某煤礦15號煤層注漿防滅火技術(shù)研究

徐斌

(1.山西晉城無煙煤礦業(yè)集團有限責任公司,山西晉城 048006;2.山西晉城晉煤集團藍焰煤層氣公司,山西晉城 048006)

某煤礦15號煤層注漿防滅火技術(shù)研究

徐斌1,2

(1.山西晉城無煙煤礦業(yè)集團有限責任公司,山西晉城 048006;2.山西晉城晉煤集團藍焰煤層氣公司,山西晉城 048006)

針對某煤礦15號煤層自然發(fā)火期短、容易自燃的問題,采用注漿防滅火技術(shù),通過對注漿系統(tǒng)的設(shè)計、注漿材料的選擇、注漿參數(shù)的計算、注漿工藝的優(yōu)化及注漿設(shè)備的選擇等,并建立注漿區(qū)溫度和氣體成分的監(jiān)測、防滅火注漿臺帳等一系列效果考察方法。經(jīng)實踐證明該技術(shù)適用于該煤礦,并可取得較好效果,為類似煤層自燃防治提供借鑒作用。

煤層 自燃 注漿防滅火

1 概況

該煤礦井田面積5.8196km2,井田內(nèi)15號煤層保有資源/儲量為40.02Mt。經(jīng)計算,礦井設(shè)計可采儲量為23.24Mt。礦井設(shè)計生產(chǎn)能力為1.2Mt/a,礦井服務(wù)年限為13.8a。該煤礦15號煤層吸氧量為0.47cm3/g,15號煤層自燃傾向為Ⅱ類,屬自燃煤層,自然發(fā)火期測試結(jié)果為65天。煤炭自燃不僅會釋放出有毒有害氣體,還可能引發(fā)瓦斯、煤塵爆炸從而危及礦工生命安全。因此,為了防止15號煤層自燃,采用注漿防滅火技術(shù)對其進行治理。

2 注漿防滅火系統(tǒng)設(shè)計

預防性注漿是使用最為廣泛、效果最好的一種防止煤炭自燃的技術(shù)。所謂的預防性注漿技術(shù)就是指將水和注漿材料按適當?shù)谋壤旌?配制成一定濃度的漿液,經(jīng)過鋪設(shè)的輸漿管路利用自燃壓差或泥漿泵送到可能發(fā)生煤炭自燃的區(qū)域,以防止自燃火災的發(fā)生。該煤礦礦井附近黃土資源豐富,依據(jù)各注漿系統(tǒng)的適用條件,適合建立地面注漿防滅火系統(tǒng)。

2.1 注漿系統(tǒng)的選擇

注漿系統(tǒng)基本分為集中注漿、分散注漿。集中注漿一般適用煤層埋深較深,采區(qū)生產(chǎn)集中等條件;分散注漿一般適用煤層埋深較淺,土源豐富可就地開采等條件。

2.2 注漿材料、制漿注漿方法

采用的制漿系統(tǒng)為制漿料由采土場用貨車運至注漿站土場,用刮板輸送機將黃土送入制漿機的制漿池內(nèi)。

圖1 注漿工藝流程圖

2.3 注漿參數(shù)計算及選擇

①注漿系數(shù)(K)。注漿系數(shù),為灌漿材料的固體體積與需要注漿的采空區(qū)容積之比,K取0.05。滅火注漿系數(shù)視滅火情況可相應加大。

②土水比。隨著煤層傾角、注漿方式、處理對象、注漿季節(jié)、輸漿倍線的不同對它應作相應的改變,采空區(qū)注漿通常以1:2～1:5,設(shè)計夏季取1:3,冬季取1:4。

2.4 注漿量計算及選擇

預防性注漿量的確定主要取決于注漿形式、注漿區(qū)的容積等。對于采前預注漿和采后封閉停采線以充滿注漿空間為準。

隨采隨注的每日黃土用量(Q土)可按下式計算:

