煤层自燃多功能灌浆注胶防灭火系统及其应用

煤层自燃多功能灌浆注胶防灭火系统及其应用 1引言黄泥灌浆是煤层自燃火灾防治的主要手段之一1，由于某些地区（尤其是煤层自燃严重的西部地区）黄土资源匮乏，有必要采用一些替代材料用于灌浆防灭火，且现有灌浆防灭火系统的制浆浓度无法控制，水土比通常较低，井下浆液流失量大，灌浆效率低，若提高泥浆浓度，黄土易在管路中沉降，出现堵塞管路的问题。胶体防灭火技术26集堵漏、降温于一体，防灭火效果佳，已成为煤层自燃火灾治理的主要技术手段之一，但采用井下移动式注胶防灭火系统，设备安装运行及材料运输均不能迅速实施，且注胶流量小，材料运输量大，使得灭火效率降低。因此，有必要根据各地的实际情况，建立多功能灌浆注胶防灭火系统，使其能够使用黄土、粉煤灰、砂土、矸石等多种灌浆材料，且实现不同浓度浆液的制备及高浓度浆液的管路输送，提高灌浆效率，并通过向灌浆系统中加入少量外加剂，实现压注凝胶和复合胶体材料等功能，有针对性地处理各种不同情况下的煤层自燃。2系统构成及功能矿井多功能灌浆注胶防灭火系统由地面和井下两部分组成，系统构成见图1、图2和图3，对于地面煤层自燃火灾防治，仅需将井下部分移至地面即可。2.1灌浆各种制浆料通过浆料破碎过滤及输送系统送至连续式定量制浆系统内，与水泵输送过来的水定量混合（水土比为1：11：0可调）、搅拌成浆后，输送至滤浆机过滤，然后由渣浆泵输送至井下灌浆管网系统，输送到灌浆地点。2.2压注稠化胶体浆液浓度较大，或使用沉降速度较快的砂土或粉煤灰制浆时，需通过外加剂添加系统A向浆液中加入稠化悬浮剂，形成稠化胶体后，再输送至灌浆管网。稠化胶体由稠化悬浮剂、水和制浆料构成，见图4。稠化悬浮剂能提高浆液粘度，使砂、土或粉煤灰悬浮，浆液在使用过程中不泌水、不离析，便于泵送和管路运输，稠化悬浮剂添加量0.06%左右，成本约69元/m3。稠化胶体流动性好，可远距离输送不堵管，且成本低。主要用于停采线、切眼、采空区等大面积区域灌浆防灭火。2.3压注凝胶凝胶由基料、促凝剂、制浆料和水按一定比例混合而成，见图5。基料和促凝剂总用量为1013%，制浆料为030%，每立方胶体材料成本约60100元。主要用于煤层顶部火灾、空洞及两道密闭间的充填堵漏。在灌浆站通过外加剂添加系统B将基料加入灌浆管网，在井下用浆地点附近通过外加剂添加系统D将促凝剂加入灌浆管网内。2.4压注复合胶体复合胶体（图6）由稠化悬浮剂、胶凝剂、水和制浆料构成。稠化悬浮剂用量0.06%、胶凝剂用量0.06%，胶体成本约1518元/m3。胶体成本低，有一定的可堆积性，具有粘弹性，主要用于井下动压带和大范围火区的防治。在灌浆站通过外加剂添加系统A将稠化悬浮剂加入灌浆管网内，在井下用浆地点附近通过外加剂添加系统C将胶凝剂加入灌浆管网内。3系统应用3.1火区概况五虎山煤矿402综采面开采4#煤层，走向长1254m，倾斜长155m，顶部为1#、2#煤层采空区。1999年5月发现2#、4#煤层露头部分着火，火区距402综采工作面对应的地表距离900m，同时在402采面中部，上覆2#煤层小井井口冒烟。