灌浆防灭火技术在杭来湾煤矿的应用

徐志强

（陕西有色榆林煤业有限公司，陕西 榆林 719099）

0 引 言

据统计，自燃火灾引发的矿井火灾事故占事故总数的90%以上，自燃火灾是指煤炭吸附空气中的氧气发生缓慢氧化产生热量，热量聚集后得不到有效释放而引发的井下火灾。榆林煤业杭来湾煤矿设计生产能力为800 万t/a，煤体具有自然发火危险，依据矿井3 号煤层赋存状况、矿井开拓方式、采煤方法、巷道布置、巷道支护、通风系统、3 号煤层自然发火特征等实际情况，研究制定了灌浆防灭火技术应用方案。

1 灌浆防灭火技术

采空区灭火技术是井下防火的关键技术之一，采空区灭火常采用灌浆防灭火技术，该技术通过水和浆材依照一定的混合比例，混合成固定浓度的浆液，以自然差和动力为基础将泥浆输送到井下，沿着钻孔管道和专门运输灌浆的管道输送到燃烧区域，实现灭火。主要灭火机理是浆液通过管道渗透或黏着力将浆液覆盖在燃烧区域表面，浆液中的固体物质可以深入到煤层的缝隙中，断绝氧气与火源的接触，达到灭火的目的。另外浆液中的水分可以抑制煤层自然氧化的过程，削弱燃烧区域的氧化散热作用，避免火灾的发生。

2 灌浆防灭火技术实施条件

3 号煤层一盘区可采煤层厚度4.8～11.9 m，均度8.4 m，煤体结构较为简单稳定。该综采工作面煤样实验最短自然发火期为41 d，井下采空区浮煤实际最短自然发火期为52 d，最短自然发火期内综采工作面实际推进距离为575.7 m，大于综采工作面窒熄带最大宽度380.0 m。依据鉴定报告，该煤层煤尘有爆炸性，并且煤层具有自然发火危险，属“Ⅰ类” 容易自燃煤层，吸氧量为0.73 cm3/g；煤尘具有爆炸性，火焰长度>400 mm。

当采煤工作面满足下列条件之一，实施采空区灌浆防灭火措施：①采空区遗煤厚度大于0.418 m。3 号煤层煤样氧化自燃的最小浮煤厚度0.418 m，且综采工作面平均月推进速度小于或等于极限推进度（“极限推进速度”，在考虑了1.5 倍安全系数，算得极限推进速度为175.5 m/ 月）；②工作面上隅角或采空区出现CO，且呈连续上升趋势，上隅角CO 浓度达到邻界温度对应的CO 浓度24 ppm；③根据采空区自燃区域判定和预测，采空区存在自燃危险，需要灌浆；④工作面上隅角或采空区出现C2H4气体。

3 灌浆方法的选择

目前采用较多的是采前预灌，随采随灌和采后灌浆技术3 种形式，采前预灌多应用于老采空区和自燃灾害发生较多的矿井，在煤层开采之前对煤层提前进行灌浆；随采随灌以钻孔灌浆、埋管灌浆等方式为主，随着工作面的推进随时进行灌浆处理，该方法能及时消除采煤遗留的浮煤；采后灌浆是指在采空区开采完毕后，采煤工作面多采用采后灌浆技术，以工作面的出口内插管进行灌浆实现灭火目的。根据采空区灌浆防灭火技术实施条件，设计采用采空区垮步式埋管随采随灌+ 采后灌浆工艺方法。

（1） 埋管随采随灌。

采空区垮步式埋管的随采随灌工艺，即沿工作面回风顺槽敷设1 趟灌浆管路，第一个出浆口设在开切眼，其它出浆口间距为60 m （灌浆管口的移动步距暂定为60 m，可通过实际灌浆效果考察进行修正），当第一个出浆口埋入采空区60 m 后开始灌浆，同时埋入第二趟灌浆管路，当第二趟灌浆管口埋入采空区60 m 后通过第二趟灌浆管路向采空区灌浆，同时停止第一趟管路灌浆，并又重新埋设灌浆管路，如此循环，直至工作面采完为止。

埋管灌浆量：①采煤工作面灌浆量经计算，采煤工作面每日灌浆量2 850.2 m3/d；②采煤工作面采空区“两道” 灌浆量162 m3，考虑对局部遗煤堆积厚度大的“两道” 区域，当工作面月实际推进速度＜175.5 m，每隔30 d 灌浆一次，30109 综采工作面胶运顺槽通过密闭墙措施孔灌浆，30110 综采工作面回风顺槽、胶运顺槽均为埋管灌浆，每次灌浆量约162 m3，即工作面每侧灌浆162 m3，两侧总灌浆324 m3。

