新型高分子材料在煤层自燃防治中的应用

秦 建，程麒龙

（重庆中梁山煤电气有限公司，重庆 400052）

1 矿井概况及开采技术条件

1.1 矿井概况

中梁山南、北矿于1957年开始建井，1959年简易投产，两矿设计生产能力均为90万t/年，由于地质构造特别复杂，制约了产能发挥，现核定生产能力南矿为33万t/年，北矿为30万t/年。

矿井从业人员2050人，已累计生产原煤5580.6万t，预抽煤层瓦斯气约16亿m3，瓦斯、煤尘、火、顶板、水等灾害严重威胁矿井的安全生产，建矿以来共发生煤与瓦斯突出98次，煤层自燃93次。

1.2 煤层赋存条件

南、北矿含煤地层属二迭系龙谭煤组，煤层未出露地表，含煤地层平均总厚度为115 m，共含煤10层，煤层总厚度13 m，层间距0～30 m，其中可采煤层七层，局部可采煤层有一层，不可采二层；煤层倾角68°～72°，K2煤层不突出，作为保护层开采，煤质为1/3焦煤，发热量20.91～25.09 MJ。

1.3 地质构造、水文地质条件

中梁山背斜是矿区主体构造，属紧凑型直立褶曲，两翼基本对称，煤田南、北走向长23 km，井田下边界-20 m水平，西翼地质构造相对简单，东翼则十分复杂，除背斜轴部大断层外，背斜两翼分布着大小不等的断层和次生小褶曲，据统计小断层密度达1 374条/km2；水文地质中等复杂，地表无溪流、湖泊，平均涌水量167 m3/h，最大涌水量630 m3/h，最小涌水量45 m3/h。

1.4 矿井开拓、开采条件

矿井开拓方式为平硐+立井+暗斜井联合开拓，主平硐横穿煤系地质进入核部茅口灰岩，各水平运输大巷设在煤系地层底部的茅口灰岩中；正平硐标高+280 m，生产水平+210 m、+130 m、-20 m，采区走向长1 800～3 000 m，区段斜长70 m，石门间距300 m。采区内采用前进式开拓、后退式开采、全部陷落法管理顶板，采煤方法有伪倾斜柔性掩护支架、伪倾斜短壁、倒台阶。

1.5 矿井瓦斯赋存及抽采

矿区井田内瓦斯储量十分丰富，煤田内埋深1 500 m以浅面积256.46 km2内，瓦斯储量达406亿m3；生产过程中瓦斯涌出量大，绝对瓦斯涌出量为50～60 m3/min，相对瓦斯涌出量达150～200 m3/t；矿井建有永久瓦斯抽采系统，泵站设在南北风井，抽采管路从副井入井，分别连接290、130、-20水平；抽采巷布置在茅口灰岩中，现有抽采钻孔5 800个，流量80 m3/min，浓度38%；采取立体网格式、穿层、顺层预抽、卸压抽、空区抽、溶洞裂隙抽、分源抽等综合抽采。

1.6 防止煤层自燃发火

矿井主采煤层平均厚度3 m，煤种是长焰煤，属中热值，低硫、中灰分煤，煤层自燃倾向性属二类，发火期一般1～3个月，最短20天；K2煤层不易自燃，其余煤层均有自燃倾向性。矿井投产以来，煤层自然发火93次，因火灾封闭采煤工作面27处，损失煤炭资源230万t，造成直接经济损失上亿元。采取的防火措施包括：采空区预防性注浆，采后饱和性注浆，喷洒阻化剂，注阻化泥浆，采空区均压防火等技术[1]。

2 矿井煤层自燃防治系统

2.1 注浆管路系统

矿井建有一套黄泥注浆系统，该系统利用地面的黄泥浆搅拌站，将黄泥和水充分搅拌形成黄泥浆后，通过Φ108 mm钢管输送到井下注浆点和采掘工作地点。防火注浆工艺流程为：风井制浆站→风井至290 m副井井筒→290 m车场→290-140轨道斜井→140车场→140大巷→采煤工作面消火道→采煤工作面采空区。

2.2 注浆装备及泥浆质量

风井制浆站设置有2个清水池，2个泥浆池，安装有2台高压离心水泵，型号为100D45×4，流量85 m3/h，扬程180 m。高压离心水泵将清水打至山上，用高压水枪冲刷黄泥，产生的泥浆经引流槽进入泥浆池，一个池子向井下注浆，一个泥浆池备用，泥浆池内的泥浆通过搅拌机搅拌均匀，制作成水土比为6∶1的黄泥浆，泥浆通过漏斗进入管道流入井下。

