灌漿防滅火技術(shù)在杭來灣煤礦的應(yīng)用

徐志強

（陜西有色榆林煤業(yè)有限公司，陜西 榆林 719099）

0 引 言

據(jù)統(tǒng)計，自燃火災(zāi)引發(fā)的礦井火災(zāi)事故占事故總數(shù)的90%以上，自燃火災(zāi)是指煤炭吸附空氣中的氧氣發(fā)生緩慢氧化產(chǎn)生熱量，熱量聚集后得不到有效釋放而引發(fā)的井下火災(zāi)。榆林煤業(yè)杭來灣煤礦設(shè)計生產(chǎn)能力為800 萬t/a，煤體具有自然發(fā)火危險，依據(jù)礦井3 號煤層賦存狀況、礦井開拓方式、采煤方法、巷道布置、巷道支護(hù)、通風(fēng)系統(tǒng)、3 號煤層自然發(fā)火特征等實際情況，研究制定了灌漿防滅火技術(shù)應(yīng)用方案。

1 灌漿防滅火技術(shù)

采空區(qū)滅火技術(shù)是井下防火的關(guān)鍵技術(shù)之一，采空區(qū)滅火常采用灌漿防滅火技術(shù)，該技術(shù)通過水和漿材依照一定的混合比例，混合成固定濃度的漿液，以自然差和動力為基礎(chǔ)將泥漿輸送到井下，沿著鉆孔管道和專門運輸灌漿的管道輸送到燃燒區(qū)域，實現(xiàn)滅火。主要滅火機(jī)理是漿液通過管道滲透或黏著力將漿液覆蓋在燃燒區(qū)域表面，漿液中的固體物質(zhì)可以深入到煤層的縫隙中，斷絕氧氣與火源的接觸，達(dá)到滅火的目的。另外漿液中的水分可以抑制煤層自然氧化的過程，削弱燃燒區(qū)域的氧化散熱作用，避免火災(zāi)的發(fā)生。

2 灌漿防滅火技術(shù)實施條件

3 號煤層一盤區(qū)可采煤層厚度4.8～11.9 m，均度8.4 m，煤體結(jié)構(gòu)較為簡單穩(wěn)定。該綜采工作面煤樣實驗最短自然發(fā)火期為41 d，井下采空區(qū)浮煤實際最短自然發(fā)火期為52 d，最短自然發(fā)火期內(nèi)綜采工作面實際推進(jìn)距離為575.7 m，大于綜采工作面窒熄帶最大寬度380.0 m。依據(jù)鑒定報告，該煤層煤塵有爆炸性，并且煤層具有自然發(fā)火危險，屬“Ⅰ類” 容易自燃煤層，吸氧量為0.73 cm3/g；煤塵具有爆炸性，火焰長度>400 mm。

當(dāng)采煤工作面滿足下列條件之一，實施采空區(qū)灌漿防滅火措施：①采空區(qū)遺煤厚度大于0.418 m。3 號煤層煤樣氧化自燃的最小浮煤厚度0.418 m，且綜采工作面平均月推進(jìn)速度小于或等于極限推進(jìn)度（“極限推進(jìn)速度”，在考慮了1.5 倍安全系數(shù)，算得極限推進(jìn)速度為175.5 m/ 月）；②工作面上隅角或采空區(qū)出現(xiàn)CO，且呈連續(xù)上升趨勢，上隅角CO 濃度達(dá)到鄰界溫度對應(yīng)的CO 濃度24 ppm；③根據(jù)采空區(qū)自燃區(qū)域判定和預(yù)測，采空區(qū)存在自燃危險，需要灌漿；④工作面上隅角或采空區(qū)出現(xiàn)C2H4氣體。

