要有兩種計算，一方面是輸漿管路直徑計算，另一方面是管路沿程阻力損失計算。各個礦井由于注漿量、注漿管路長度、注漿材料種類及注漿材料在不同時期的水土比例存在不同情況，現行的注漿防火技術桂法缺少注漿管路壁厚、管路中臨界流速等參數的選型。伴隨著注漿管理的不斷延長、采取范圍的無限擴大，注漿管路受到的損失也隨之不斷的擴大增加，基于不同礦井中輸漿管路與煤層深埋在總水頭等方面的損失值各不相同，礦井一般會采用渣漿泵加壓輸送的方法來解決單獨通過漿液自流無法滿足注漿要求的情況。同時，在渣漿泵選型的一系列過程中要對電機功率、輸送不同注漿材料揚程及輸送不同濃度揚程的損失參數及應對渣漿泵的清水揚程進行相應的計算，以此來增加實際生產過程中規范的可操作性。

綜上所述，注漿防滅火技術在注漿量計算、效果分析及設備缺失等方面存在這不合理性規范，但這并不能說明注漿防滅火技術沒有可取性，經過一系列的改進與修正，注漿防滅火技術還是可以發揮一定效用的。目前，有些煤礦企業開發出新的注漿防滅法技術，如江蘇的姚橋煤礦，在傳統的注漿防滅火技術基礎上重新設計出新的注漿防滅火技術，分別為凝膠防滅火技術、膠體泥漿隔離帶防滅火技術、無氨凝膠防滅火技術、注漿自動檢測新技術等等。還有多功能灌泥漿工藝流程與系統，多功能灌泥漿系統的構成部分為儲存場地、水泵、上料設備、渣漿泵、聯合制漿機、流量計、制漿設備輸設備等，其工藝流程較為簡單。

從圖1工藝流程來看，多功能灌漿系統主要包括注漿與排渣兩個方面。在注漿過程中，首先要將供水閥門打開依據注漿的計劃濃度與流量來調整供水的水量；然后，在經過一段時間的通水后再進行通電，利用通電來實現聯合制漿機滾筒的正向旋轉，將黃土用裝載機從儲土場運送到聯合制漿機內部的料箱中，送料裝置會根據已經設置好的料量將黃土放入到制漿裝置中的滾筒內；最后，將水從送料裝置加入到制漿裝置，制漿裝置發揮將黃土與水先混合后攪拌的作用，將黃土與水調制成均勻濃度的漿液，漿液會通過制漿機尾部流入到慮漿裝置，一部分合格漿液會進入漿液緩沖池，通過漿液的自流或者經過渣漿泵的輸送最終進入注漿管路。在排渣過程中，切斷系統正常運行時的聯合制漿機送料裝置的電源，通過連續通水繼續運行聯合制漿機，十分鐘以后，停水并關閉聯合制漿機電源，等待制漿機的滾筒完全靜止。然后反向開啟聯合制漿機貫通，這時聯合制漿就進入了排渣的狀態，殘渣會從滾筒尾部首先進入到慮漿裝置，在經過慮漿裝置后，殘渣會落入渣坑中，積攢到一定數量或高度的殘渣會用裝載車一起運走，一般而言，每兩個班會清渣兩次，如果遇到沙土含雜質較少、沙土質量比較高的情況，則可以一班清查一次。

從灌漿的方法來看，煤礦礦井井下的煤層由于自然發火期比較短，工作面的前進速度較快，依據附近礦區或鄰近礦井的經驗，采取隨采隨灌與采完后灌漿相互結合的灌漿方法。在使用隨采隨灌的方法時，要采用埋管灌漿的基本方法，在回采的過程中，按照工作面的不斷推進，在采空區內的放頂前沿兩邊的順槽中預先將灌漿管埋好。在工作面回采結束后要先對采空區進行及時封閉，然后將在密閉上預留的灌漿管向停采線以內的采空區進行灌漿，并安排專人定期檢查觀測注漿滅火區的現場情況，注漿防火工作面的相關環境以及采空區的煤溫、氣溫等方面的條件。在灌漿操作過程中，需要遵循幾點要求：第一，灌漿場地要有良好的通風條件，禁止將通風設在盲巷內；第二，灌漿操作點的支護必須安全可靠，不能夠設在臨時支護的區域；第三，灌漿操作點必須要有良好的防塵、防火及排水的條件，防止操作點出現各種危險；第四，操作人員必須要佩戴規定的安全防護用具，保證工作與個人的安全。

從多功能灌漿防滅火技術的功能來看，它主要兩方面的突出功能。其一，制漿數量較高。多功能灌漿防滅火系統可以將最多23. 3m3/h的制漿土混合成具有一定濃度的漿液，并在過濾以后通過特定的管路進入到注漿的地點，以此達到防滅火的效果；其二，在必要的情況下，可以灌注稠化的膠體。將稠化浮分子按照一定的比例加入到漿液中，漿液會變成稠化膠體，再通過灌漿管網，最終到達用漿的地點。另外，稠化浮分子既具有減少懸浮固體顆粒的作用，又能夠降低漿液的阻力，同時還能增加漿液的輸送距離，有效的防止管道堵塞的發生。

5 結論

注漿防滅火技術作為煤體自燃火災防治的主要措施之一，已經受到廣泛的應用與推廣，但是，由于近幾年來煤礦行業的不斷發展與擴大，我國礦井的生產能力在不斷大幅度的提高，造成龐大的生產能力與原有的注漿防滅火技術規范的沖突與矛盾，使得注漿防滅火技術不能適應現階段礦井的生產能力需求。綜上所述，從現階段注漿防滅火技術規范的注漿量計算、效果分析過程及設備選型計算等方面來看，我國的注漿防火技術不能滿足現代化礦井的防滅火需求，兩者之間存在著較大的鴻溝，但這并不意味著注漿防滅火技術是缺少實用性的，要利用現代化的技術手段與信息發展，對注漿技術進行不斷地改造與更新。例如，可以通過輸漿管路直徑計算及管路沿程阻力損失計算等方式，通過渣漿泵的選型、管路壁厚參數及管路中臨界流速參數的選型、渣漿泵加壓輸送等方面，形成完整的一套注漿系統。

［1］楊懷玉.張青松注漿防滅火技術規范不合理分析［J］.中國煤炭，2013（11）：100.

［2］居穎.注凝膠注漿防滅火技術在袁倉煤礦的應用［J］.黑龍江科技信息，2012（3）：98.

王海寧（1983—），男，陜西省延川縣人，本科學歷，目前是工程師，從事煤礦井下及地面機械設備布置及安裝設計工作。