新型高分子材料在煤層自燃防治中的應(yīng)用

秦 建，程麒龍

（重慶中梁山煤電氣有限公司，重慶 400052）

1 礦井概況及開采技術(shù)條件

1.1 礦井概況

中梁山南、北礦于1957年開始建井，1959年簡易投產(chǎn)，兩礦設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力均為90萬t/年，由于地質(zhì)構(gòu)造特別復(fù)雜，制約了產(chǎn)能發(fā)揮，現(xiàn)核定生產(chǎn)能力南礦為33萬t/年，北礦為30萬t/年。

礦井從業(yè)人員2050人，已累計(jì)生產(chǎn)原煤5580.6萬t，預(yù)抽煤層瓦斯氣約16億m3，瓦斯、煤塵、火、頂板、水等災(zāi)害嚴(yán)重威脅礦井的安全生產(chǎn)，建礦以來共發(fā)生煤與瓦斯突出98次，煤層自燃93次。

1.2 煤層賦存條件

南、北礦含煤地層屬二迭系龍譚煤組，煤層未出露地表，含煤地層平均總厚度為115 m，共含煤10層，煤層總厚度13 m，層間距0～30 m，其中可采煤層七層，局部可采煤層有一層，不可采二層；煤層傾角68°～72°，K2煤層不突出，作為保護(hù)層開采，煤質(zhì)為1/3焦煤，發(fā)熱量20.91～25.09 MJ。

1.3 地質(zhì)構(gòu)造、水文地質(zhì)條件

中梁山背斜是礦區(qū)主體構(gòu)造，屬緊湊型直立褶曲，兩翼基本對(duì)稱，煤田南、北走向長23 km，井田下邊界-20 m水平，西翼地質(zhì)構(gòu)造相對(duì)簡單，東翼則十分復(fù)雜，除背斜軸部大斷層外，背斜兩翼分布著大小不等的斷層和次生小褶曲，據(jù)統(tǒng)計(jì)小斷層密度達(dá)1 374條/km2；水文地質(zhì)中等復(fù)雜，地表無溪流、湖泊，平均涌水量167 m3/h，最大涌水量630 m3/h，最小涌水量45 m3/h。

1.4 礦井開拓、開采條件

礦井開拓方式為平硐+立井+暗斜井聯(lián)合開拓，主平硐橫穿煤系地質(zhì)進(jìn)入核部茅口灰?guī)r，各水平運(yùn)輸大巷設(shè)在煤系地層底部的茅口灰?guī)r中；正平硐標(biāo)高+280 m，生產(chǎn)水平+210 m、+130 m、-20 m，采區(qū)走向長1 800～3 000 m，區(qū)段斜長70 m，石門間距300 m。采區(qū)內(nèi)采用前進(jìn)式開拓、后退式開采、全部陷落法管理頂板，采煤方法有偽傾斜柔性掩護(hù)支架、偽傾斜短壁、倒臺(tái)階。

1.5 礦井瓦斯賦存及抽采

礦區(qū)井田內(nèi)瓦斯儲(chǔ)量十分豐富，煤田內(nèi)埋深1 500 m以淺面積256.46 km2內(nèi)，瓦斯儲(chǔ)量達(dá)406億m3；生產(chǎn)過程中瓦斯涌出量大，絕對(duì)瓦斯涌出量為50～60 m3/min，相對(duì)瓦斯涌出量達(dá)150～200 m3/t；礦井建有永久瓦斯抽采系統(tǒng)，泵站設(shè)在南北風(fēng)井，抽采管路從副井入井，分別連接290、130、-20水平；抽采巷布置在茅口灰?guī)r中，現(xiàn)有抽采鉆孔5 800個(gè)，流量80 m3/min，濃度38%；采取立體網(wǎng)格式、穿層、順層預(yù)抽、卸壓抽、空區(qū)抽、溶洞裂隙抽、分源抽等綜合抽采。

