基于粉煤灰资源化利用的煤层火灾防治技术研究与应用

王振平宋先明肖 旸王洪权

(1.兖矿集团有限公司,山东省邹城市,273500; 2.西安科技大学,陕西省西安市,710054)

★煤矿安全★

基于粉煤灰资源化利用的煤层火灾防治技术研究与应用

王振平1,2宋先明1,2肖 旸2王洪权1

(1.兖矿集团有限公司,山东省邹城市,273500; 2.西安科技大学,陕西省西安市,710054)

在分析兖矿集团下属各矿坑口电站粉煤灰的物理化学性质基础上,结合兖矿的防灭火实际情况,提出了用粉煤灰替代黄土作为矿井灌浆防灭火材料或废弃巷道充填物,实现坑口电厂粉煤灰的就地资源化利用。从粉煤灰代替黄土灌浆注胶和粉煤灰固化充填2个方面的煤层火灾防治技术进行了系统的研究。结果表明,通过粉煤灰的资源化利用,有效地解决了矿井防灭火、密闭加固、废巷充填等安全生产问题,以及黄泥灌浆造成的耕地、植被破坏等环境问题,促进了矿井的安全生产和环境保护工作。

粉煤灰 煤层火灾 灌浆 注胶 固化充填

目前我国电厂以燃煤为主,随着电力工业的不断发展,粉煤灰的排放量也日益增多。1995年我国粉煤灰累计库存已达6.6亿t,占地2.27万hm2。1990年粉煤灰排放量为6700万t,1995年粉煤灰排放量达9936万t,2000年约为1.2亿t,到2010年将达到2亿t,居世界之首。但我国粉煤灰的利用率在1990年仅为28.3%,1995年为41.7%,2000年为58%,而国外已达到了70%～80%。

兖矿集团南屯矿、鲍店矿、东滩矿、兴隆庄矿、济二矿和济三矿等开采易自燃厚煤层的几个大型矿井均建有坑口电厂,每年要排放大量的粉煤灰,不仅占用了大量场地和空间,又增加了企业的负担,外运还需支付排污费(20元/m3)和运费。粉煤灰对环境的污染是多方面的,如占用土地,污染土壤;微粒飘逸,污染大气;湿法排灰,污染水体。另外,在粉煤灰利用过程中,也会对环境产生影响,例如生产建材制品时,粉煤灰中放射性元素含量过高会危害人体健康。因此,实现粉煤灰的资源化利用,因地制宜地解决粉煤灰所带来的负面问题尤为必要。本文结合兖矿实际,用粉煤灰替代黄土作为矿井灌浆防灭火材料或废弃巷道充填物,可实现坑口电厂粉煤灰的就地资源化利用,省去将其作为建筑材料或公路、桥梁等工程建设时,需进行二次加工处理和运输等诸多方面的不便,形成粉煤灰资源化利用的矿井防灭火成套技术及装备。

1 兖矿坑口电站粉煤灰的物理化学性质

实验用南屯矿、东滩矿、鲍店矿和兴隆庄矿4个坑口电站产粉煤灰,其一般物理性质和化学成分见表1。

表1 兖州矿区坑口电站粉煤灰化学成分分析%

从表1可以看出,兖州矿区坑口电站所产粉煤灰具有如下物理化学性质。

(1)坑口电厂粉煤灰的化学成份、烧失量等与黄土、页岩相似,吸氧量不大,交叉着火温度和熔点温度较高,氧化性能低,无自燃和助燃性,具备代替黄土作为防灭火材料的条件,符合注浆材料的要求。

(2)从粉煤灰的挥发分、固定碳含量、含硫量、烧失量、吸氧量等实验结果来看,粉煤灰可燃物少、氧化性能很低,完全符合注浆材料的要求。当粉煤灰含水量达到38%时,在低压差下透气量为零。对潮湿环境的井下,不难保持粉煤灰的含水量大于38%,此时能起到完全封闭隔绝火区的作用。

(3)粉煤灰密度小,颗粒大部分呈玻璃球体状,少部分为不规则珠状和海绵状结构,粘结性差,流动性好,便于搅拌和管道水力输送。粉煤灰的粒度较细,不含粗颗粒(大于2 mm),利于输浆,其灰浆的稳定性较好,可以利用管道水力输送。但灰浆流速不得低于0.3 m/s,灰水比(重量比)一般不要高于1∶1。

(4)粉煤灰的组成主要是砂粒和粉粒,渗透性和沉降速度大于黄土,脱水性优于黄土。粉煤灰的粘性比黄土差,故粉煤灰作防灭火注浆材料时,注浆系数应比黄泥浆大20%左右。

(5)从粉煤灰的化学分析各成分来看,要配制出无机固化粉煤灰充填材料的关键物质是S iO2和Al2O3两种成分,两者之和在南屯矿占63.66%,鲍店矿占57.8%,东滩矿占78.76%,均符合无机固化充填材料的要求。

