灌漿防滅火技術在采空區防火方面的應用

郭 可 郭 斌

（陜西有色榆林煤業有限公司，陜西 榆林 718000）

1 礦井概況

杭來灣煤礦位于延安組第四段的頂部，全井田可采煤層平均厚度8.36 m，煤層賦存條件簡單，井田屬于可采性較好的穩定型厚煤層。煤層埋藏深度268.5 m，直接頂板和直接底板的巖性以粉砂巖、泥巖為主，粉砂巖的堅固性較好、較難冒落，泥巖的穩固性一般、強度低、穩定性差。礦井屬于低瓦斯礦井，3 號煤層的瓦斯絕對涌出量1.33 m3/min，相對涌出量0.08 m3/t；煤層煤塵具有爆炸性；煤層具有自然發火風險，3 號煤層煤樣實驗最短自然發火期為41 d，井下采空區浮煤實際最短自然發火期為52 d，自燃傾向性屬于“Ⅰ類”容易自燃，3 號煤層窒息帶寬度為380.0 m。

2 灌漿防滅火機理

灌漿防火技術的主要作用機理包括以下四個方面：（1）漿液的滲透作用實現對煤層裂隙的充填隔氧；（2）漿液自身的粘著力實現對遺煤的包裹隔氧；（3）漿液中的水分增加遺煤濕度，降低遺煤表面溫度，抑制遺煤的自熱氧化；（4）漿液對遺煤的冷卻散熱作用，減緩遺煤氧化作用。

3 灌漿材料選擇

灌漿材料的選擇依據：（1）來源廣泛，成本低廉，最好能夠就地取材；（2）穩定性好，易脫水且粒徑滿足要求，一般細小粒子直徑需＜1 mm；（3）自流能力較好，管道輸運過程中不沉降、不堵管；（4）主要物理性能指標需滿足含砂量介于25%～30%、漿液密度介于2.4～2.8 kg/m3。

杭來灣礦井位于毛烏素沙漠地帶，礦井地面所在區域均被第四系風積沙覆蓋，區域黃土相對稀缺。區內有新材料循環經濟產業園配套項目，建有一座5×330 MW/a 火力發電廠，有廣泛的粉煤灰來源。

鑒于此，選用粉煤灰作為杭來灣煤礦灌漿的主要材料。粉煤灰作為灌漿料除了來源廣泛、價格低廉，還具備以下優點：（1）實現廢物的再利用，避免環境污染，社會效益較好；（2）粉煤顆粒比重適宜，造漿穩定且流動性好，管道運輸方便快捷；（3）粉煤灰漿液性質穩定，對遺煤的密封效果較好。

4 灌漿防滅火技術應用

4.1 灌漿參數的選擇和計算[1-5]

4.1.1 灌漿系數和灰水比

灌漿系數指漿液固體材料與采空區空間的體積之比，該指數與跑漿率、漿液收縮率以及采空區冒落巖石的松散程度有關。一般預防性灌漿系數取值2%～4%，綜合考慮粉煤灰的親水性較差、易脫水沉降，導致收縮率較高，選取較大的灌漿系數4%。

灰水比指漿液中粉煤灰與水的體積之比，能夠反映泥漿液濃度，對泥漿輸送和注漿效果產生較大影響。灰水比大，則漿液濃度大，漿液對遺煤的包裹隔絕效果好，但是漿液輸送難度大，輸送管道中流速低、易沉降導致堵管事故；灰水比小，則漿液濃度小，漿液輸送沿程阻力小，但是灌漿防火的效果較差。按照杭來灣礦的煤層傾角、灌漿管道距離，結合選取的灌漿方式和灌漿系數，選擇防滅火灌漿漿液的灰水比為1:3。

4.1.2 灌漿量計算

（1）灌漿粉煤灰日消耗量

灌漿需粉煤灰量主要根據灌漿區體積、礦井日產量、煤炭密度及地質條件等因素確定。按日灌漿需粉煤灰量計算：

式中：QS為灌漿用水日消耗量，m3/d；Qt為灌漿粉煤灰日消耗量，734.6 m3/d；δ為泥漿灰水比，前文所述取1:3。

代入參數算得每日制漿用水量QS=2 203.8 m3/d。

（3）每日灌漿量

式中：Q為日灌漿量，m3/d；QS為灌漿用水日消耗量，2 203.8 m3/d；Qt為灌漿粉煤灰日消耗量，734.6 m3/d；M為泥漿制成率，該參數取值與灰水比有關，如表1 所示，取M=0.88。

表1 泥漿制成率

代入參數算得每日灌漿量Q=2 585.8 m3/d。

4.2 漿液輸送方式的選擇

漿液輸送方式有靜壓輸送和加壓輸送兩種形式。靜壓輸送利用地面灌漿站與灌漿地點的靜壓差（漿液自重）輸送，當壓差不滿足輸送要求時采取加壓輸送方式。灌漿輸送管道的沿程阻力與輸送動力用輸漿倍線表示，即從地面灌漿站灌漿管路漿液入口至出口管路的總長度與灌漿管路泥漿入口與出口高差之比。輸漿倍線過大，則輸送壓力不足，管內漿液流速慢，易發生沉降，泥漿輸送受阻，易發生堵管現象，此時應加壓；輸漿倍線過小，則輸送壓力過高，易發生崩裂管道跑漿事故，并且在灌漿出口位置易出現泥漿噴射，防滅火效果不理想，可在適當的位置安裝閘閥增阻。輸漿倍線需控制在3～8 范圍內。