2002年3月，采用高分辨率电阻率法和地面同位素测氡法，结合地面地质调查圈定火区及其影响范围，斟察结果表明：火区发展速度快、范围大，火区东部边缘侵入402工作面顶部已超过了16000m2，火区影响区近40000m2。3.2灭火材料的选择402工作面上部小窑采空区鸡窝状的空洞大、数量多，要释放火区内积聚的热能，扑灭火区，封堵小窑通道，采用常规的注水灌浆技术难以见效，且采空区存在大量积水，可能引发工作面突水或溃浆事故。采用含水量大而流动性差的高浓度胶体灌注火区，可以增加泥浆的堆积性，大大缓解“拉沟”现象，避免浆液的大量溃散。由于火区面积大，所需灭火材料多，工程量大，通过比较，决定采用粉煤灰复合胶体灭火技术治理402工作面上覆大面积火区。粉煤灰胶体脱水速度慢，持久性好，能长期滞留在易发火部位，降低煤体复燃的可能性，由于大量固料的存在，即使脱水也能堵塞漏风通道，同时，在五虎山矿区粉煤灰材料来源广，运输量也小，尤其适合象五虎山矿这样缺水少土地区的煤层大面积火区治理。3.3注胶钻孔布置为有效控制工作面顶部的火区范围，沿工作面倾斜方向,从地面向井下施工4排钻孔，钻孔排距15m，深度4060m，共施工注胶钻孔70个。钻孔位置见图7，主要分为高温孔、中温孔和低温孔。注胶顺序是先注高温孔，再注中温孔和低温孔，重点处理高温区域内的钻孔，其次是影响区域内的钻孔。3.4注胶工艺由于胶体材料对水灰比的要求严格，必须建立专用的灌浆注胶浆系统来确保稳定连续的制浆效果，系统工艺流程。该灌浆注胶系统工艺简单，实现了连续制浆，成胶时间可控，水灰比稳定可调等功能，系统造价30万元左右。制浆机按水灰重量比为1：13：2的比例制成粉煤灰浆，通过输浆管路注入钻孔，在钻孔前10m处，由胶体压注机把FHJ16复合胶体添加剂按一定比例送入灌浆管路。从2002年7月30日至11月16日，共向火区压注粉煤灰复合胶体35255m3，胶体覆盖总面积约10292m2，其中覆盖高温区面积约8732m2，覆盖影响区面积约1560m2，在工作面顶部及回风巷西侧范围内形成了长约400m，宽约60m的胶体隔离带。在整个灭火工程期间，共使用FHJ16胶体添加剂17t左右，每立方米材料使用量约0.05%，材料成本仅比粉煤灰浆增加8元/m3。3.5效果分析为分析钻孔注胶效果，每天对注胶钻孔邻近的未注胶钻孔测温一次，其它钻孔每隔十天测量一次。经实测，注胶前后的钻孔温度如表1所示。从表1可以看出，高温区和影响区内的钻孔温度在注胶后基本恢复正常，注胶范围内的火区得到了有效地控制和熄灭，胶体在工作面顶部、回风巷以西形成了隔离带，抑制了火区侵入工作面。由于粉煤灰胶体在松散煤体内胶凝固化，在推进过程中工作面未出现“溃浆现象”。4小结多功能灌浆注胶防灭火系统可使用砂土、粉煤灰、黄土、矸石等多种灌浆材料，易于实现灌浆材料的就地取材；系统能制备各种浓度浆液（水土比最高可达1:1），以适应不同情况的灌浆；通过在高浓度浆液中加入悬浮剂，使高浓度浆液能够通过胶体防灭火系统顺利地输送到用浆地点，且不会堵塞管路；仅需变换外加剂，即可通过该系统实现大流量地压注稠化胶体、凝胶、复合胶体和固化充填材料等多种新型防灭火材料，提高系统的利用率；完善的自动化控制系统可确保多功能灌浆注胶防灭火系统的稳定运行，减少人为因素的影响，提高了系统的可操作性。