3 灌漿方法的選擇

目前采用較多的是采前預(yù)灌，隨采隨灌和采后灌漿技術(shù)3 種形式，采前預(yù)灌多應(yīng)用于老采空區(qū)和自燃災(zāi)害發(fā)生較多的礦井，在煤層開采之前對煤層提前進(jìn)行灌漿；隨采隨灌以鉆孔灌漿、埋管灌漿等方式為主，隨著工作面的推進(jìn)隨時進(jìn)行灌漿處理，該方法能及時消除采煤遺留的浮煤；采后灌漿是指在采空區(qū)開采完畢后，采煤工作面多采用采后灌漿技術(shù)，以工作面的出口內(nèi)插管進(jìn)行灌漿實現(xiàn)滅火目的。根據(jù)采空區(qū)灌漿防滅火技術(shù)實施條件，設(shè)計采用采空區(qū)垮步式埋管隨采隨灌+ 采后灌漿工藝方法。

（1） 埋管隨采隨灌。

采空區(qū)垮步式埋管的隨采隨灌工藝，即沿工作面回風(fēng)順槽敷設(shè)1 趟灌漿管路，第一個出漿口設(shè)在開切眼，其它出漿口間距為60 m （灌漿管口的移動步距暫定為60 m，可通過實際灌漿效果考察進(jìn)行修正），當(dāng)?shù)谝粋€出漿口埋入采空區(qū)60 m 后開始灌漿，同時埋入第二趟灌漿管路，當(dāng)?shù)诙斯酀{管口埋入采空區(qū)60 m 后通過第二趟灌漿管路向采空區(qū)灌漿，同時停止第一趟管路灌漿，并又重新埋設(shè)灌漿管路，如此循環(huán)，直至工作面采完為止。

埋管灌漿量：①采煤工作面灌漿量經(jīng)計算，采煤工作面每日灌漿量2 850.2 m3/d；②采煤工作面采空區(qū)“兩道” 灌漿量162 m3，考慮對局部遺煤堆積厚度大的“兩道” 區(qū)域，當(dāng)工作面月實際推進(jìn)速度＜175.5 m，每隔30 d 灌漿一次，30109 綜采工作面膠運順槽通過密閉墻措施孔灌漿，30110 綜采工作面回風(fēng)順槽、膠運順槽均為埋管灌漿，每次灌漿量約162 m3，即工作面每側(cè)灌漿162 m3，兩側(cè)總灌漿324 m3。

（2） 采后灌漿。

正常情況下采空區(qū)不需要灌漿，如出現(xiàn)特殊情況應(yīng)及時灌漿，工作面回采后及時實施采后灌漿，從工作面上方和回順槽出口處進(jìn)行灌注漿液，防止出現(xiàn)自然事故發(fā)生。工作面回采結(jié)束永久封閉后，停采線灌漿量取決于停采線處空間大小及遺煤量，采后停采線隔離帶灌漿量為2 430 m3。

4 灌漿材料選擇

灌漿材料需要滿足的條件分為六大部分，材料需要使用含有可燃物或助燃物的材質(zhì)，可燃物顆粒小于2 mm，且細(xì)小粒子占80%以上，顆粒的物理可塑性強和含沙量高，具有穩(wěn)定性且容易脫水；在使用過程中具有與少量水混合凝固的能力，便于開采和運輸，屬于低成本消耗材料。礦井地面所在區(qū)域均被第四系風(fēng)積沙覆蓋，區(qū)域黃土相對稀缺，區(qū)內(nèi)有新材料循環(huán)經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)園的配套項目，建有一座5×330 MW/a 火力發(fā)電廠，電廠有大量的粉煤灰可以利用。因此，設(shè)計選用粉煤灰作為灌漿主要材料、懸浮劑作為輔助材料。

粉煤灰利用汽車運送至制漿站貯料場，為保證灌漿工作的連續(xù)性，貯料場能夠容納3 d 需粉煤灰量。制漿用水是處理達(dá)標(biāo)后的井下排水及生活污水，利用污水處理站內(nèi)的制漿加壓泵供至制漿站，制漿工藝如圖1 所示。

圖1 制漿工藝流程Fig. 1 Pulping process

5 灌漿參數(shù)確定

（1） 灌漿系數(shù)。

漿液中固體材料的含量與需要灌漿的采空區(qū)之間的容量體積為灌漿系統(tǒng)，灌漿系數(shù)的高低受頂板巖石松散程度和泥漿收縮程度決定，根據(jù)技術(shù)規(guī)范指示，預(yù)防性灌漿系數(shù)控制在15%以下，根據(jù)礦井實際灌漿效果和使用情況，調(diào)整和設(shè)計礦井粉煤灰灌漿的采空區(qū)滅火技術(shù)。

