煤層自燃多功能灌漿注膠防滅火係統及其應用

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係統將這兩項技術有機地給合在一起，提高了係統利用率。該係統能夠使用黃土、粉煤灰、砂土、矸石等多種灌漿材料，實現了不同濃度漿液的製備及高濃度漿液的管路輸送，提高了灌漿效率。完善的自動化控製係統確保了灌漿注膠防滅火係統的穩定運行，減少了人為因素的影響，提高了係統的可操作性。通過各種外加劑添加係統，變換外加劑，實現了大流量地壓注稠化膠體、凝膠、複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。應用該係統成功地撲滅了五虎山礦大麵積高溫火區，保證了402綜采麵的安全采出。
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]，由於某些地區（尤其是煤層自燃嚴重的西部地區）黃土資源匱乏，有必要采用一些替代材料用於灌漿防滅火，且現有灌漿防滅火係統的製漿濃度無法控製，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，出現堵塞管路的問題。膠體防滅火技術[2~6]集堵漏、降溫於一體，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係統，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，有必要根據各地的實際情況，建立多功能灌漿注膠防滅火係統，使其能夠使用黃土、粉煤灰、砂土、矸石等多種灌漿材料，且實現不同濃度漿液的製備及高濃度漿液的管路輸送，提高灌漿效率，並通過向灌漿係統中加入少量外加劑，實現壓注凝膠和複合膠體材料等功能，有針對性地處理各種不同情況下的煤層自燃。

2係統構成及功能

礦井多功能灌漿注膠防滅火係統由地麵和井下兩部分組成，係統構成見圖1、圖2和圖3，對於地麵煤層自燃火災防治，僅需將井下部分移至地麵即可。

2.1灌漿

各種製漿料通過漿料破碎過濾及輸送係統送至連續式定量製漿係統內，與水泵輸送過來的水定量混合（水土比為1：1～1：0可調）、攪拌成漿後，輸送至濾漿機過濾，然後由渣漿泵輸送至井下灌漿管網係統，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製漿時，需通過外加劑添加係統A向漿液中加入稠化懸浮劑，形成稠化膠體後，再輸送至灌漿管網。

稠化膠體由稠化懸浮劑、水和製漿料構成，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，便於泵送和管路運輸，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。主要用於停采線、切眼、采空區等大麵積區域灌漿防滅火。

2.3壓注凝膠

凝膠由基料、促凝劑、製漿料和水按一定比例混合而成，見圖5。基料和促凝劑總用量為10～13%，製漿料為0～30%，每立方膠體材料成本約60～100元。主要用於煤層頂部火災、空洞及兩道密閉間的充填堵漏。

在灌漿站通過外加劑添加係統B將基料加入灌漿管網，在井下用漿地點附近通過外加劑添加係統D將促凝劑加入灌漿管網內。

2.4壓注複合膠體

複合膠體（圖6）由稠化懸浮劑、膠凝劑、水和製漿料構成。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，主要用於井下動壓帶和大範圍火區的防治。

在灌漿站通過外加劑添加係統A將稠化懸浮劑加入灌漿管網內，在井下用漿地點附近通過外加劑添加係統C將膠凝劑加入灌漿管網內。

3係統應用

3.1火區概況

五虎山煤礦402綜采麵開采4#煤層，走向長1254m，傾斜長155m，頂部為1#、2#煤層采空區。1999年5月發現2#、4#煤層露頭部分著火，火區距402綜采工作麵對應的地表距離900m，同時在402采麵中部，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麵同位素測氡法，結合地麵地質調查圈定火區及其影響範圍，斟察結果表明：火區發展速度快、範圍大，火區東部邊緣侵入402工作麵頂部已超過了16000m2，火區影響區近40000m2。

3.2滅火材料的選擇

402工作麵上部小窯采空區雞窩狀的空洞大、數量多，要釋放火區內積聚的熱能，撲滅火區，封堵小窯通道，采用常規的注水灌漿技術難以見效，且采空區存在大量積水，可能引發工作麵突水或潰漿02manbetx.com 。采用含水量大而流動性差的高濃度膠體灌注火區，可以增加泥漿的堆積性，大大緩解“拉溝”現象，避免漿液的大量潰散。由於火區麵積大，所需滅火材料多，工程量大，通過比較，決定采用粉煤灰複合膠體滅火技術治理402工作麵上覆大麵積火區。

粉煤灰膠體脫水速度慢，持久性好，能長期滯留在易發火部位，降低煤體複燃的可能性，由於大量固料的存在，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的煤層大麵積火區治理。

3.3注膠鑽孔布置

為有效控製工作麵頂部的火區範圍，沿工作麵傾斜方向,從地麵向井下施工4排鑽孔，鑽孔排距15m，深度40~60m，共施工注膠鑽孔70個。鑽孔位置見圖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，重點處理高溫區域內的鑽孔，其次是影響區域內的鑽孔。

3.4注膠工藝

由於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係統來確保穩定連續的製漿效果，係統工藝流程。

該灌漿注膠係統工藝簡單，實現了連續製漿，成膠時間可控，水灰比穩定可調等功能，係統造價30萬元左右。製漿機按水灰重量比為1：1～3：2的比例製成粉煤灰漿，通過輸漿管路注入鑽孔，在鑽孔前10m處，由膠體壓注機把FHJ16複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，共向火區壓注粉煤灰複合膠體35255m3，膠體覆蓋總麵積約10292m2，其中覆蓋高溫區麵積約8732m2，覆蓋影響區麵積約1560m2，在工作麵頂部及回風巷西側範圍內形成了長約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03manbetx

為03manbetx 鑽孔注膠效果，每天對注膠鑽孔鄰近的未注膠鑽孔測溫一次，其它鑽孔每隔十天測量一次。經實測，注膠前後的鑽孔溫度如表1所示。

從表1可以看出，高溫區和影響區內的鑽孔溫度在注膠後基本恢複正常，注膠範圍內的火區得到了有效地控製和熄滅，膠體在工作麵頂部、回風巷以西形成了隔離帶，抑製了火區侵入工作麵。由於粉煤灰膠體在鬆散煤體內膠凝固化，在推進過程中工作麵未出現“潰漿現象”。

4小結

多功能灌漿注膠防滅火係統可使用砂土、粉煤灰、黃土、矸石等多種灌漿材料，易於實現灌漿材料的就地取材；係統能製備各種濃度漿液（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係統順利地輸送到用漿地點，且不會堵塞管路；僅需變換外加劑，即可通過該係統實現大流量地壓注稠化膠體、凝膠、複合膠體和固化充填材料等多種新型防滅火材料，提高係統的利用率；完善的自動化控製係統可確保多功能灌漿注膠防滅火係統的穩定運行，減少人為因素的影響，提高了係統的可操作性。