改性超高水材料在俯斜綜采工作面防滅火中的應用

秦大健

（1.國家能源充填采煤技術重點實驗室，河北 邢臺 054000；2.河北煤炭科學研究院有限公司，河北 邢臺 054000；3.河北充填采礦技術有限公司，河北 邢臺 054000）

0 引 言

長期以來，礦井火災都是煤礦生產的重大安全隱患之一，在影響煤礦安全生產的同時，也制約著煤礦的正常發展。礦井火災分為內因火災和外因火災，其中內因火災中煤炭自燃引起的火災占礦井火災的90%。近年來，先進的綜采放頂煤開采在大采高煤層中得到廣泛的推廣與應用，極大的提高了生產效率，但由于冒落高度大、殘留煤炭多、封閉困難，使采空區漏風嚴重，當熱量集聚到一定程度后，極易引起采空區煤層自燃，造成安全生產事故，影響正常生產[1]。為了防止煤層自燃，煤礦生產中多采用注黃泥漿、注阻燃劑、噴灑阻燃材料、構筑密閉墻、注惰性氣體等方法，但存在成本高、使用環境限制、效果不理想等問題。

超高水材料作為最近幾年新興的一種井下無機注漿材料，具有流動性好、凝固時間短、早期強度高、含水量大等特點，在煤礦充填開采、老空區治理、巷道密閉、井下防滅火、沿空留巷等多個技術領域得到廣泛應用。其中超高水材料作為防滅火材料，在煤礦防滅火技術中能夠有效熄滅煤炭火災，降低火區溫度，快速包裹煤體，阻止有害氣體揮發，防止煤層復燃，同時超高水材料凝固后具有一定強度，能夠對圍巖起到有效的加固作用[2]。但面對俯斜綜采工作面這類復雜條件的防滅火，原有超高水材料性能不能滿足工程需要，因此需根據實際情況對超高水材料進行改性，同時對注漿工藝進行優化。

1 工程背景

核桃嶼煤礦俯斜綜采工作面設計傾斜長度240 m，走向長度2 110 m，煤層實際厚度10.27～20.5 m，平均厚度16.05 m，煤層傾角2°～8°。煤層在靠近停采線附近相對較薄，自北向南逐漸增厚。開采的8 號煤層屬Ⅰ類易自燃煤層，自然發火期為2～4 個月，最短49 d。

工作面安裝完成后進行試生產，煤層設計開采厚度0～300 m 時回采高度為4.8 m，在回采70 m時，受斷層巖墻段影響推進緩慢、高溫點及漏風通道探查不充分、隔離降溫措施不到位等因素影響，采空區浮煤快速氧化，一氧化碳、乙烯等氣體變化較快，為保障作業人員及設備安全，對工作面先后兩次進行封閉，期間采取了注黃泥漿、氮氣及防滅火材料進行滅火降溫，未能取得很好的效果。

經過研究考察，結合現場情況，在鉆孔深度受限的情況下，最終選擇利用超高水材料在支架后部采空區10 m，距離底板12 m 處利用注漿管從措施巷進行注漿構筑隔離密閉墻（圖1）；密閉墻構筑完成后在后部采空區注入膠體充填材料，利用膠體包裹采空區遺煤，控制采空區遺煤氧化；最后在啟封后根據支架后部漏風情況，利用超高水材料進行補注密閉。在施工過程中，始終保持向采空區后部注入低溫氮氣以降低采空區溫度，隔絕空氣，以防止采空區火情加重。

圖1 隔離密閉墻注漿效果示意Fig.1 Grouting effect of isolated closed wall

由于現有超高水材料的凝固時間和流動擴散半徑不能滿足該工程需要，因此需對超高水材料進行改性，對注漿工藝進行優化。

2 改性超高水材料研制

超高水材料由A 料、B 料組成，其中B 料中主要由天然硬石膏、生石灰和外加劑等材料構成。長期以來，天然的無水硬石膏產量不斷降低，材料品質穩定性變差，對超高水材料的性能影響較大。針對天然石膏的問題，結合工程需要，通過大量的考察與試驗，最終選定了一種經過特殊處理的工業副產品石膏作為天然硬石膏的替代品，制成改性超高水材料。改性材料與原材料相比，具有凝固時間更短、強度更高等特點，完全能夠滿足該工程需要。

改性超高水材料與原超高水材料的生產工藝相同，因此試驗時采用相同的加工工藝，利用實驗小磨制備兩種不同的B 料進行試驗，2 種材料的A 料及外加劑均相同，試驗按照GB/T 39337-2020《綜合機械化超高水材料袋式充填采煤技術要求》中超高水材料檢驗方法進行試驗，分別對2 種不同的材料凝固時間和抗壓強度就行對比實驗。

2.1 凝固時間

將制備好的原超高水材料和改性超高水材料在20±2℃的室溫中，使用20±1℃的自來水，分別制備不同水固質量比的材料，測定材料初凝時間（漿液混合后失去流動性所需的時間）見表1。

表1 不同水固比初凝時間Table 1 Initial setting time of different water-solid ratio

由表1 可知，在相同水固比條件下，改性超高水材料與原超高水材料相比初凝時間大幅度降低，水固比為6∶1、5∶1 和4∶1 時，改性超高水材料初凝時間分別縮短了1.7 倍、1.7 倍和1.8 倍。由于凝固時間縮短，在工程實踐中，改性超高水材料混合注入采空區后的流動擴散半徑更小。

2.2 抗壓強度

將不同水固比的改性超高水材料和原超高水材料按標準要求分別制樣，倒入70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm 的三聯試模中成型，然后放入濕度≥90%、溫度20±1℃的恒溫恒濕養護箱中養護至所需齡期，最終測得不同水固比下2 種材料的單軸抗壓強度曲線如圖2 所示。

