粉煤灰復合膠體在火區治理中的應用

甘元平，王寶群

(新疆焦煤集團，新疆 烏魯木齊 830018)

0 引言

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[1]。新疆焦煤集團1930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。目前該礦的開拓方式為：平硐、斜井、運輸大巷及石門等，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。

2014年8月15日，二采區+1 870 m水平變電所回風道內出現煤層自燃預兆，根據1930煤礦監測監控系統數據顯示，自2014年8月15日10：05分二采區總回風巷出現一氧化碳報警現象，當班安排通風隊密閉檢查人員對二采區所有密閉進行了排查，發現5#軌道下山東幫部分密閉內一氧化碳濃度較高，同時5#軌道下山上段(變電所回風口以上)一氧化碳出現異常，為確保安全快速查出異常原因，礦井通風室在17：02分左右聯系救護隊進入井下查找原因，查出二采區變電所回風道東幫及頂部有自然發火預兆。礦井立即啟動了火災應急處理預案，于8月17日晚23點，經新疆煤礦安全監察局、重慶煤科院專家及新疆焦煤集團火災應急指揮部共同研究確定封閉二采區。

水是滅火的最直接、最有效的物質。但水的流動性較強，無法在高溫區域長時間存在。為使水在高溫區域長時間停留且效果好、價格低的做法是將土或粉煤灰等物質與水混合制成灌漿防滅火材料。灌漿用的水和黃土、粉煤灰需從外區運送，因此只有提高水與土或粉煤灰的效率，才能有效降低注漿成本。黃土膠體或粉煤灰膠體充填封堵采空區的目的是堵住漏風通道，膠體中的水分可以起到降溫的作用，膠體覆蓋在煤體表面又可以起到阻隔氧氣的作用。膠體防滅火技術具有固水降溫、堵漏降氧、覆蓋阻化等優勢。全國范圍內利用該技術已成功撲滅數百起煤自燃火災，且較好地預防了工作面停采期間的采空區自燃隱患，是目前煤礦自燃火災防治的主要方式之一[2-3]。

以1930煤礦煤自燃為例，采用西安科技大學防滅火團隊研發的膠體防滅火技術，對自燃隱患區域進行充填封堵。本次以粉煤灰復合膠體為主，根據需要可加入其它輔助材料。

1 膠體技術防治煤火的理論基礎及應用

1.1 膠體技術防治煤火的理論基礎

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。依賴于水較強的傳熱與吸熱性能，它是理想的滅火降溫材料；且它具有很好的流動性，故可調和并攜帶粉煤灰等骨料直達用漿地點。粉煤灰骨料在充填采空區孔隙的同時，由于對煤體形成了包裹作用，所以將氧氣與煤隔離開來，達到控制煤火災害繼續發展的目的。在以往的膠體注漿過程中出現過潰水和潰漿事故，為有效控制并避免此類事故，在此次注漿中添加了輔助外加劑[4-5]。

在粉煤灰膠體漿液中水份含量超過90%，其余為骨料和添加劑，膠體將易于流失的水“鎖住”，長時間停留在高溫區域，依靠其較強的吸熱作用從而達到降溫作用，在成膠過程中吸收的大量熱能使水汽化，由于粉煤灰漿液大部分是水，因此漿液的流動性較好，可以很好地滲透到煤巖裂隙中，而后形成粉煤灰膠體，達到充填裂隙和封堵漏風的效果；粉煤灰基料本身不自燃，添加劑中促進漿液凝固的促凝劑亦不可燃，基料與促凝劑的反應生成物也是一種不自燃的促凝和阻化溶劑。通過在實驗室實驗發現，在1 000 ℃以上的高溫中粉煤灰膠體沒有出現熔化或破裂的現象，僅僅是失去部分水出現干裂，膠體整體依然相對完好；在粉煤灰骨料添加量增大時，膠體的整體抗壓性則越大，堆積性越高，可實現對高冒空頂區的有效充填；眾所周知，用水直接撲滅高溫火區時，曾發生過爆炸等次生災害事故，而粉煤灰膠體的鎖水作用則很好地避免了水煤氣爆炸或污染環境。根據管路的長短、所需滲流的范圍等可以控制成膠時間，最小的成膠時間為25 s，長的可達2 h之上，根據各自火區情況和現場工藝等自行調整[6-7]；根據實驗室測試，在溫度低于28 ℃，濕度大于90%的環境中，膠體可長期完好保存在煤體中，根據現場注膠后觀測，13個月后膠體依然完好。綜上可以看出粉煤灰膠體具有如下優點：鎖水、降溫、流動滲透性好、充填堵漏、阻化、高溫穩定、安全性高、有效期長、成膠時間范圍可調等。

