煤層自燃多功能灌漿注膠防滅火系統(tǒng)及其應用

摘 要：黃泥灌漿和膠體防滅火技術是煤層自燃火災防治的主要手段之一，多功能灌漿注膠防滅火系統(tǒng)將這兩項技術有機地給合在一起，提高了系統(tǒng)利用率。該系統(tǒng)能夠使用黃土、粉煤灰、砂土、矸石等多種灌漿材料，實現(xiàn)了不同濃度漿液的制備及高濃度漿液的管路輸送，提高了灌漿效率。完善的自動化控制系統(tǒng)確保了灌漿注膠防滅火系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，減少了人為因素的影響，提高了系統(tǒng)的可操作性。通過各種外加劑添加系統(tǒng)，變換外加劑，實現(xiàn)了大流量地壓注稠化膠體、凝膠、復合膠體等多種新型防滅火材料，有針對性地處理各種不同情況下的煤層自燃。應用該系統(tǒng)成功地撲滅了五虎山礦大面積高溫火區(qū)，保證了402綜采面的安全采出。
關鍵詞:煤層自燃； 灌漿；膠體；防滅火

1引言

黃泥灌漿是煤層自燃火災防治的主要手段之一[1]，由于某些地區(qū)（尤其是煤層自燃嚴重的西部地區(qū)）黃土資源匱乏，有必要采用一些替代材料用于灌漿防滅火，且現(xiàn)有灌漿防滅火系統(tǒng)的制漿濃度無法控制，水土比通常較低，井下漿液流失量大，灌漿效率低，若提高泥漿濃度，黃土易在管路中沉降，出現(xiàn)堵塞管路的問題。膠體防滅火技術[2~6]集堵漏、降溫于一體，防滅火效果佳，已成為煤層自燃火災治理的主要技術手段之一，但采用井下移動式注膠防滅火系統(tǒng)，設備安裝運行及材料運輸均不能迅速實施，且注膠流量小，材料運輸量大，使得滅火效率降低。

因此，有必要根據(jù)各地的實際情況，建立多功能灌漿注膠防滅火系統(tǒng)，使其能夠使用黃土、粉煤灰、砂土、矸石等多種灌漿材料，且實現(xiàn)不同濃度漿液的制備及高濃度漿液的管路輸送，提高灌漿效率，并通過向灌漿系統(tǒng)中加入少量外加劑，實現(xiàn)壓注凝膠和復合膠體材料等功能，有針對性地處理各種不同情況下的煤層自燃。

2系統(tǒng)構成及功能

礦井多功能灌漿注膠防滅火系統(tǒng)由地面和井下兩部分組成，系統(tǒng)構成見圖1、圖2和圖3，對于地面煤層自燃火災防治，僅需將井下部分移至地面即可。

2.1灌漿

各種制漿料通過漿料破碎過濾及輸送系統(tǒng)送至連續(xù)式定量制漿系統(tǒng)內(nèi)，與水泵輸送過來的水定量混合（水土比為1：1～1：0可調(diào)）、攪拌成漿后，輸送至濾漿機過濾，然后由渣漿泵輸送至井下灌漿管網(wǎng)系統(tǒng)，輸送到灌漿地點。

2.2壓注稠化膠體

漿液濃度較大，或使用沉降速度較快的砂土或粉煤灰制漿時，需通過外加劑添加系統(tǒng)A向漿液中加入稠化懸浮劑，形成稠化膠體后，再輸送至灌漿管網(wǎng)。

稠化膠體由稠化懸浮劑、水和制漿料構成，見圖4。稠化懸浮劑能提高漿液粘度，使砂、土或粉煤灰懸浮，漿液在使用過程中不泌水、不離析，便于泵送和管路運輸，稠化懸浮劑添加量0.06%左右，成本約6～9元/m3。稠化膠體流動性好，可遠距離輸送不堵管，且成本低。主要用于停采線、切眼、采空區(qū)等大面積區(qū)域灌漿防滅火。

2.3壓注凝膠

凝膠由基料、促凝劑、制漿料和水按一定比例混合而成，見圖5?；虾痛倌齽┛傆昧繛?0～13%，制漿料為0～30%，每立方膠體材料成本約60～100元。主要用于煤層頂部火災、空洞及兩道密閉間的充填堵漏。

在灌漿站通過外加劑添加系統(tǒng)B將基料加入灌漿管網(wǎng)，在井下用漿地點附近通過外加劑添加系統(tǒng)D將促凝劑加入灌漿管網(wǎng)內(nèi)。

2.4壓注復合膠體

復合膠體（圖6）由稠化懸浮劑、膠凝劑、水和制漿料構成。稠化懸浮劑用量0.06%、膠凝劑用量0.06%，膠體成本約15～18元/m3。膠體成本低，有一定的可堆積性，具有粘彈性，主要用于井下動壓帶和大范圍火區(qū)的防治。

在灌漿站通過外加劑添加系統(tǒng)A將稠化懸浮劑加入灌漿管網(wǎng)內(nèi)，在井下用漿地點附近通過外加劑添加系統(tǒng)C將膠凝劑加入灌漿管網(wǎng)內(nèi)。