生产过程中容易自燃煤层一般采用注浆防火，自燃煤层一般采用阻化剂防火，不易自燃煤层一般采用均压防火。

2.3 现注浆系统的缺陷

利用黄泥注浆系统进行工作面防火虽有一定的效果，但也存在严重的缺陷：一是由于泥浆输送距离远（最远处长达4 km），工艺复杂，黄泥浆水流失过多，造成效率低、成本高。二是地面冲刷黄泥，造成水土流失，破坏环境。三是黄泥注浆保水时间极短，泥浆干后，产生裂缝，容易脱落，煤炭经氧化后又复燃，往往反复多次燃烧，火情很难控制，发火隐患难以根治。

3 应用新型高分子材料防治煤层自燃

3.1 解决原有黄泥注浆系统缺陷的思路

一是在井下构筑注浆站，解决效率低、成本高的问题；二是采用高效的注浆材料，解决泥浆防火效果差的问题，而采用高效的注浆材料是井下构筑注浆站的前提和基础。因此，解决高效的注浆材料是解决原有的黄泥注浆系统缺陷的关键。

3.2 新型高分子阻化泥浆

MEA-1新型高分子材料为高分子防灭火阻化剂，以其取代原来低效率的黄泥注浆灭火，是我国新时期煤层自燃发火防治的新技术、新成果。

2013年南、北矿开始引进MEA-1高分子防灭火阻化剂应用技术。该技术为单料配方，即MEA-1高分子材料加水配制而成，该技术防灭火效果较好，但成本过高。为了降低成本，经过技术人员不断实验，改善配方，由单料配方（高分子材料加水）改为混合料配方，在高分子防灭火阻化水中加入适量的高岭土粉，质量比按高分子材料：高岭土泥粉：水=1∶100∶1 000的配比制成高分子阻化泥浆。MEA-1高分子材料具有强大的吸水性和长期保水能力，高岭土泥浆具有更高的黏稠性和渗透性，有效地堵塞了煤体较大的空隙裂缝，同时又有速凝、阻化、隔化、隔氧、降温、无毒无臭、无腐蚀性、附壁性好、综合成本低等优点。该高分子阻化泥浆具有MEA-1高分子防灭火阻化剂和高岭土泥粉的优点，比其他阻化材料具有更好的防灭火效果。

新型高分子阻化泥浆防灭火效果良好，综合性能比单料配方提高了3～4倍，而成本比单料配方降低3倍，施工方法也比较简单。

3.3 井下注浆泵站

根据矿井采区布置情况，在井下建立了2个注浆泵站硐室。每个注浆泵站砌筑一个3 m3搅拌池、安装一台DW-250型泥浆泵，经Φ50钢管将高分子阻化泥浆输送到注浆点，输送距离最远不超1 000 m。在井下建立注浆泵能较好地解决输送距离远、工艺复杂、泥浆水流失多、效率低、成本高等问题。

4 应用实例

2013年1月13日，开采仅20天的0413采煤工作面，在其回风巷中发现CO浓度（质量分数）达到48×10-6，经排查，确认是进风巷距采煤面上出口21 m处顶板碎煤发热。于是，立即采取在顶板碎煤发热处打钻插管（3 m）灌注高分子阻化泥浆，至2013年1月16日，CO浓度降到了10×10-6；至1月20日，CO基本消失（如图1）。

图1 0413工作面发火隐患处置图

2013年10月21日，通过监测系统发现0413工作面3号斜坡回风流CO浓度（质量分数）达到28×10-6，烷稀浓度（质量分数）达到 47×10-6，乙烯浓度（质量分数）达到27×10-6，烷稀比达到1.7%，说明该斜坡遗煤已有自然发火的趋势。立即采取在进风巷施工下插钻孔向3号斜坡冒落区注高分子阻化泥浆（如下页图2），同时采取顺槽设置挡风帘控制采面风量，加快工作面推进速度等综合防治措施，至2013年10月30日，CO、乙烯、烷烯等气体基本消失了，说明该发火隐患已经消除，确保了0413工作面的安全回采。

5 新材料的应用效果

南、北矿引进MEA-1高分子防灭火阻化剂并进行注浆系统改造后，共消除发热点36个，消灭火区8个。矿井煤层发火率由6次/万t下降到0.3次/万t以下，工作面回采率由原来的80%上升到了87%；防灭火成本由原来的0.9元/t减少到0.4元t，取得了较好的经济效益和社会效益。

6 结论

应用新型MEA-1高分子材料配以适量的高岭土泥粉，加水后配制成的新型高分子阻化泥浆，具有凝成胶体迅速、吸水性强、保水时间长，附壁性好，渗透性强、无毒无臭、无腐蚀性和综合成本低等优点。采用新型高分子阻化泥浆对火区直接灭火效果好，对有发火预兆的地点进行注浆，能及时有效地将煤层自燃灾害消灭在萌芽状态，达到减少甚至消除煤层自燃灾害的目的。