1.2 膠體技術的應用

基于灌漿注膠系統的注膠技術是井筒封閉過程中所必需的專業技術。該系統以“MYZ-30”型地面移動式灌漿注膠防滅火系統為主，與“ZHJ-5/1.8”型礦用移動式注漿防滅火裝置為輔。

如圖1所示，MYZ-30型地面移動式灌漿注膠防滅火系統主要有5大部分組成，分別為：骨料(粉煤灰)存放場地、骨料輸送裝置、定量型連續式制漿裝置、漿液攪拌過濾裝置、漿液輸送裝置、輔助材料添加裝置等。定量型連續式制漿裝置的作用為按所需要求恰當配比灰、膠凝劑等，按預設比例將上述原料輸入制漿裝置，然后制漿裝置根據比例配送合適的用水量，然后邊攪拌邊濾除雜質，制備出合格的理想漿液。漿液攪拌過濾裝置的作用為把調配好的不同濃度的漿液井下排渣過濾，在此過程中粒徑超過8 mm的顆粒物將被篩選并排出，以此來保證輸送管路不會因為大直徑顆粒物阻塞或沉淀而發生阻塞現象。漿液輸送裝置可以把以上制備的理想粉煤灰膠體輸送至目標地點。

圖1 MYZ系列灌漿注膠防滅火系統構成框圖

使用方法及工藝流程如圖2所示。依據用漿量的濃度和設備流量計算好水的用量，氣動設備，開啟給水開關；給水一定時間后，利用裝載機或其它方式將粉煤灰裝填入漿液制備裝置，制漿機中的定量配送裝置將按需求自動調配粉煤灰用量，而后將粉煤灰均勻的送進制漿攪拌裝置；水與粉煤灰等原料到制漿機后，會被制成濃度均勻的漿液，而后均勻的漿液流入過濾裝置；為了方便漿液在管路中的流動與運輸，在制漿機出口處連接有懸浮劑相關設備，初始漿液中大直徑的固體顆粒會在過濾裝置中被剔除出，而后理想漿液流入渣漿泵，輸送至井下預設位置，在預設位置處有“煤礦用注漿機”，該設備按設計比例向上部漿液中加入復合膠凝劑，粉煤灰膠體通過預設鉆孔被注入至采空區高溫異常區域或煤層火區。

圖2 灌漿注膠防滅火系統工藝示意圖

粉煤灰復合膠體漿液在壓力作用下通過裂隙緩慢移動，到達目標位置的很短時間內將發生膠凝反應(時間可調，一般約60 s左右)，膠凝反應后漿液將轉化成外形似豆腐形狀的沒有流動性的固體，失去部分水分后它完全喪失流動特性。

2 焦煤集團1930煤礦火區治理

2.1 治理思路及方法

治理思路：盡可能分析火源位置，并對已確定的火源進行探明后滅火治理，對可能存在的火源進行預防性治理。滅火技術采用粉煤灰復合膠體為主對采空區及火區進行灌注，撲滅火源及封堵漏風通道。本方案在實施過程中應根據火區的實際情況做出詳細的施工方案，并對施工過程進行指導。

治理方法：地面鉆探是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。注膠充填是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。觀測是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。