2 粉煤灰灌浆注胶防灭火技术

煤层火灾防治需用大量含水材料充填松散煤体裂隙,起到包裹煤体、封堵漏风、降低煤温、并阻止煤温升高的作用,充分利用矿区附近的土、砂、粉煤灰和岩石等无机不燃物作为防灭火原料,是一条重要且经济的解决途径。

2.2.1 教练员的基本情况 教练员的学历统计结果显示，研究生学历的教练员为空缺状态，2名（占20%）教练员的学历为本科以下水平；具有本科学历的教练员有8名，占有绝大多数（80%）。对比国家体育总局下发的《“国家高水平体育后备人才基地”认定办法》（以下简称《办法》）中关于教练学历方面满分的标准：“具有本科及以上学历的教练员占教练员总数：中等体育运动学校100%；少体校85%及以上。每降低1个百分点扣1分”[2]，我们可以发现武进少体校的教练员学历水平虽然已达较高标准，但还有一定的提升空间。

2.1 新型粉煤灰灌浆注胶材料

灌浆防灭火技术在我国自然发火危险矿井中使用普遍,泥浆能够吸热降温,包裹煤体隔氧,防灭火效果显著。但现有水力冲土自流成浆工艺制出的浆液浓度低且不稳定,灌入井下的土量少,效率低,而且系统自动化程度低,人员工作环境差、劳动强度大。另外,可使用的灌浆原料种类少,产生的残渣等固体废弃物较多,严重污染环境。

由粉煤灰的物理化学性质可知,其符合注浆材料的要求。粉煤灰密度小,颗粒大部分呈玻璃球体状,少部分为不规则珠状和海绵状结构,粘结性差,流动性好,便于搅拌和管道水力输送。粉煤灰的粘性比黄土差,粒度较细,不含粒径大于2 mm的粗颗粒,灰浆的稳定性较好,有利于浆液的管道水力输送,但其亲水性差,易沉淀,要求灰浆流速不低于0.3 m/s,灰水的重量比一般不能高于1∶1。胶体防灭火技术集堵漏、降温于一体,防灭火效果佳,已成为煤层自燃火灾治理的主要技术手段之一,但采用井下移动式注胶防灭火系统时,设备安装运行及材料运输均不能迅速实施,且注胶流量小,井下材料运输量大,使得灭火效率降低。

为了更好、更有效地发挥矿井灌浆和注胶防灭火技术的优势,有必要将二者有机地结合起来,研究新型的系列灌浆注胶防灭火材料,提高灌浆效率,并根据各种新型灌浆注胶防灭火材料的特点,有针对性地处理各种不同情况下的浮煤自燃。

2.2 粉煤灰灌浆注胶防灭火工艺及装备的研制与应用

研制的粉煤灰灌浆注胶工艺及系统装备可实现高浓度浆液的制备及管路输送,提高灌浆效率。通过建立完善的自动化监控系统,确保灌浆注胶防灭火系统的稳定运行,减小人为因素影响,提高系统的可操作性,并通过向灌浆系统中自动按比例加入外加剂,实现凝胶、稠化胶体、复合胶体和固化充填材料等新型防灭火材料的压注,从而对矿井煤层火灾进行有效地预防和在紧急情况下快速反应,并适应不同类型矿井的防灭火需要,有针对性地处理各种不同情况下的煤层火灾。

粉煤灰灌浆注胶防灭火系统由浆料粉煤灰储存场地、浆料破碎和过滤系统、连续式定量制浆系统、地面外加剂添加系统、输浆管网系统和井下外加剂添加系统构成。粉煤灰灌浆注胶防灭火系统的总体构成如图1所示。

图1 多功能灌浆注胶系统的总体构成

3 粉煤灰固化充填堵漏防灭火技术

3.1 粉煤灰无机固化配比

无机固化粉煤灰防灭火充填材料配方的选择是在南屯煤矿井下实际灌浆应用的基础进行的,最佳配方选择的合适,实际灌浆时才能达到要求的技术经济指标。无机固化粉煤灰防灭火充填材料最佳配方的选择只是为实际灌浆应用提供一个基本的参考依据,对于不同的应用地点(例如开切眼、停采线、上下巷道、采空区、老空区、内提联络巷、溜煤眼等),必须根据具体情况,在基本配方的基础上灵活应用,择优选择,以便达到不同的应用地点所要求达到的不同的技术经济效果和目的。无机固化粉煤灰防灭火充填材料最佳应用配方的选择是根据南屯煤矿井下应用地点防灭火充填堵漏风的实际需要,以及电厂粉煤灰固化实验结果,对基本配方各组分按表2的比例进行实验。

图2 南屯矿无机固化粉煤灰防灭火充填材料灌浆系统及工艺示意图

在地面灌浆立孔下浆时,各成分所占比例为:干粉煤灰占37.0%～35.7%,固化激发剂占10.3%～10.0%,水占52.7%～54.3%。对于不同的应用地点,根据是充填支撑或是堵漏风或是防灭火的灌浆目的,可以在上述基本配方的基础上进行适当的比例微调。