式中:Q土—礦井日需土量,m3/d;k—注漿系數(shù),取0.05;G—礦井日產(chǎn)煤量,3636t;rc—煤層容重1.44t/m3。

日注漿所需實際開采土量為:1.1×126.5＝138.83t

每次制泥漿用水量:138.88×3＝416.64m3/d

每日泥漿用水量按下式計算:Q水2＝1.1×416.64＝458.30m3/d

每日注漿量Q漿1＝(458.30+126.25)×0.94＝510.32m3/d

需要說明的是:注漿系統(tǒng)的注漿系數(shù)、水土比等各項參數(shù)在實際生產(chǎn)中必須根據(jù)煤層發(fā)火情況、輸送距離、煤層傾角、注漿方式及注漿材料和季節(jié)等因素確定,以確保注漿效果。

圖2 埋管注漿示意圖

表1 注漿裝置技術(shù)參數(shù)

2.5 泥漿的制備工藝流程

該煤礦設(shè)計采用地面注漿方式,泥漿制備選用機械制漿。注漿系統(tǒng)由取土及儲存場地、破碎及輸送系統(tǒng)、定量制漿系統(tǒng)、外加劑添加系統(tǒng)、輸漿管網(wǎng)系統(tǒng)構(gòu)成。定量制漿系統(tǒng)由攪拌機、渣漿泵構(gòu)成;外加劑添加系統(tǒng)用于向黃土中添加膠體劑。黃土與水定量混合、攪拌成漿后,輸送至濾漿機過濾,然后靜壓輸送或渣漿泵輸送至井下注漿管網(wǎng)系統(tǒng),最后輸送到注漿地點,其工藝流程如圖1所示。

2.6 注漿管路選擇

主要注漿管直徑是根據(jù)管內(nèi)泥漿的流速來選擇。在設(shè)計中,泥漿給定后,先確定泥漿在管道中流動的臨界流速,再求出泥漿的實際工作流速,使之大于臨界流速即可。

實際工作流速:

式中:v—管道內(nèi)泥漿的實際工作流速,m/s;Q漿max—小時注漿量,17.45m3/h;D—管道內(nèi)徑,取108mm。

該實際工作流速處于臨界流速最大值(泥漿鋼管的臨界流速通常為1～4m/s),可滿足工程需要。

地面注漿管道一般選用鑄鐵管;井下注漿管道采用無縫鋼管,其鋼管直徑取108mm;工作面管道直徑取4寸膠管。井下輸漿管路應避免“兩頭高、中間低”的布置方式,并盡量減少彎頭。

3 注漿方法及設(shè)備

3.1 注漿方法

根據(jù)采煤與注漿先后順序關(guān)系,預防性注漿方法可分為:采前預注、隨采隨注和采后注漿。為了保證及時、簡便處理自燃隱患,設(shè)計采用埋管注漿法。采用埋管注漿法,沿回風巷在采空區(qū)預先鋪好注漿管(一般預埋15-20m鋼管),預埋管一端通采空區(qū),一端接膠管,膠管長一般為20-30m,注漿隨工作面的推進,用回柱絞車逐漸牽引注漿管,牽引一定距離注一次漿,要求工作面采空區(qū)能注到足夠的泥漿,具體情況布置如圖2所示。

為防止注漿管路過程中出現(xiàn)封堵墻垮塌情況出現(xiàn),可采取預先埋設(shè)注漿管路,即將注漿管路埋入采空區(qū)一定距離后(20-30m)開始注漿,同時將第二根注漿管路埋入采空區(qū),以此循環(huán)。注漿管路埋設(shè)距離可根據(jù)注漿效果進行調(diào)整。

當?shù)V井采用下行開采方式時,為防治注漿水從采空區(qū)流入工作面運輸機到或順槽內(nèi),注漿管路埋入采空區(qū)距離為35-40m后,開始注漿。工作面順槽內(nèi)設(shè)置有水溝和集水坑,并配備小水泵,能夠滿足工作面下行開采時的涌水和漿液析水的排放要求。

