灌漿防滅火技術在杭來灣煤礦的應用

徐志強

（陜西有色榆林煤業有限公司，陜西 榆林 719099）

0 引 言

據統計，自燃火災引發的礦井火災事故占事故總數的90%以上，自燃火災是指煤炭吸附空氣中的氧氣發生緩慢氧化產生熱量，熱量聚集后得不到有效釋放而引發的井下火災。榆林煤業杭來灣煤礦設計生產能力為800 萬t/a，煤體具有自然發火危險，依據礦井3 號煤層賦存狀況、礦井開拓方式、采煤方法、巷道布置、巷道支護、通風系統、3 號煤層自然發火特征等實際情況，研究制定了灌漿防滅火技術應用方案。

1 灌漿防滅火技術

采空區滅火技術是井下防火的關鍵技術之一，采空區滅火常采用灌漿防滅火技術，該技術通過水和漿材依照一定的混合比例，混合成固定濃度的漿液，以自然差和動力為基礎將泥漿輸送到井下，沿著鉆孔管道和專門運輸灌漿的管道輸送到燃燒區域，實現滅火。主要滅火機理是漿液通過管道滲透或黏著力將漿液覆蓋在燃燒區域表面，漿液中的固體物質可以深入到煤層的縫隙中，斷絕氧氣與火源的接觸，達到滅火的目的。另外漿液中的水分可以抑制煤層自然氧化的過程，削弱燃燒區域的氧化散熱作用，避免火災的發生。

2 灌漿防滅火技術實施條件

3 號煤層一盤區可采煤層厚度4.8～11.9 m，均度8.4 m，煤體結構較為簡單穩定。該綜采工作面煤樣實驗最短自然發火期為41 d，井下采空區浮煤實際最短自然發火期為52 d，最短自然發火期內綜采工作面實際推進距離為575.7 m，大于綜采工作面窒熄帶最大寬度380.0 m。依據鑒定報告，該煤層煤塵有爆炸性，并且煤層具有自然發火危險，屬“Ⅰ類” 容易自燃煤層，吸氧量為0.73 cm3/g；煤塵具有爆炸性，火焰長度>400 mm。

當采煤工作面滿足下列條件之一，實施采空區灌漿防滅火措施：①采空區遺煤厚度大于0.418 m。3 號煤層煤樣氧化自燃的最小浮煤厚度0.418 m，且綜采工作面平均月推進速度小于或等于極限推進度（“極限推進速度”，在考慮了1.5 倍安全系數，算得極限推進速度為175.5 m/ 月）；②工作面上隅角或采空區出現CO，且呈連續上升趨勢，上隅角CO 濃度達到鄰界溫度對應的CO 濃度24 ppm；③根據采空區自燃區域判定和預測，采空區存在自燃危險，需要灌漿；④工作面上隅角或采空區出現C2H4氣體。

3 灌漿方法的選擇

目前采用較多的是采前預灌，隨采隨灌和采后灌漿技術3 種形式，采前預灌多應用于老采空區和自燃災害發生較多的礦井，在煤層開采之前對煤層提前進行灌漿；隨采隨灌以鉆孔灌漿、埋管灌漿等方式為主，隨著工作面的推進隨時進行灌漿處理，該方法能及時消除采煤遺留的浮煤；采后灌漿是指在采空區開采完畢后，采煤工作面多采用采后灌漿技術，以工作面的出口內插管進行灌漿實現滅火目的。根據采空區灌漿防滅火技術實施條件，設計采用采空區垮步式埋管隨采隨灌+ 采后灌漿工藝方法。

（1） 埋管隨采隨灌。

采空區垮步式埋管的隨采隨灌工藝，即沿工作面回風順槽敷設1 趟灌漿管路，第一個出漿口設在開切眼，其它出漿口間距為60 m （灌漿管口的移動步距暫定為60 m，可通過實際灌漿效果考察進行修正），當第一個出漿口埋入采空區60 m 后開始灌漿，同時埋入第二趟灌漿管路，當第二趟灌漿管口埋入采空區60 m 后通過第二趟灌漿管路向采空區灌漿，同時停止第一趟管路灌漿，并又重新埋設灌漿管路，如此循環，直至工作面采完為止。

埋管灌漿量：①采煤工作面灌漿量經計算，采煤工作面每日灌漿量2 850.2 m3/d；②采煤工作面采空區“兩道” 灌漿量162 m3，考慮對局部遺煤堆積厚度大的“兩道” 區域，當工作面月實際推進速度＜175.5 m，每隔30 d 灌漿一次，30109 綜采工作面膠運順槽通過密閉墻措施孔灌漿，30110 綜采工作面回風順槽、膠運順槽均為埋管灌漿，每次灌漿量約162 m3，即工作面每側灌漿162 m3，兩側總灌漿324 m3。