圖2 不同水固比單軸抗壓強度曲線Fig.2 Uniaxial compressive strength curves of different water-solid ratios

由圖2 可知，改性超高水材料單軸抗壓強度與原超高水材料相比，在不同水固比條件下均有所增長，水固比6∶1 時，早期4 h 強度增加了17%，1 d 強度增加了13%，后期14 d 強度增加了15%，說明材料強度在不同齡期均能穩定增長，其中水固比5:1 時，早期4 h 強度增長20%，后期14 d 強度增長17%，漲幅最高。

3 工程應用

封閉的俯斜綜采工作面共有139 架支架，從現回順高位鉆場位置以里5 m 拉門施工消火道，消火道底板保持距離煤層底板8 m 以上，在消火道內部施工注漿鉆孔，注漿鉆孔在每部支架架間布置，鉆孔終孔距支架后部架頂10 m，距工作面底板12 m，通過在鉆孔內部埋設注漿管向采空區注入改性超高水材料，構筑隔離密閉墻。

3.1 制漿工藝及參數

由于受工期、井下空間和設備條件限制，在注漿時采用1 臺注漿泵配合2 套攪拌設備，為實現連續注漿，在注漿過程中需控制攪拌桶液面始終保持在同一位置，并間隔相同時間向桶內加料，因此需計算出漿速度，并得到向攪拌桶內注水速度和加料量之間的關系，計算方法如下。

將每只攪拌桶中注入1 m3的清水，此時液位距攪拌桶底的距離為H，測量攪拌桶液位距攪拌桶口的距離h1；不開動攪拌機，開泵注水，并記錄開泵時間，3 min 后關閉注漿泵，測量此時攪拌桶中液位距攪拌桶口的距離h2，從而計算出每分鐘漿液下降高度h0，根據上述測量結果，按式（1）可計算出每只攪拌桶每分鐘出漿量：

式中：V 為每只攪拌桶每分鐘出漿量，L/min；V0=1 000 L，表示攪拌桶中注入1 000 L 清水；h0=（h1-h2）/3，cm/min；H=95 cm。

根據上述公式及井下測量結果可知：

h0=10 cm/min

V=1 000×10/95=105 L/min

計算得出每只攪拌桶每分鐘出漿量后，按攪拌桶中水量始終保持1.05 m3計算，可得出每只攪拌桶加料速度與水固比的關系，見表2。

表2 攪拌桶加料速度與水固比的關系Table 2 Relationship between the feeding speed of the stirring barrel and the water-solid ratio

在保持相同液位條件下，最高水固比為加料前漿液濃度，最低水固比為加料后漿液濃度，平均水固比為漿液平均濃度下的水固比。

3.2 注漿工藝及參數

由于該工作面處于封閉狀態，且工作面為俯斜開采，工作面內又有大量出水點，雖然對超高水材料進行改性，但在實際注漿過程中無法觀測注漿情況，不能根據實際情況進行調整，又受到頂煤破碎冒落、工作面出水影響，對注漿構筑密閉墻的實際效果無法做出準確評估，因此為注漿構筑封閉墻帶來很大難題。

為進一步保證密閉墻的效果，在注漿過程中對注漿孔采取分段注漿的方法，分3 次將注漿孔注滿，在注漿過程中嚴密監視周邊注漿孔情況，出現漏漿情況及時更換注漿孔，并加長注漿混合管路，以縮短凝固時間，減少漿液擴散。具體注漿方案見表3。

表3 注漿孔階段注漿方案Table 3 Grouting hole stage grouting scheme

在注漿過程中，每階段注漿均根據上一階段注漿的現場情況進行少量調整，第一階段注漿以底板及細碎殘煤內部空隙的滲透擴散為主要目的，對采空區下部的空間進行徹底封閉；第二階段注漿是在第一階段注漿完全凝固后進行的，進一步降低了水固比，以封堵采空區中部為主要目的；第三階段注漿實在第二階段注漿完全凝固后進行，在降低水固比的同時，加長了混合管路長度，以進一減少漿體擴散，提高注漿封閉高度，以保證注漿密閉墻的效果。

3.3 工程效果

在注漿過程中，因后部采空區頂煤冒落不規則，且存在出水點，從而部分注漿孔出現無法注漿、注漿后周邊注漿孔返漿、以及注漿后漿液隨排水口外溢等情況，針對此類特殊情況對現場注漿工藝進行調整后，注漿工作最終圓滿完成。

注漿基本完成后對工作面啟封，通過對后部采空區進行溫度及氣體檢測發現，隔離密閉墻整體注漿封閉效果較好，能夠滿足工作面防滅火的技術要求。

啟封后同時發現，由于工作面封閉，對注漿效果無法觀測調整，且受工作面俯斜影響，導致大部分液壓支架后溜被注漿材料掩埋，個別液壓支架被部分掩埋，但由于材料強度并不高，后期清理過程中利用風鎬、搞頭等工具即可，清理工作及補注封閉相結合，花費了較長時間。

4 結 論

（1）利用處理過的工業副產品石膏，可完全替代無水硬石膏生產改性超高水材料，能夠有效縮短材料凝固時間，提高材料強度，在節約優質天然礦產材料的同時，實現工業固體廢棄物的綜合利用。

（2）改性超高水材料在井下防滅火工程應用中，能夠有效的降低火區溫度，隔絕空氣，降低有害氣體濃度，包裹覆蓋煤體，防止煤炭復燃，從而達到防滅火的目的。

（3）俯斜綜采工作面封閉后的防滅火技術中，利用改性超高水材料，采用合理的技術方案及注漿工藝設計，能夠實現注漿構筑隔離密閉墻的工程需要，為工作面防滅火及啟封復采創造有利條件。