利用稠化泥漿防治采空區(qū)煤炭自燃技術(shù)方案

作者：佚名 2011-05-17 20:53 來源：本站原創(chuàng)

汾西新峪煤業(yè)有限責(zé)任公司
華北科技學(xué) 院
二○一○年五月二十三日

前　言
煤炭自燃是煤礦嚴(yán)重的災(zāi)害之一，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)煤炭需求量的持續(xù)增長(zhǎng)和煤炭基地向中西部轉(zhuǎn)移，有煤炭自燃傾向性的煤礦將由目前的50%增長(zhǎng)到70%以上。近年來隨著開采深度和強(qiáng)度的增大，煤自燃火災(zāi)的發(fā)生越來越頻繁，煤層發(fā)生自燃時(shí)，在高溫下分解及氧化釋放出大量有毒有害氣體；同時(shí)高溫促使煤層中所含瓦斯釋放，有可能引起瓦斯爆炸。
煤炭自燃一般來說,煤炭自燃必須具備以下三個(gè)條件:(1)煤本身具有自燃傾向性;(2)有連續(xù)的供氧條件;(3)熱量易于積聚。第一條為煤的內(nèi)部特征,取決于成煤物質(zhì)和成煤條件,后兩條為外因,取決于礦井的地質(zhì)條件和開采技術(shù)條件。因此煤自燃有極大的危害性，必須提前預(yù)防和快速、徹底地?fù)錅缁馂?zāi)。
灌漿防滅火原理：灌漿防滅火就是將不燃性固體材料按一定比例與水配合制成漿體,然后利用高度差或泥漿泵送至可能發(fā)生自燃的地點(diǎn),漿體中的固體物沉淀下來,水則流到巷道中排出。
漿體防滅火的原理是:(1)漿體能夠?qū)⑺槊喊饋?隔絕它與空氣的接觸;(2)漿體若選擇為黃泥漿,其中某些化合物能夠破壞反應(yīng);(3)固體物充填于浮煤和冒落的矸石縫隙之間形成再生頂板,從而增加嚴(yán)密性,減少漏風(fēng);(4)對(duì)已自熱的煤炭有冷卻作用。
本項(xiàng)目所制備的稠化泥漿具有良好的流變性，在管道中要比純泥漿的流動(dòng)阻力小不易沉淀；具有優(yōu)異的空氣阻隔性能，能夠有效的阻隔煤與氧的接觸；泥漿中的水份能夠浸潤(rùn)煤體，吸熱冷卻煤巖；稠化泥漿的添加劑對(duì)高硫煤有很高的阻化率。因此稠化泥漿具有很好的防火和滅火作用。這種稠化泥漿不產(chǎn)生任何有害、有害氣體，且成本低廉，施工簡(jiǎn)單。
該稠化泥漿技術(shù)的成功研發(fā)，為高硫煤礦的防滅火提供了新的思路，具有重要的推廣應(yīng)用前景。