（2） 采后灌浆。

正常情况下采空区不需要灌浆，如出现特殊情况应及时灌浆，工作面回采后及时实施采后灌浆，从工作面上方和回顺槽出口处进行灌注浆液，防止出现自然事故发生。工作面回采结束永久封闭后，停采线灌浆量取决于停采线处空间大小及遗煤量，采后停采线隔离带灌浆量为2 430 m3。

4 灌浆材料选择

灌浆材料需要满足的条件分为六大部分，材料需要使用含有可燃物或助燃物的材质，可燃物颗粒小于2 mm，且细小粒子占80%以上，颗粒的物理可塑性强和含沙量高，具有稳定性且容易脱水；在使用过程中具有与少量水混合凝固的能力，便于开采和运输，属于低成本消耗材料。矿井地面所在区域均被第四系风积沙覆盖，区域黄土相对稀缺，区内有新材料循环经济产业园的配套项目，建有一座5×330 MW/a 火力发电厂，电厂有大量的粉煤灰可以利用。因此，设计选用粉煤灰作为灌浆主要材料、悬浮剂作为辅助材料。

粉煤灰利用汽车运送至制浆站贮料场，为保证灌浆工作的连续性，贮料场能够容纳3 d 需粉煤灰量。制浆用水是处理达标后的井下排水及生活污水，利用污水处理站内的制浆加压泵供至制浆站，制浆工艺如图1 所示。

图1 制浆工艺流程Fig. 1 Pulping process

5 灌浆参数确定

（1） 灌浆系数。

浆液中固体材料的含量与需要灌浆的采空区之间的容量体积为灌浆系统，灌浆系数的高低受顶板岩石松散程度和泥浆收缩程度决定，根据技术规范指示，预防性灌浆系数控制在15%以下，根据矿井实际灌浆效果和使用情况，调整和设计矿井粉煤灰灌浆的采空区灭火技术。

（2） 土水比。

浆液的土水比是衡量灌浆浓度的指标，是指泥浆中土水的体积之比，该指标能反映出浆液的输送难易程度。土水比大，则泥浆浓度大、流动性差、但是隔绝和包裹效果好；土水比小，则浆液的流动性强、输送难度小，但是水量消耗大且浆液的包裹性和隔绝性较差。在实际应用过程中，考虑到浆液的输送难度、输送沿程阻力、泥浆流速对浆液沉降的影响，一般采取低浓度浆液，以免在输送过程中发生堵管、爆管事故。

综合考虑分析3 号煤层的发育情况（煤层倾角、倾向长度、输送长度） 以及采用的浆液配比，确定了该煤层防灭火灌浆浆液的灰水比为1∶4，实际生产中根据实际进行微幅调整。

（3） 浆液灰水比的确定。

灌浆浆液土水比例的确定需要根据泥浆运输范围和煤层倾斜程度及灌浆材料等因素决定，根据矿井具体情况及邻近矿井粉煤灰灌浆防灭火经验，设计采空区灌浆防灭火，泥浆灰水比取1∶3。

6 实施注意重点事项

（1） 预防堵管爆管。

在注浆过程中要加强控制大颗粒材料进入注浆管路中，在注浆结束后及时用清水冲洗注浆光路，防止因材料颗粒较大发生的管内沉淀，冲管结束以冲出清水为主，并设置最低防水阀门，冲洗完毕后放掉管内多余水分，防止发生管路阻塞引发爆管。

（2） 溃浆事故的预防。

灌浆质量是关系溃浆事故的关键因素，灌浆材料质量不过关，泥浆脱水效果不佳，造成浆液流动性能不降低，当大量流动的泥浆挤压在采空区极易引发溃浆事故，这就要求在灌浆前加强对灌浆材料的选择，尽可能满足灌浆要求，加派人员实时现场检测检查，在发生溃浆时及时停止灌浆。同时，当发现密闭墙围岩存在漏风通道时，可针对密闭墙围岩漏风通道打孔注浆，封堵围岩裂隙。

溃浆事故原因主要包括有2 点：①泥浆脱水性不好，不能及时沉淀，大量泥浆集中在采空区形成高压流体；②地下水导通区区域，水源沿着裂隙进入到灌浆区形成高静水压力。

防止溃浆事故注意事项：①要经常观察水情，观察过程中采空区出现大量积水的表现是排出的水量少，此时要采取停止灌浆手段，积极防水，防止发生溃浆事故；②堵塞裂隙、灌浆钻孔等通道，为防止灌浆与地表塌陷，要及时堵塞地表水、地下水，防止地表水和地下水通过通道进入灌浆区，防止溃浆事故的发生。

7 结 语

灌浆防灭火技术在灌浆方法的选择、灌浆材料的选择、灌浆参数确定方面切实可行，3 号煤层综采工作面实施灌浆防灭火技术以来，有效地避免了自然发火带来的火灾风险，煤矿防火工作安全可控。通过对从灌浆防灭火技术实施工艺进行总结，以及对常见问题进行阐述，为杭来湾煤矿井下综合防火系统建设提供参考依据。