新型胶体材料在白芨沟矿火区下分层煤自燃预防中的应用

2013-03-15周光华黄盛初李玉民宋宜猛杨春宁

中国煤炭 2013年6期

周光华黄盛初李玉民宋宜猛杨春宁

（1.神华宁夏煤业集团有限责任公司，宁夏回族自治区银川市，750011；2.国家安全生产监督管理总局信息研究院，北京市朝阳区，100029）

白芨沟煤矿2421-2综放工作面位于南二采区四阶段和南四采区六阶段，北部为实体煤，东部北段为2321-1采空区。平均煤厚10.5 m。工作面走向长1488 m，倾斜宽152 m，煤层倾角015°。开采工艺为综合机械化放顶煤开采，采高3m，放顶煤高度7m。由于2421-2综放面布置在2421-1综放面采空区之下，采动影响致使2421-2综放面在开采过程中容易引起顶板破碎，产生上分层采空区漏风，导致上部采空区原有高温浮煤加快氧化速度而引起自然发火。2421-2综放工作面于2005年9月安装回采后，工作面前方采空区由于浮煤氧化存在大量CO 气体，且有局部高温点出现。经及时在地面对应位置施工钻孔灌浆、注三相泡沫等材料控制高温区发展，工作面安全开采约660m，距1700回四川和1660运二川280m 处，其前方施工的探火钻孔内发现CO 气体超限，最高浓度达0.0188%。2421-2工作面探火、灌浆钻孔平面布置如图1所示。

图1 2421-2工作面探火、灌浆钻孔平面布置示意图

1 火区初步处理及效果分析

针对2421-2综放面火区出现CO 超限情况，初期采用了常规治理方法处理，即通过图1中地面91＃钻孔灌注黄泥浆液。但随后在工作面运输巷道发现多处高温淋水点，且温度多在26℃以上。经近1个月的黄泥灌浆，发现运输巷道淋水温度并没有下降，2421-2回风巷道5＃、7＃等探孔CO 浓度不降反升，且瓦斯引发巷内出现大量雾气。经分析是灌浆没有到达高温点位置，只经过火点边缘带出了高温水汽。事后，白芨沟矿分析了此次黄泥灌浆灭火不成功的原因，主要是存在以下问题：传统的黄泥灌浆系统中水土比为5∶1左右，浆液流失量大，且浆水存在严重的 “拉沟”现象，在较大空间内不能有效堆积，即不能到达高位火点；注水灌浆时，浆液顺工作面倾斜方向流往低处，不能在高处积存。灌浆后形成固定的水流通道，很难再向其它地点渗流，不能熄灭高处大面积火源，且水和浆液从煤体表面流过，不能有效地降低块煤内部温度，停止注浆后，风流渗透流畅，复燃很快。

要解决以上问题，要求灌注的防灭火材料必须能够在采空区内有效堆积，封堵流水通道，减少漏风，起到固留水分、降温灭火作用。

2 高分子胶体灭火材料的特点

要治理2421-2 综放面上部采空区的高温区域，首先必须有效控制漏风，阻止向高温区域供氧；其次是灌注材料应该能积聚在高温区域内，起到降温作用；再次是有效封堵流水通道，防止下部工作面开采时可能导致的 “溃浆”事故。为了更加有效、可靠地对该处隐患进行治理，根据对现有防灭火材料的性能比较，决定先通过地表钻孔灌注FCJ-12复合胶体，对流水通道进行有效封堵后，再灌注MCJ12高分子灭火胶体进行灭火。

2.1 FCJ-12复合胶体的堵漏性能

FCJ12复合胶体添加剂是由线性亲水性高聚物、交联的高吸水树脂和少量改善与煤体间润湿性与阻化性的无机和有机材料组成。这种凝胶主要是线性高分子材料的水溶液，因此有一定的粘弹性，是复合性的弹性凝胶。FCJ-12复合胶体中水约占90%，胶体及其它约占10% ，混合后形成相对稳定的胶体状态，不发生离析。FCJ-12复合胶体材料通过采用沉入度法及间接加入填充剂后，达到了纯凝胶的强度，且在填充剂与纯凝胶之间加强了粘附力作用、能量流散作用、吸附作用及温度效应，增强了复合胶体的流动性；随着加热温度的升高、加热时间的延长，减缓流动性，增大强度。具备这两个特性的复合胶体可有效地对漏风和流水通道进行封堵。