（2） 土水比。

漿液的土水比是衡量灌漿濃度的指標(biāo)，是指泥漿中土水的體積之比，該指標(biāo)能反映出漿液的輸送難易程度。土水比大，則泥漿濃度大、流動性差、但是隔絕和包裹效果好；土水比小，則漿液的流動性強、輸送難度小，但是水量消耗大且漿液的包裹性和隔絕性較差。在實際應(yīng)用過程中，考慮到漿液的輸送難度、輸送沿程阻力、泥漿流速對漿液沉降的影響，一般采取低濃度漿液，以免在輸送過程中發(fā)生堵管、爆管事故。

綜合考慮分析3 號煤層的發(fā)育情況（煤層傾角、傾向長度、輸送長度） 以及采用的漿液配比，確定了該煤層防滅火灌漿漿液的灰水比為1∶4，實際生產(chǎn)中根據(jù)實際進(jìn)行微幅調(diào)整。

（3） 漿液灰水比的確定。

灌漿漿液土水比例的確定需要根據(jù)泥漿運輸范圍和煤層傾斜程度及灌漿材料等因素決定，根據(jù)礦井具體情況及鄰近礦井粉煤灰灌漿防滅火經(jīng)驗，設(shè)計采空區(qū)灌漿防滅火，泥漿灰水比取1∶3。

6 實施注意重點事項

（1） 預(yù)防堵管爆管。

在注漿過程中要加強控制大顆粒材料進(jìn)入注漿管路中，在注漿結(jié)束后及時用清水沖洗注漿光路，防止因材料顆粒較大發(fā)生的管內(nèi)沉淀，沖管結(jié)束以沖出清水為主，并設(shè)置最低防水閥門，沖洗完畢后放掉管內(nèi)多余水分，防止發(fā)生管路阻塞引發(fā)爆管。

（2） 潰漿事故的預(yù)防。

灌漿質(zhì)量是關(guān)系潰漿事故的關(guān)鍵因素，灌漿材料質(zhì)量不過關(guān)，泥漿脫水效果不佳，造成漿液流動性能不降低，當(dāng)大量流動的泥漿擠壓在采空區(qū)極易引發(fā)潰漿事故，這就要求在灌漿前加強對灌漿材料的選擇，盡可能滿足灌漿要求，加派人員實時現(xiàn)場檢測檢查，在發(fā)生潰漿時及時停止灌漿。同時，當(dāng)發(fā)現(xiàn)密閉墻圍巖存在漏風(fēng)通道時，可針對密閉墻圍巖漏風(fēng)通道打孔注漿，封堵圍巖裂隙。

潰漿事故原因主要包括有2 點：①泥漿脫水性不好，不能及時沉淀，大量泥漿集中在采空區(qū)形成高壓流體；②地下水導(dǎo)通區(qū)區(qū)域，水源沿著裂隙進(jìn)入到灌漿區(qū)形成高靜水壓力。

防止?jié){事故注意事項：①要經(jīng)常觀察水情，觀察過程中采空區(qū)出現(xiàn)大量積水的表現(xiàn)是排出的水量少，此時要采取停止灌漿手段，積極防水，防止發(fā)生潰漿事故；②堵塞裂隙、灌漿鉆孔等通道，為防止灌漿與地表塌陷，要及時堵塞地表水、地下水，防止地表水和地下水通過通道進(jìn)入灌漿區(qū)，防止?jié){事故的發(fā)生。

7 結(jié) 語

灌漿防滅火技術(shù)在灌漿方法的選擇、灌漿材料的選擇、灌漿參數(shù)確定方面切實可行，3 號煤層綜采工作面實施灌漿防滅火技術(shù)以來，有效地避免了自然發(fā)火帶來的火災(zāi)風(fēng)險，煤礦防火工作安全可控。通過對從灌漿防滅火技術(shù)實施工藝進(jìn)行總結(jié)，以及對常見問題進(jìn)行闡述，為杭來灣煤礦井下綜合防火系統(tǒng)建設(shè)提供參考依據(jù)。