1.6 防止煤層自燃發(fā)火

礦井主采煤層平均厚度3 m，煤種是長焰煤，屬中熱值，低硫、中灰分煤，煤層自燃傾向性屬二類，發(fā)火期一般1～3個(gè)月，最短20天；K2煤層不易自燃，其余煤層均有自燃傾向性。礦井投產(chǎn)以來，煤層自然發(fā)火93次，因火災(zāi)封閉采煤工作面27處，損失煤炭資源230萬t，造成直接經(jīng)濟(jì)損失上億元。采取的防火措施包括：采空區(qū)預(yù)防性注漿，采后飽和性注漿，噴灑阻化劑，注阻化泥漿，采空區(qū)均壓防火等技術(shù)[1]。

2 礦井煤層自燃防治系統(tǒng)

2.1 注漿管路系統(tǒng)

礦井建有一套黃泥注漿系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用地面的黃泥漿攪拌站，將黃泥和水充分?jǐn)嚢栊纬牲S泥漿后，通過Φ108 mm鋼管輸送到井下注漿點(diǎn)和采掘工作地點(diǎn)。防火注漿工藝流程為：風(fēng)井制漿站→風(fēng)井至290 m副井井筒→290 m車場(chǎng)→290-140軌道斜井→140車場(chǎng)→140大巷→采煤工作面消火道→采煤工作面采空區(qū)。

2.2 注漿裝備及泥漿質(zhì)量

風(fēng)井制漿站設(shè)置有2個(gè)清水池，2個(gè)泥漿池，安裝有2臺(tái)高壓離心水泵，型號(hào)為100D45×4，流量85 m3/h，揚(yáng)程180 m。高壓離心水泵將清水打至山上，用高壓水槍沖刷黃泥，產(chǎn)生的泥漿經(jīng)引流槽進(jìn)入泥漿池，一個(gè)池子向井下注漿，一個(gè)泥漿池備用，泥漿池內(nèi)的泥漿通過攪拌機(jī)攪拌均勻，制作成水土比為6∶1的黃泥漿，泥漿通過漏斗進(jìn)入管道流入井下。

生產(chǎn)過程中容易自燃煤層一般采用注漿防火，自燃煤層一般采用阻化劑防火，不易自燃煤層一般采用均壓防火。

2.3 現(xiàn)注漿系統(tǒng)的缺陷

利用黃泥注漿系統(tǒng)進(jìn)行工作面防火雖有一定的效果，但也存在嚴(yán)重的缺陷：一是由于泥漿輸送距離遠(yuǎn)（最遠(yuǎn)處長達(dá)4 km），工藝復(fù)雜，黃泥漿水流失過多，造成效率低、成本高。二是地面沖刷黃泥，造成水土流失，破壞環(huán)境。三是黃泥注漿保水時(shí)間極短，泥漿干后，產(chǎn)生裂縫，容易脫落，煤炭經(jīng)氧化后又復(fù)燃，往往反復(fù)多次燃燒，火情很難控制，發(fā)火隱患難以根治。

3 應(yīng)用新型高分子材料防治煤層自燃

3.1 解決原有黃泥注漿系統(tǒng)缺陷的思路

一是在井下構(gòu)筑注漿站，解決效率低、成本高的問題；二是采用高效的注漿材料，解決泥漿防火效果差的問題，而采用高效的注漿材料是井下構(gòu)筑注漿站的前提和基礎(chǔ)。因此，解決高效的注漿材料是解決原有的黃泥注漿系統(tǒng)缺陷的關(guān)鍵。

3.2 新型高分子阻化泥漿

MEA-1新型高分子材料為高分子防滅火阻化劑，以其取代原來低效率的黃泥注漿滅火，是我國新時(shí)期煤層自燃發(fā)火防治的新技術(shù)、新成果。

2013年南、北礦開始引進(jìn)MEA-1高分子防滅火阻化劑應(yīng)用技術(shù)。該技術(shù)為單料配方，即MEA-1高分子材料加水配制而成，該技術(shù)防滅火效果較好，但成本過高。為了降低成本，經(jīng)過技術(shù)人員不斷實(shí)驗(yàn)，改善配方，由單料配方（高分子材料加水）改為混合料配方，在高分子防滅火阻化水中加入適量的高嶺土粉，質(zhì)量比按高分子材料：高嶺土泥粉：水=1∶100∶1 000的配比制成高分子阻化泥漿。MEA-1高分子材料具有強(qiáng)大的吸水性和長期保水能力，高嶺土泥漿具有更高的黏稠性和滲透性，有效地堵塞了煤體較大的空隙裂縫，同時(shí)又有速凝、阻化、隔化、隔氧、降溫、無毒無臭、無腐蝕性、附壁性好、綜合成本低等優(yōu)點(diǎn)。該高分子阻化泥漿具有MEA-1高分子防滅火阻化劑和高嶺土泥粉的優(yōu)點(diǎn)，比其他阻化材料具有更好的防滅火效果。