2.2 MCJ12高分子胶体灭火性能

MCJ12高分子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。胶体材料具有如下防灭火性能：

（1）固水性，纯胶体中90%以上是水，易于流动的水被固结起来，充分发挥水的降温灭火作用；

（2）热降温性，成胶过程是吸热反应，煤温上升使胶体中的水汽化，也吸收大量的热；

（3）渗透和堵漏性，成胶材料是易于流动的液体，渗透到煤层缝隙中后形成胶体，堵住漏风通道；

（4）阻化性，促凝剂和基料本身都是阻化剂，两者反应生成的材料也是阻化剂，胶体具有通用阻化剂的性能；

（5）热稳定性，在1000℃以上的高温下，胶体不熔化、不破裂，仍能保持完好，只是慢失水干裂；

（6）充填性能，增强剂（黄土、粉煤灰等）用量增加，胶体耐压性增强，在注浆口附近胶体堆积高度可略高于注浆口标高，通过改变出浆口的出口压力可调节胶体泥浆的堆积高度；

（7）灭火安全性，由于胶体有束水作用，在用于扑灭煤火时，不会急剧产生大量的水煤汽而恶化工作环境或发生爆炸；

（8）有效期，正常情况下（T＜28℃，湿度＞90%），胶体可长期保存在煤层中（现场实测13个月仍完好），防止煤层自然发火或火区复燃；

（9）成胶时间可控性，最短成胶时间25s，慢的可控制在2h以上，便于针对不同发火情况和现场使用工艺对其进行适当调节。

3 灭火工艺及效果分析

3.1 FCJ-12复合胶体材料压注工艺

复合胶体材料的压注如图2所示。搅拌和混合工作主要在地面完成，首先利用地面制浆站将黄土和水按比例制成黄泥浆液，输送至灌浆钻孔处，然后接入复合胶体促凝剂添加设备在黄泥浆液中按照1%的比例加入FCJ-12复合胶凝剂，通过钻孔注入火灾隐患区。

3.2 MCJ12高分子胶体压注工艺

MCJ12高分子灭火胶体注胶工艺如图3所示。高分子胶体压注机是一种专门将粉状基料按比例分散开撒入水中，并搅拌使之均匀，最终配制成胶体的设备。MCJ12高分子灭火胶体配比完成后，通过地面钻孔注入火灾隐患区域即可。高分子胶体压注机压注泵的流量为定量泵，基料下料速度可通过调节调速器的转速实现。由于这种胶体添加剂用量很少，注胶设备也比较轻便，因此注胶灭火快捷方便。这种胶体压注机适合小范围煤层自燃火灾的快速扑灭。MCJ12高分子胶体材料的配比为0.8%-1%。

3.3 实施及效果分析

此次防灭火工作主要通过地面钻孔实施。首先通过图1中高温区域内的91＃、95＃、96＃、100＃、105＃、110＃等地面钻孔灌注FCJ-12 复合胶体，几天后发现原井下2421-2运输巷道几处流水点流出的水呈现胶体状，流水量逐渐减小。判断是灌注的材料在采空区内形成胶体状，逐渐将流水通道封堵，并固留了胶体中的水分。经过堵漏后，对高温区域内的上述钻孔开始灌注MCJ12高分子灭火胶体，发现运输巷道1＃、2＃、4＃等淋水点明显消失，水温由原来的28℃下降到18℃，瓦斯引放巷内温度明显下降，原有的雾气逐渐消失。回风巷道5＃、7＃、9＃等探火钻孔内CO 气体浓度逐渐下降至安全范围，工作面加快了推进度，当月推进度达到60m。