3系統(tǒng)應用

3.1火區(qū)概況

五虎山煤礦402綜采面開采4#煤層，走向長1254m，傾斜長155m，頂部為1#、2#煤層采空區(qū)。1999年5月發(fā)現(xiàn)2#、4#煤層露頭部分著火，火區(qū)距402綜采工作面對應的地表距離900m，同時在402采面中部，上覆2#煤層小井井口冒煙。2002年3月，采用高分辨率電阻率法和地面同位素測氡法，結合地面地質(zhì)調(diào)查圈定火區(qū)及其影響范圍，斟察結果表明：火區(qū)發(fā)展速度快、范圍大，火區(qū)東部邊緣侵入402工作面頂部已超過了16000m2，火區(qū)影響區(qū)近40000m2。

3.2滅火材料的選擇

402工作面上部小窯采空區(qū)雞窩狀的空洞大、數(shù)量多，要釋放火區(qū)內(nèi)積聚的熱能，撲滅火區(qū)，封堵小窯通道，采用常規(guī)的注水灌漿技術難以見效，且采空區(qū)存在大量積水，可能引發(fā)工作面突水或潰漿事故。采用含水量大而流動性差的高濃度膠體灌注火區(qū)，可以增加泥漿的堆積性，大大緩解“拉溝”現(xiàn)象，避免漿液的大量潰散。由于火區(qū)面積大，所需滅火材料多，工程量大，通過比較，決定采用粉煤灰復合膠體滅火技術治理402工作面上覆大面積火區(qū)。

粉煤灰膠體脫水速度慢，持久性好，能長期滯留在易發(fā)火部位，降低煤體復燃的可能性，由于大量固料的存在，即使脫水也能堵塞漏風通道，同時，在五虎山礦區(qū)粉煤灰材料來源廣，運輸量也小，尤其適合象五虎山礦這樣缺水少土地區(qū)的煤層大面積火區(qū)治理。

3.3注膠鉆孔布置

為有效控制工作面頂部的火區(qū)范圍，沿工作面傾斜方向,從地面向井下施工4排鉆孔，鉆孔排距15m，深度40~60m，共施工注膠鉆孔70個。鉆孔位置見圖7，主要分為高溫孔、中溫孔和低溫孔。注膠順序是先注高溫孔，再注中溫孔和低溫孔，重點處理高溫區(qū)域內(nèi)的鉆孔，其次是影響區(qū)域內(nèi)的鉆孔。

3.4注膠工藝

由于膠體材料對水灰比的要求嚴格，必須建立專用的灌漿注膠漿系統(tǒng)來確保穩(wěn)定連續(xù)的制漿效果，系統(tǒng)工藝流程。

該灌漿注膠系統(tǒng)工藝簡單，實現(xiàn)了連續(xù)制漿，成膠時間可控，水灰比穩(wěn)定可調(diào)等功能，系統(tǒng)造價30萬元左右。制漿機按水灰重量比為1：1～3：2的比例制成粉煤灰漿，通過輸漿管路注入鉆孔，在鉆孔前10m處，由膠體壓注機把FHJ16復合膠體添加劑按一定比例送入灌漿管路。

從2002年7月30日至11月16日，共向火區(qū)壓注粉煤灰復合膠體35255m3，膠體覆蓋總面積約10292m2，其中覆蓋高溫區(qū)面積約8732m2，覆蓋影響區(qū)面積約1560m2，在工作面頂部及回風巷西側范圍內(nèi)形成了長約400m，寬約60m的膠體隔離帶。在整個滅火工程期間，共使用FHJ16膠體添加劑17t左右，每立方米材料使用量約0.05%，材料成本僅比粉煤灰漿增加8元/m3。

3.5效果分析

為分析鉆孔注膠效果，每天對注膠鉆孔鄰近的未注膠鉆孔測溫一次，其它鉆孔每隔十天測量一次。經(jīng)實測，注膠前后的鉆孔溫度如表1所示。

從表1可以看出，高溫區(qū)和影響區(qū)內(nèi)的鉆孔溫度在注膠后基本恢復正常，注膠范圍內(nèi)的火區(qū)得到了有效地控制和熄滅，膠體在工作面頂部、回風巷以西形成了隔離帶，抑制了火區(qū)侵入工作面。由于粉煤灰膠體在松散煤體內(nèi)膠凝固化，在推進過程中工作面未出現(xiàn)“潰漿現(xiàn)象”。

4小結

多功能灌漿注膠防滅火系統(tǒng)可使用砂土、粉煤灰、黃土、矸石等多種灌漿材料，易于實現(xiàn)灌漿材料的就地取材；系統(tǒng)能制備各種濃度漿液（水土比最高可達1:1），以適應不同情況的灌漿；通過在高濃度漿液中加入懸浮劑，使高濃度漿液能夠通過膠體防滅火系統(tǒng)順利地輸送到用漿地點，且不會堵塞管路；僅需變換外加劑，即可通過該系統(tǒng)實現(xiàn)大流量地壓注稠化膠體、凝膠、復合膠體和固化充填材料等多種新型防滅火材料，提高系統(tǒng)的利用率；完善的自動化控制系統(tǒng)可確保多功能灌漿注膠防滅火系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，減少人為因素的影響，提高了系統(tǒng)的可操作性。