3.2 粉煤灰无机固化充填工艺及装备研究与应用

在原有黄泥灌浆系统的基础上,为了满足以粉煤灰为主要成分,达到堵漏风材料各种组成成分定量配比的需要,完成了系统装备的研制及应用。南屯矿无机固化粉煤灰防灭火充填材料灌浆工艺系统如图2所示。

表2 南屯煤矿粉煤灰固化实验结果

根据上述结果,并考虑到固化粉煤灰每立方米的经济成本,选择应用的最佳配方为:粉煤灰71 g,固化激发剂14 g,硬化速凝剂5～6 g,水50～55 g。

填充工艺的具体步骤:

(1)按要求的比例把储灰池内的粉煤灰用水冲放到两个灌浆池;

(2)搅拌机把2个灌浆池内的粉煤灰水溶液搅拌均匀,利用粉煤灰定量给料泵把粉煤灰溶液定量输送到灌浆立孔;

(3)利用固化激发剂定量给料装置把固化激发剂定量输送到灌浆立孔;

(4)井上定量送浆,井下同时打开通往工业试验地点的阀门,根据粉煤灰充填地点的长短,计算管路需要置换的时间,在粉煤灰溶液把管路置换完毕并到达充填地点以后,开启井下硬化速凝剂定量给料泵,进行定量配给硬化速凝剂。

通过系统的改造,使粉煤灰防灭火充填材料灌浆系统装备更加完善,使无机固化粉煤灰防灭火充填材料各种组成成分在灌浆过程中能够达到最佳配方比例,满足了不同的灌浆地点对无机固化粉煤灰防灭火充填材料技术指标的要求。

4 结论

(1)利用粉煤灰替代黄土注浆,使粉煤灰变废为宝的同时,减少了对环境的污染,节约了宝贵的黄土资源,优质农田免于被破坏。

(2)粉煤灰灌浆注胶防灭火材料,改善了粉煤灰浆的防灭火性能,降低了浆液在煤矿井下的流失率,提高了粉煤灰的利用率和防灭火效果。

(3)粉煤灰灌浆除可用于防灭火外,加入水泥和其他固化材料后,可应用于内错联络巷的改造。为采煤面过联络巷时制造假底,具有坚固、稳定、省工、省时、省成本等特点。

(4)粉煤灰灌浆注胶防灭火系统可实现粉煤灰浆液、稠化胶体、复合胶体、凝胶、粉煤灰凝胶和固化充填材料等多种防灭火材料的大流量压注,避免了系统的重复建设,节约了基建资金。

[1]张金山,刘烨,王林敏.我国粉煤灰综合利用现状[J].西部探矿工程,2008(9)

[2]韩怀强,蒋挺大.粉煤灰利用技术[M].北京:化学工业出版社,2002

[3]汤从心等.积极开发利用粉煤灰资源(上)[J].环境保护,1991(11)

[4]王福元,吴正严.粉煤灰利用手册[M].北京:中国电力出版社,1997

[5]徐精彩,张辛亥,文虎,邓军.煤层自燃胶体防灭火理论与技术[M].北京:煤炭工业出版社,2003

(责任编辑 梁子荣)

Based on recycled use of coal ash:research and application Coal seam fire prevention and control technology

Wang Zhenping1,2,Song Xianming1,2,Xiao Yang2,Wang Hongquan1
(1.Yankuang Group Co Ltd,Zoucheng,Shandong province 273500,China; 2.Xi’an University of Science and Technology,Xi’an,Shaanxi province 710054,China)

On the basis of an analysis of the physical and chemical characteristics of the coal ash discharged by allmine mouth power plants of Yankuang Group and also combined with the actual conditions of underground fire prevention and control in all Yankuang mines,it is proposed in this paper that the coal ash is to be used asmaterial formaking fire prevention and control grouting and raw material for backfilling in used driftswhen they become of no use.This is an effective way to turn the coal ash discharged from mine mouth power plants into usefulmaterial on-site.Besides,a systematic study is carried out in this paper on coal ash replacing the role ofmud slime in underground fire prevention and backfilling in underground gobs.Relevant results indicate that on-the-site utilization of coal ash aimed at turning the useless waste into a resource can effectively solve the problem of coal mine work safety such asmine fire prevention and control,underground cavity sealing and fortification and backfilling in useless drift and/or roadways,etc.It is also a very effective solution to the problem of environmental problems linkedwith mud sl ime related pollution such as the destruction of farmland and ground vegetation.Inone word,thistechnologysimplyimproves coal mine worksafetyandcoal mine environment.

coal ash,coal seam fire,grouting,backfilling in underground cavity

TD752

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王振平(1965-),男,安徽巢湖人,博士,工程技术应用研究员,山东省突出贡献中青年专家,从事矿井“一通三防”技术管理工作。