新型高分子阻化泥漿防滅火效果良好，綜合性能比單料配方提高了3～4倍，而成本比單料配方降低3倍，施工方法也比較簡單。

3.3 井下注漿泵站

根據(jù)礦井采區(qū)布置情況，在井下建立了2個(gè)注漿泵站硐室。每個(gè)注漿泵站砌筑一個(gè)3 m3攪拌池、安裝一臺(tái)DW-250型泥漿泵，經(jīng)Φ50鋼管將高分子阻化泥漿輸送到注漿點(diǎn)，輸送距離最遠(yuǎn)不超1 000 m。在井下建立注漿泵能較好地解決輸送距離遠(yuǎn)、工藝復(fù)雜、泥漿水流失多、效率低、成本高等問題。

4 應(yīng)用實(shí)例

2013年1月13日，開采僅20天的0413采煤工作面，在其回風(fēng)巷中發(fā)現(xiàn)CO濃度（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）達(dá)到48×10-6，經(jīng)排查，確認(rèn)是進(jìn)風(fēng)巷距采煤面上出口21 m處頂板碎煤發(fā)熱。于是，立即采取在頂板碎煤發(fā)熱處打鉆插管（3 m）灌注高分子阻化泥漿，至2013年1月16日，CO濃度降到了10×10-6；至1月20日，CO基本消失（如圖1）。

圖1 0413工作面發(fā)火隱患處置圖

2013年10月21日，通過監(jiān)測(cè)系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)0413工作面3號(hào)斜坡回風(fēng)流CO濃度（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）達(dá)到28×10-6，烷稀濃度（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）達(dá)到 47×10-6，乙烯濃度（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）達(dá)到27×10-6，烷稀比達(dá)到1.7%，說明該斜坡遺煤已有自然發(fā)火的趨勢(shì)。立即采取在進(jìn)風(fēng)巷施工下插鉆孔向3號(hào)斜坡冒落區(qū)注高分子阻化泥漿（如下頁圖2），同時(shí)采取順槽設(shè)置擋風(fēng)簾控制采面風(fēng)量，加快工作面推進(jìn)速度等綜合防治措施，至2013年10月30日，CO、乙烯、烷烯等氣體基本消失了，說明該發(fā)火隱患已經(jīng)消除，確保了0413工作面的安全回采。

5 新材料的應(yīng)用效果

南、北礦引進(jìn)MEA-1高分子防滅火阻化劑并進(jìn)行注漿系統(tǒng)改造后，共消除發(fā)熱點(diǎn)36個(gè)，消滅火區(qū)8個(gè)。礦井煤層發(fā)火率由6次/萬t下降到0.3次/萬t以下，工作面回采率由原來的80%上升到了87%；防滅火成本由原來的0.9元/t減少到0.4元t，取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

6 結(jié)論

應(yīng)用新型MEA-1高分子材料配以適量的高嶺土泥粉，加水后配制成的新型高分子阻化泥漿，具有凝成膠體迅速、吸水性強(qiáng)、保水時(shí)間長，附壁性好，滲透性強(qiáng)、無毒無臭、無腐蝕性和綜合成本低等優(yōu)點(diǎn)。采用新型高分子阻化泥漿對(duì)火區(qū)直接滅火效果好，對(duì)有發(fā)火預(yù)兆的地點(diǎn)進(jìn)行注漿，能及時(shí)有效地將煤層自燃災(zāi)害消滅在萌芽狀態(tài)，達(dá)到減少甚至消除煤層自燃災(zāi)害的目的。