對回采工作面上、下隅角每隔一定距離進行充填封堵,并及時清理支架間落煤,減少遺煤進入采空區(qū)。每天檢修班封堵采煤工作面兩隅角,及時堵塞漏風通道,裝袋對上、下隅角全斷面封堵。

3.2 注漿設(shè)備

該煤礦選用由滄州中油固控設(shè)備有限公司生產(chǎn)SB160-37kw型注漿泵。

設(shè)備的主要性能參數(shù)包括如下:(1)葉輪轉(zhuǎn)速:721r/min;(2)攪拌直徑:≥1200mm;(3)安裝尺寸:880mm*640mm*460mm;(4)重量:680kg;黃泥攪拌機:(5)防爆自行走式ZNJ-60/11+1.0KW。

需采購2臺(一用一備)ZHJ-6/5型井下移動式注漿裝置對井下局部高溫點,以及停采撤架期間自燃危險區(qū)域采取有針對性的注漿防滅火,注漿參數(shù)見表1。

4 注漿防滅火效果考察

4.1 注漿區(qū)溫度和氣體成分的監(jiān)測

派專人定期檢查注漿滅火區(qū)、注漿防火工作面及采空區(qū)內(nèi)的氣體、煤溫和出水溫度,利用火災束管監(jiān)測系統(tǒng)對采空區(qū)“三帶”內(nèi)的氣體分成進行考察。采集氣體的地點為:回風巷、上隅角、采空區(qū)氧化帶回風側(cè);通風火區(qū)的密閉墻內(nèi)側(cè)或鉆孔內(nèi)。

采用人工取樣在地面進行氣體分析時,取樣必須使用專用取樣袋或取樣器,取樣后應在5 h內(nèi)送到地面實驗室進行色譜分析;注漿防火區(qū)域定期對各取樣點取樣化驗;注漿滅火封閉區(qū)域內(nèi)每天取一次樣;回采工作面或其他地點在發(fā)火期間(未封閉的情況下)每班取一次樣化驗分析。

4.2 建立防滅火注漿臺帳

注漿防滅火臺帳主要包括注漿區(qū)位置、鉆孔工程、注漿工程、注漿量、防滅火密閉墻工程、泥漿分布狀況等。

5 結(jié)語

針對該煤礦15號煤層自然發(fā)火期短、容易自燃的問題,采用注漿防滅火技術(shù)對其工作面進行了治理,主要通過對注漿系統(tǒng)的設(shè)計、注漿材料的選擇、注漿參數(shù)的計算、注漿工藝的優(yōu)化及注漿設(shè)備的選擇等,建立注漿區(qū)溫度和氣體成分的監(jiān)測、防滅火注漿臺帳等一系列效果考察方法。經(jīng)實踐證明注漿防滅火技術(shù)在15號煤層取得了較好的應用,工作面末出現(xiàn)煤層自燃現(xiàn)象,保證了工作面正常工作。

[1]王省身,張國樞.礦井火災防治[M].徐州:中國礦業(yè)大學出版社,1990.

[2]秦波濤,王德明.礦井防滅火技術(shù)現(xiàn)狀及研究進展[J].中國安全科學學報,2007,17(12):80-85.

[3]趙磐,鄔劍明,周春山.自燃采空區(qū)注漿滅火漿液的擴散行為研究[J].礦業(yè)安全與環(huán)保,2013,40(1):37-39.

[4]呂連廷.正珠煤業(yè)15號煤層自燃發(fā)火防治技術(shù)[J].煤炭與化工,2013,36(4):110-111.

徐斌,男,河南駐馬店人,學士,助理工程師,主要從事煤礦瓦斯災害防治及煤層氣勘探開發(fā)方面研究。