2.2 地面鉆探

鉆孔布置：根據火區情況，布置鉆孔如圖3所示。

圖3 采空區治理鉆孔布置方案

鉆孔工程量：根據治理需要，共需布置鉆孔約13個，成功鉆孔率應高于80%，因此實際有可能需施工鉆孔15個，鉆孔平均深度約100 m，鉆孔總長度約1 500 m。在地面建立制膠站，通過高壓泵站把粉煤灰膠體輸送至鉆孔注入井下。

鉆孔參數：鉆孔開孔位置設計中會有詳細座標、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。

鉆探施工：剝離工程是進行火區鉆探施工的前提和基礎。在由西往東的總體施工順序指導原則下，鉆探施工工程亦遵從上述由西向東的開展順序，即在剝離整理好的地表由西往東逐步進行高溫火區的鉆孔探測施工工程。火區鉆探施工工程除了上述由西往東的原則外，還遵循自南往北、由重至輕的原則。

在利用粉煤灰膠體處理煤層火區時，為使該技術工藝實現預設目標，注漿鉆孔的布設方式為花眼形狀，注漿孔中孔位置應在煤層高溫區域上部。為有效觀測采空區或煤層高溫區域的時空演變過程，根據采空區或煤層溫度場分布規律實施一定數量的觀測鉆孔。觀測鉆孔應達到設計規定，以現場防滅火專家與鉆探專家共同驗收合格為準。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1～2 m，觀測鉆孔的另一端安裝方便開啟與關閉的活動開關，以便在抽氣和測溫時開啟，其余時間處于關閉狀態。

2.3 注膠

注膠量設計：充填廢棄巷道注膠量為6 m2(斷面)×200(巷道長度)×2.0(充填系數)=2 400 m3。充填冒落及采空區注膠量估計約20 000 m3。本次工程注膠總量約為22 400 m3；粉煤灰總量約為15 000 m3；水總量約為50 000 m3；膠凝劑約為25 t。

注膠配方設計：利用粉煤灰膠體處理煤自燃災害時，若高溫區域所在的采空區面積較大時，應合理調整注膠參數，在保證注膠效果的前提下，為節約成本，盡可能的降低膠體用量。注膠施工時，井上與井下需同時有注漿技術人員，對發生的異常情況及時做出調整，并對調整情況及時備案。①充填巷道注膠—水灰比=1～1.5∶1；膠凝劑添加量：0.1%；注膠時采用間斷注膠，即注一定時間(約3～4 h)便停一會(約1 h)，間斷注膠的目的是使膠體中的水分充分脫出，增大膠體的堆積率；②滅火注膠—水灰比=1～1.5∶1；膠凝劑添加量：0.3%。為了增加膠體在高溫區域中的漿液流動性，增大漿液的有效覆蓋范圍，提高滅火效率，應采用連續性大量灌漿；③冒落及采空充填注膠—水灰比=1∶1～1.5；膠凝劑添加量：0.1%。為了使膠體在采空區冒落區域的孔隙和裂隙中充分充填，采有的注漿方式為間歇式反復灌漿，即灌注1 h而后停歇0.5 h，依此循環往復，在達到膠體在孔隙或裂隙中充分充填的同時，滿足了停止灌漿后膠體中水分盡可能脫出的效果。

注膠施工工藝：水與粉煤灰等在定量輸送裝置的作用下被送入制漿裝置。制漿裝置將水與粉煤灰等原料充分攪拌均勻，并將漿液中的大直徑顆粒排出。制成的合格漿液在渣漿泵的作用下進入注漿管路送至井下，在達到用膠地點附近時，利用“井下移動式礦用注膠機”按設計量添加如膠凝劑，而后加入膠凝劑的漿液被輸送至高溫火區。粉煤灰復合漿液到達采空區后很快發生膠凝作用，形成形如豆腐狀的不具有流動性的固體，在壓力作用下通過孔隙或裂隙緩緩運移，失去大部分水分后將完全喪失流動性。

2.4 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，火區一氧化碳氣體濃度從999 ppm降至15 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。

3 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。