（2） 采后灌漿。

正常情況下采空區不需要灌漿，如出現特殊情況應及時灌漿，工作面回采后及時實施采后灌漿，從工作面上方和回順槽出口處進行灌注漿液，防止出現自然事故發生。工作面回采結束永久封閉后，停采線灌漿量取決于停采線處空間大小及遺煤量，采后停采線隔離帶灌漿量為2 430 m3。

4 灌漿材料選擇

灌漿材料需要滿足的條件分為六大部分，材料需要使用含有可燃物或助燃物的材質，可燃物顆粒小于2 mm，且細小粒子占80%以上，顆粒的物理可塑性強和含沙量高，具有穩定性且容易脫水；在使用過程中具有與少量水混合凝固的能力，便于開采和運輸，屬于低成本消耗材料。礦井地面所在區域均被第四系風積沙覆蓋，區域黃土相對稀缺，區內有新材料循環經濟產業園的配套項目，建有一座5×330 MW/a 火力發電廠，電廠有大量的粉煤灰可以利用。因此，設計選用粉煤灰作為灌漿主要材料、懸浮劑作為輔助材料。

粉煤灰利用汽車運送至制漿站貯料場，為保證灌漿工作的連續性，貯料場能夠容納3 d 需粉煤灰量。制漿用水是處理達標后的井下排水及生活污水，利用污水處理站內的制漿加壓泵供至制漿站，制漿工藝如圖1 所示。

圖1 制漿工藝流程Fig. 1 Pulping process

5 灌漿參數確定

（1） 灌漿系數。

漿液中固體材料的含量與需要灌漿的采空區之間的容量體積為灌漿系統，灌漿系數的高低受頂板巖石松散程度和泥漿收縮程度決定，根據技術規范指示，預防性灌漿系數控制在15%以下，根據礦井實際灌漿效果和使用情況，調整和設計礦井粉煤灰灌漿的采空區滅火技術。

（2） 土水比。

漿液的土水比是衡量灌漿濃度的指標，是指泥漿中土水的體積之比，該指標能反映出漿液的輸送難易程度。土水比大，則泥漿濃度大、流動性差、但是隔絕和包裹效果好；土水比小，則漿液的流動性強、輸送難度小，但是水量消耗大且漿液的包裹性和隔絕性較差。在實際應用過程中，考慮到漿液的輸送難度、輸送沿程阻力、泥漿流速對漿液沉降的影響，一般采取低濃度漿液，以免在輸送過程中發生堵管、爆管事故。

綜合考慮分析3 號煤層的發育情況（煤層傾角、傾向長度、輸送長度） 以及采用的漿液配比，確定了該煤層防滅火灌漿漿液的灰水比為1∶4，實際生產中根據實際進行微幅調整。

（3） 漿液灰水比的確定。

灌漿漿液土水比例的確定需要根據泥漿運輸范圍和煤層傾斜程度及灌漿材料等因素決定，根據礦井具體情況及鄰近礦井粉煤灰灌漿防滅火經驗，設計采空區灌漿防滅火，泥漿灰水比取1∶3。

6 實施注意重點事項

（1） 預防堵管爆管。

在注漿過程中要加強控制大顆粒材料進入注漿管路中，在注漿結束后及時用清水沖洗注漿光路，防止因材料顆粒較大發生的管內沉淀，沖管結束以沖出清水為主，并設置最低防水閥門，沖洗完畢后放掉管內多余水分，防止發生管路阻塞引發爆管。

（2） 潰漿事故的預防。

灌漿質量是關系潰漿事故的關鍵因素，灌漿材料質量不過關，泥漿脫水效果不佳，造成漿液流動性能不降低，當大量流動的泥漿擠壓在采空區極易引發潰漿事故，這就要求在灌漿前加強對灌漿材料的選擇，盡可能滿足灌漿要求，加派人員實時現場檢測檢查，在發生潰漿時及時停止灌漿。同時，當發現密閉墻圍巖存在漏風通道時，可針對密閉墻圍巖漏風通道打孔注漿，封堵圍巖裂隙。

潰漿事故原因主要包括有2 點：①泥漿脫水性不好，不能及時沉淀，大量泥漿集中在采空區形成高壓流體；②地下水導通區區域，水源沿著裂隙進入到灌漿區形成高靜水壓力。

防止潰漿事故注意事項：①要經常觀察水情，觀察過程中采空區出現大量積水的表現是排出的水量少，此時要采取停止灌漿手段，積極防水，防止發生潰漿事故；②堵塞裂隙、灌漿鉆孔等通道，為防止灌漿與地表塌陷，要及時堵塞地表水、地下水，防止地表水和地下水通過通道進入灌漿區，防止潰漿事故的發生。

7 結 語

灌漿防滅火技術在灌漿方法的選擇、灌漿材料的選擇、灌漿參數確定方面切實可行，3 號煤層綜采工作面實施灌漿防滅火技術以來，有效地避免了自然發火帶來的火災風險，煤礦防火工作安全可控。通過對從灌漿防滅火技術實施工藝進行總結，以及對常見問題進行闡述，為杭來灣煤礦井下綜合防火系統建設提供參考依據。