某煤礦15號煤層注漿防滅火技術研究

徐斌

(1.山西晉城無煙煤礦業集團有限責任公司,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研究

徐斌1,2

(1.山西晉城無煙煤礦業集團有限責任公司,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號煤層自然發火期短、容易自燃的問題,采用注漿防滅火技術,通過對注漿系統的設計、注漿材料的選擇、注漿參數的計算、注漿工藝的優化及注漿設備的選擇等,并建立注漿區溫度和氣體成分的監測、防滅火注漿臺帳等一系列效果考察方法。經實踐證明該技術適用于該煤礦,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15號煤層保有資源/儲量為40.02Mt。經計算,礦井設計可采儲量為23.24Mt。礦井設計生產能力為1.2Mt/a,礦井服務年限為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,自然發火期測試結果為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對其進行治理。

2 注漿防滅火系統設計

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。所謂的預防性注漿技術就是指將水和注漿材料按適當的比例混合,配制成一定濃度的漿液,經過鋪設的輸漿管路利用自燃壓差或泥漿泵送到可能發生煤炭自燃的區域,以防止自燃火災的發生。該煤礦礦井附近黃土資源豐富,依據各注漿系統的適用條件,適合建立地面注漿防滅火系統。

2.1 注漿系統的選擇

注漿系統基本分為集中注漿、分散注漿。集中注漿一般適用煤層埋深較深,采區生產集中等條件;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。

圖1 注漿工藝流程圖

2.3 注漿參數計算及選擇

①注漿系數(K)。注漿系數,為灌漿材料的固體體積與需要注漿的采空區容積之比,K取0.05。滅火注漿系數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、輸漿倍線的不同對它應作相應的改變,采空區注漿通常以1:2～1:5,設計夏季取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,取0.05;G—礦井日產煤量,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:注漿系統的注漿系數、水土比等各項參數在實際生產中必須根據煤層發火情況、輸送距離、煤層傾角、注漿方式及注漿材料和季節等因素確定,以確保注漿效果。

圖2 埋管注漿示意圖

表1 注漿裝置技術參數

2.5 泥漿的制備工藝流程

該煤礦設計采用地面注漿方式,泥漿制備選用機械制漿。注漿系統由取土及儲存場地、破碎及輸送系統、定量制漿系統、外加劑添加系統、輸漿管網系統構成。定量制漿系統由攪拌機、渣漿泵構成;外加劑添加系統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系統,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管內泥漿的流速來選擇。在設計中,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 注漿方法及設備

3.1 注漿方法

根據采煤與注漿先后順序關系,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,設計采用埋管注漿法。采用埋管注漿法,沿回風巷在采空區預先鋪好注漿管(一般預埋15-20m鋼管),預埋管一端通采空區,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封堵墻垮塌情況出現,可采取預先埋設注漿管路,即將注漿管路埋入采空區一定距離后(20-30m)開始注漿,同時將第二根注漿管路埋入采空區,以此循環。注漿管路埋設距離可根據注漿效果進行調整。

當礦井采用下行開采方式時,為防治注漿水從采空區流入工作面運輸機到或順槽內,注漿管路埋入采空區距離為35-40m后,開始注漿。工作面順槽內設置有水溝和集水坑,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。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 注漿設備

該煤礦選用由滄州中油固控設備有限公司生產SB160-37kw型注漿泵。

設備的主要性能參數包括如下:(1)葉輪轉速: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域采取有針對性的注漿防滅火,注漿參數見表1。

4 注漿防滅火效果考察

4.1 注漿區溫度和氣體成分的監測

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

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內送到地面實驗室進行色譜分析;注漿防火區域定期對各取樣點取樣化驗;注漿滅火封閉區域內每天取一次樣;回采工作面或其他地點在發火期間(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 結語

針對該煤礦15號煤層自然發火期短、容易自燃的問題,采用注漿防滅火技術對其工作面進行了治理,主要通過對注漿系統的設計、注漿材料的選擇、注漿參數的計算、注漿工藝的優化及注漿設備的選擇等,建立注漿區溫度和氣體成分的監測、防滅火注漿臺帳等一系列效果考察方法。經實踐證明注漿防滅火技術在15號煤層取得了較好的應用,工作面末出現煤層自燃現象,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:中國礦業大學出版社,1990.

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

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

[4]呂連廷.正珠煤業15號煤層自燃發火防治技術[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方面研究。