矿井粉煤灰灌浆防灭火技术应用实践
时间：2023-06-27 09:50:03 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
吕凯凌
（山西华晋焦煤锦瑞煤业，山西 离石 033000）
根据有关统计资料显示，煤层自燃引起的矿井火灾占比达到90%以上，给煤炭回采安全带来较大制约[1-3]。现阶段矿井采用的防灭火技术措施保留有灌浆、注氮、喷洒阻化剂及注二氧化碳等[4]。灌浆可直接作用到自燃煤层，起到降温并隔绝空气目的，在防灭火中表现效果较为显著，常用的灌浆材料包括有粉煤灰、黄泥等[5]。粉煤灰煤炭利用过程中常见废弃物，广泛用以混凝土、水泥制造等领域。山西某矿开采煤层具有自燃发火倾向性，在以往开采过程中呈出现多起采空区遗煤自燃问题，给矿井煤炭生产安全带来较大影响。附近存在煤化工厂，该厂粉煤灰产量约为1 200 t/d，且产量呈逐年增加趋势，产生的大量粉煤灰不仅会污染空气而且占用大量的空间。为此，提出采用粉煤灰注浆方式对采空区遗煤自燃发火进行治理，从而为矿井煤炭安全高效开采创造良好条件。
山西某矿主采煤层包括有2-1号、3号及6号煤层，煤层均有自燃发火倾向（自燃发火期分别为32 d、40 d、43 d），2-1号、3号及6号煤层层间距分别为18～25 m、40～46 m，现阶段矿井生产主要集中在2-1号及3号煤层。
3503综放工作面开采3号煤层，煤层厚度均值5.6 m，采面设计走向长、倾向长度分别为1 506 m、205 m。3503综放开采工作面上覆为已回采完毕的2-1号煤层采空区，工作面开采范围内地质条件复杂、存在有多条落差介于0.5～1.6 m断层，采面在推进至断层影响带附近时存在推进速度缓慢、采空区遗煤量大、顶板管理困难等问题。3503综放工作面正常回采期间采用的防灭火技术措施包括有采空区间歇注氮、采面喷洒阻化剂以及采空区密闭降低漏风量等措施。3503综放工作面在回采期间监测到回风流中CO超限问题，后通过束管监测、上覆采空区钻探探测以及采空区光纤测温等技术，确定3503综放工作面回风流CO来源于上覆2-1号煤层采空区。为确保后续3号煤层回采安全，提出采用粉煤灰灌浆方式对2-1号煤层采空区自燃发火点进行治理。
2.1 粉煤灰灌浆技术方案
采用粉煤灰、悬浮剂、水、胶凝剂等按照一定配比组成混合浆液，并通过井下已铺设完毕的灌浆管路输送至灌浆点。粉煤灰浆液在采空区内会吸收大量的热并封堵煤岩体裂隙，从而隔绝自燃发火点氧气供应。通过在粉煤灰浆液中添加一定量的悬浮剂，可避免浆液中过大颗粒粉煤灰导致灌浆管路堵塞，而添加凝胶可增加粉煤灰浆液流动性以及覆盖面积。
在地面构建ZLJ-60固定式灌浆系统，灌浆主要环节包括有灌浆材料输送、定量制浆、过滤搅拌、井下管网系统泵送网、添加剂上料口、粉煤灰存储等构成，具体设计的灌浆系统结构如图1所示。
图1 粉煤灰灌浆系统结构示意图
根据灌浆设计，井下灌浆管路长度分别为2.4 km、5.6 km，垂直灌浆高度分别为400 m、468 m。在正常灌浆期间，由上料口向浆液中添加一定量的胶结剂、悬浮剂、工业盐等，灌浆主要集中在早班以及中班，每班灌浆时间均为7 h，灌浆量设计为60 m3/h，灌浆浆液中水灰质量比为5∶1，粉煤灰灌注量为4 200 kg/h，其中胶凝剂、悬浮剂、工业盐用量分别为11 kg/h、20 kg/h、20 kg/h。
现场灌浆主要在3503综放工作面回风巷以及2-1号煤层21302综采工作面。在3503综放工作面回风巷内2-1号煤层采空区施工灌浆钻孔，向采空区内进行灌浆；
在21302综采工作面通过预埋管向采空区内进行灌浆，避免采空区遗煤出现自燃发火。
2.2 现场实施注意事项
在进行粉煤灰灌浆防灭火时主要注意事项包括有预防堵管爆管、避免溃浆事故发生。
1）堵管爆管预防措施。堵管事故是导致爆管的主要原因，在浆液制备时应做好粉煤灰颗粒筛分工作，避免大颗粒材料混入到灌浆管路中，在灌浆结束后及时采用清水清洗灌浆管路，避免大颗粒物沉淀引起灌浆管出现堵塞问题。清水清洗管路以出口冲出清水为准，并安设最低防水阀门，冲洗完成灌浆管路后及时排出清洗水。
2）溃浆预防措施。溃浆事故与浆液质量有密切关联，灌浆浆液质量差，浆液脱水效果不好、浆液流动性差，导致大量的浆液脱水后在采空区内积聚，泥浆挤压容易出现溃浆事故。归结起来，溃浆事故主要原因有：灌浆浆液脱水效果不佳，无法及时沉淀，大流量的泥浆在采空区内积聚形成高压流体；
采空区内存在有导水区域，在水压作用下采空区内局部形成高压静水区。在现场灌浆过程中可采取下述措施避免溃浆事故发生：经常观测水情，在观测过程中若发现采空区排水量显著降低，此时则应立即停止灌浆，积极排水，避免出现溃浆事故发生；
封堵裂隙、灌浆孔通道，避免地下水沿着裂隙进入到灌浆区域内。
2.3 现场应用效果分析
具体矿井构建的粉煤灰灌浆系统现场图如图2所示。整个灌浆系统自动化程度高，从原材料运输、搅拌、浆体制备、管路运输等均采用控制PC自动化操作。
图2 粉煤灰灌浆系统现场图
采用粉煤灰灌浆方式对2-1号煤层采空区自燃发火点进行防治后，3503综放工作面在后续回风巷、回风隅角位置CO浓度呈显著降低趋势，待粉煤灰灌浆30 d后，采面回风巷、回风隅角基本监测不到CO，表明2-1号煤层采空区自燃发火问题基本得以解决。
1）3503综放工作面回采期间发现回风流以及回风隅角位置CO超限，通过束管监测、光纤测温等综合判定采面CO来源主要为3503综放工作面上覆2-1号煤层采空区。为确保采面回采安全，并实现2-1号煤层采空区遗煤自燃发火防治，结合矿井生产实际情况，提出采用粉煤灰灌浆方式进行防灭火。
2）对粉煤灰灌浆防灭火系统进行阐述，并确定粉煤灰灌浆浆液水灰质量比为5∶1，针对灌浆过程中容易出现的堵管爆管、溃浆等问题，提出针对性预防措施。粉煤灰灌浆技术现场应用后，3503综放工作面CO浓度显著降低，取得较好的采空区遗煤防灭火效果。
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