杭來灣礦井應用地面固定式灌漿系統，灌漿站布置在礦井工業場地的南側，灌漿站地面標高+1 283.3 m，3 號煤層一盤區30110 綜采工作面煤層底板標高+1017～+1050 m，最低標高+1017 m，灌漿管路泥漿入口與出口最大高差為266.3 m，灌漿管路總長度約8600 m。采用靜壓輸送時，輸漿倍線N=8600/266.3=32.3。由此可見，輸漿倍線過大，采用靜壓輸送泥漿壓力明顯不足，采用動壓輸送方式。選用150/100D-AH 型泥漿泵，漿液輸送量180 m3/h。

4.3 灌漿防滅火技術施工工藝

4.3.1 灌漿流程

礦井在地面工業場地建有一座集中式粉煤灰膠體制漿站，由粉煤灰與懸浮劑在膠體制漿機直接混合制漿，經回風斜井至井下輸送粉煤灰漿到灌漿點，承擔向井下灌漿任務。礦井采用汽車運輸粉煤灰，粉煤灰與懸浮劑在膠體制漿機直接進行混合制漿工藝[6-8]。制漿工藝流程圖如圖1。

圖1 制漿工藝流程圖

4.3.2 灌漿方法

根據30110 綜采工作面采空區的技術條件，應用垮步式埋管灌漿工藝，采取埋管灌漿隨采隨灌方式和采后隔離帶集中灌漿方式相結合的灌漿方法。

（1）埋管灌漿

埋管灌漿工藝：采空區垮步式埋管的隨采隨灌工藝，即沿工作面回風順槽敷設一趟灌漿管路，第一個出漿口設在開切眼，其他出漿口間距為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行修正）。

埋管灌漿量：① 采煤工作面日灌漿量2 585.8 m3/d；② 采煤工作面采空區“兩道”灌漿量的計算公式如下：

Q=W×L×H×N×F（4）

式中：Q為每個隔離帶灌漿量，m3；W為隔離帶寬度，取W=30 m；L為隔離帶沿工作面布置方向長度，取L=20 m；H 為隔離帶高度，取松散煤體的高度，取0.6 m；N為孔隙率，一般取0.3；F為安全系數，取1.5。

算得Q=162 m3。對局部遺煤堆積厚度大的“兩道”區域，當工作面推進速度小于175.5 米/月，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，即工作面每側灌漿162 m3，兩側總灌漿324 m3。

（2）采后隔離帶灌漿

工作面回采結束后實施永久封閉，在工作面進、回順槽出口密閉墻上方預設措施孔向采空區實施采后灌漿，以防止采空區遺煤自燃。采后停采線隔離帶灌漿量取決于停采線處空間大小及遺煤量，灌漿量按下式計算：Q=W×L×H×N×F。式中隔離帶沿工作面方向長度L取值按一盤區30110 綜采工作面長299.1 m，其余參數取值與埋管灌漿工藝相同，算得工作面停采線密閉隔離帶注漿量為2423 m3。

5 灌漿防火實施條件

實際應用過程中，3 號煤層煤樣實驗最短自然發火期為41 d，井下采空區浮煤實際最短自然發火期為52 d。在該期限內杭來灣煤礦綜采工作面實際推進距離約為575.6 m（工作面實際推進速度11.07 m/d），大于窒息帶寬度380.0 m，采空區遺煤在最短自然發火期內處于窒息帶區域。鑒于此，工作面正常推進過程中，工作面采空區遺煤不存在自然發火風險，不需要灌漿。當出現以下條件之一時，則需采取灌漿防火措施：（1）受地質條件影響，推進速度較慢，小于臨界推進速度9.27 m/d；（2）根據采空區自燃區域判定和預測，采空區存在自燃危險；（3）采空區遺煤較多，如厚度超過0.5 m；（4）采空區CO 氣體濃度出現快速增高或者局部區域接近限值2.4×10-5。

6 結論

（1）杭來灣煤礦現場應用的灌漿防滅火系統，單日灌漿量能力可達到3500 m3/d，大于單日灌漿量2 585.8 m3/d，滿足生產要求。

（2）粉煤灰是區內火力發電廠的主要有害廢物，儲存方量大，對環境產生不利影響。杭來灣煤礦采用粉煤灰作為主要的灌漿材料，價格低廉且實現了廢物的回收利用，日消耗粉煤灰量734.6 m3/d，有效避免了粉煤灰帶來的環境污染問題。

（3）該灌漿防滅火系統應用以來，實現了煤層裂隙的充填隔氧、遺煤的有效包裹隔氧，達到了持久穩定的防滅火效果。