矿用固化泡沫水泥浆在煤田灭火中的应用

熊春雷 陈 超

新疆维吾尔自治区煤田地质局综合地质勘查队 新疆 乌鲁木齐 830009

我国煤炭资源丰富,其储量和开采量约占世界第三位,主要分布在东北、华北、西北等地。当产煤区干旱缺水时,往往会发生煤田自燃这种地质灾害。煤田自燃对煤炭资源是一种严重的浪费。我国西北地区主要产煤区之一的新疆已自燃煤炭达21亿吨,约占新疆已探明储量的6%,损失严重。经过较长的努力后,新疆对于煤田的火灾治理方面积累了一定的经验,并且已经拥有了比较成熟的灭火技术。但在进行实际灭火作业时,仍然会存在一些不良因素,影响灭火的效果,如:部分火区底部会直接与空洞、巷道相连接,如果在这些空区中进行注水注浆,就会使得水以及浆液直接流走,无法实现良好的灭火效果。为了有效的解决上述问题,采用矿用固化泡沫水泥浆来进行煤田灭火。

一、应用方法

1、钻孔布设。按照大部分矿用固化泡沫水泥浆来进行实验,在实验操作中一般会将钻孔布设间距设置为8m。如果要使注浆作业实现密闭帷幕的效果或是用于其他操作,则可以按照注浆的实际要求来对钻孔间距和具体的位置进行调整。对于钻孔的具体深度,需要结合实际情况来分析。

如果火区是由纯裂隙进行填充而成,则进行钻孔时最低深度必须要在燃烧煤层的顶板位置。如果火区下部存在一定规模的空区,在应用水泥浆对空区进行填充时,可以直接利用钻孔打到空区所在区域,一旦钻孔进入到指定区域就会出现下掉,则可以据此来判断出具体的位置。如果在发生火灾时火区下部正在进行煤矿开采,则应该利用水泥浆将煤矿巷道和正在燃烧的区域进行有效的隔离,防止在注水注浆的过程中会有部分浆液和水进入到巷道当中。在进行钻孔时,一般可以将其打入至巷道的顶端或者燃烧煤层的底板。需要注意的是,一定不能将钻孔打入至巷道内。

2、钻孔准备。在进行钻孔前,应该先对孔壁进行检查,确保其完整。花管应该下入至钻孔的底端,实管则一般会设置在钻孔口。在实管上需要焊接一个母接头,以此来和注浆管进行连通。为了有效的确保注浆的压力,在进行注浆操作前需要对孔壁以及套管间的缝隙进行有效的封闭,防止在注浆时出现压力外泄的情况,降低注浆质量。在火区内,岩石大多数已经呈现为破碎的状态且大部分钻孔口有所损坏,在这种情况下,难以利用套管封堵器进行操作。为了可以对孔口进行有效的封闭,需要先清理干净注浆孔的附近位置及其外环缝隙,正常情况下清理的深度需要达到1～2m,然后再用充填材料完成填补工作。如果实管的长度没有达到2m,则可以先将花管进行包裹,防止其被填充材料封堵,对注浆操作产生不良影响。在完成环状间隙的密封后,需要将PE管下入到钻孔内,一般深度为一寸,管长需要低于套管大概10m。将PE管一侧连接和公接头相连,同时用铁丝进行捆扎。在下入PE管的过程中,每当间隔2～3m的时候需要用刀片切割一层小口,防止水泥浆将PE管顶破堵塞套管。

3、水灰比和用量。对于矿用固化水泥浆而言,其流动性随着水灰比的上涨则效果更好,而当水灰比减小时,其堆积性则会变得更好。因为厂家所生产的每种材料会具有一定的性能上的差异,因此水灰比无法确定准确的数值。一般需要在现场进行试验,从而确定具体的水灰比。正常情况下,在对火区下部的空区进行填充时,应该利用堆积效果良好的水泥浆,防止出现材料流失的问题。针对裂隙的填充,则一般会选择流动效果显著的浆液进行填充。

4、注浆填充。在明确注浆填充需要实现的目的后,需要对钻孔进行降温处理,然后再进行注浆作业。下面以某厂所生产的矿用固化泡沫水泥浆为例,对其注浆流程进行简述。该水泥浆料的组成包括:A材料、B材料以及发泡剂。A、B材料在与水分别进行混合时一般不会出现凝固,但如果将这两种材料同时进行混合,则能够实现良好的固化充填。在浆液完成凝固以后,会具有较强的稳定性,则不会受到水流冲击的影响。发泡剂则主要是用于将水泥浆进行膨胀,从而实现节约材料的作用。此注浆系统的组成部分包括:加料台、蜗杆泵、输浆管等。将A、B材料按照规定的水灰比进行搅拌,再由输浆管进行传送直到进入蜗杆泵当中,通过高压输浆管进行混合,最终注入到钻孔内。在这一过程中,发泡机需要将发泡剂运送至搅拌罐当中,从而对发泡倍数进行有效的掌控。在注浆压力不断上涨直到泵压后,就可以结束注浆。完成注浆后,需要先通过泄压阀将孔内存在的压力排泄干净,然后再将高压输浆管进行拆除,否则将会出现安全隐患。

二、固化泡沫水泥浆的应用和意义

首先,在进行注浆时可以保障良好的封闭效果,利用灭火作业的顺利完成,有效减少复燃问题的出现。传统注浆技术在很大程度上受到黄土的影响,含沙量和碎石等问题都会对注浆封闭操作产生不良影响。而且传统注浆技术一般多为常压注浆,无法确保浆液的扩散效果。而对于矿用固化泡沫水泥浆而言,在其正式应用时会在搅拌罐里完成水泥浆的一系列配置,所得到的浆液纯度非常高。另外,应用高压输浆管对水泥浆进行加压,保障了浆液的有效扩散,从而实现效果良好的裂隙封闭。

其次可以对空区进行有效的封堵,从而确保注浆的效果和效率。在对煤田进行灭火时,经常会出现钻孔底部和空区相连的情况。如果应用传统注浆方法,除了消耗的时间过长外,注浆操作的质量也无法得到保障,并且会造成大量的人力物力资源的浪费。而应用矿用固化泡沫水泥浆,则可以对其水灰比进行相应的调整,从而保障浆液的堆积效果,以此来实现有效的封堵。

最后,在进行煤田灭火时,由于注水会流入至巷道内,从而对煤矿开采造成严重的不良影响,并且还会伴随一定的安全隐患。在这种情况下,通过矿用固化泡沫水泥浆可以先对燃烧体的裂隙进行有效的封闭,然后将其和巷道进行隔离,在火区注入一定量的水,从而解决煤田灭火和煤矿开采的问题。

总而言之,在进行煤田灭火时,科学合理的应用矿用固化泡沫水泥浆具有十分重要的现实意义。该项灭火技艺有利于解决空区的填充、火区复燃等一系列问题。但是固化水泥浆本身价格比较高昂,在进行注浆操作时需要耗费较高的成本,因此在当前还没有得到较为广泛的应用。在未来,还需要对其进行深入的研究,希望可以降低有效的降低固化水泥浆的经济成本,从而有效的应用于煤田灭火当中。