汾西礦業(yè)集團(tuán)新峪煤礦
利用稠化泥漿防治采空區(qū)煤炭自燃技術(shù)方案
一、5110工作面工作面概況
5110工作面主采10#、11#煤層，地面標(biāo)高＋874m～＋1007m，工作面標(biāo)高＋751m～＋777m。工作面東為5112采空區(qū)，南為五采區(qū)大巷，西為5308采空區(qū)，北為井田邊界。工作面走向長(zhǎng)900m，傾斜長(zhǎng)148m, 面積133200m2；煤層厚度7.37m，傾角7°，容重1.37 t/m3，工業(yè)儲(chǔ)量1344907 t，可采儲(chǔ)量1117767 t。煤層直接頂為泥巖，厚度0.6m；老頂為石灰?guī)r，厚度7.73m；直接底為鋁質(zhì)泥巖，厚度1.6m；老底為砂質(zhì)泥巖，厚度3.23m。工作面總體走勢(shì)北高南低，受褶皺構(gòu)造影響，巷道呈波浪狀起伏狀態(tài)，在切眼內(nèi)距材巷27m處有一落差為0.6m的正斷層。
該工作面煤層易自燃，最短發(fā)火期6個(gè)月。2008年12月掘進(jìn)材料巷時(shí)遇到胡家窯小煤窯巷道，后退55m，打了三道密閉后拐開切眼；5110工作面主采10#、11#煤層與上部采空區(qū)距離很近，約5m左右,而且上部采空區(qū)與淺部小煤窯連通情況不夠清楚,預(yù)計(jì)開采后將導(dǎo)致該工作面采空區(qū)漏風(fēng)嚴(yán)重，并且漏風(fēng)難以控制，采空區(qū)煤炭發(fā)生自燃的危險(xiǎn)性大大增加，成為該工作面安全生產(chǎn)面臨的首要問題。該工作面相對(duì)瓦斯涌出量0.50m3/t，絕對(duì)涌出量0.489m3/min，煤塵有爆炸危險(xiǎn)，爆炸指數(shù)20%。

二、現(xiàn)有黃泥灌漿防滅火系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)
新峪煤礦結(jié)合本地實(shí)際情況，因地制宜采用了灌漿系統(tǒng)防滅火。
灌漿防滅火技術(shù)在我國(guó)有自然發(fā)火危險(xiǎn)的礦井中用的較普遍，也取得了良好的效果，成為與井下預(yù)防內(nèi)因火災(zāi)的主要措施之一。泥漿能夠吸熱降溫，對(duì)煤體還有包裹作用，能夠達(dá)到隔絕氧的目的，對(duì)于采空區(qū)的防滅火效果顯著。
但是由于井下自燃火災(zāi)有時(shí)處于工作面或巷道頂部的比較高的部位，而且工作面后方采空區(qū)內(nèi)也有較大的坡度，用水或泥漿滅火時(shí)不能滯留在發(fā)火部位，流過發(fā)火部位后僅使煤表面溫度得到降低，煤體內(nèi)部溫度仍然很高。水的沖刷將煤體表面的灰分帶走，又露出新的煤體表面；水的劇烈蒸發(fā)增加了煤的孔隙率，使漏風(fēng)通道更加暢通。水對(duì)煤的自燃還有一定的促進(jìn)作用，在高溫600℃時(shí)水會(huì)分解成H2、O2參與燃燒反應(yīng)，還會(huì)產(chǎn)生大量水煤氣，造成水煤氣爆炸。而且黃泥灌漿系統(tǒng)會(huì)消耗大量黃土，泥漿在管道中摩擦阻力大，易沉淀，泥漿到達(dá)采空區(qū)后脫水量較大，會(huì)惡化工作環(huán)境。
針對(duì)新峪煤礦防滅火系統(tǒng)現(xiàn)狀和該礦為高硫礦這一特點(diǎn)，擬采用向泥漿中加入適量增稠劑——吸水性材料的方法來提高防滅火效果。稠化漿體對(duì)管壁的磨損小，能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離輸送，不易脫水，能有效的覆蓋煤層，防止煤的氧化，從而有效地防治煤炭自然著火，其制備方法簡(jiǎn)單，成本低廉，集堵漏、降溫、阻化、固結(jié)水等性能于一體，稠化泥漿在常溫下脫水很慢、不變質(zhì)，可長(zhǎng)期保存在煤層中，較好地解決了灌漿、注水的水泄漏流失問題及時(shí)間一長(zhǎng)水泥脫水干裂的問題。稠化泥漿不會(huì)產(chǎn)生大量水蒸氣，不存在水煤氣爆炸和瓦斯爆炸等危險(xiǎn)，有效防止煤層自然發(fā)火或火區(qū)復(fù)燃。其滅火速度快，高溫區(qū)只要有稠化泥漿滲透到的地方都不會(huì)復(fù)燃，適用于該礦防滅火。
三、稠化泥漿防滅火的實(shí)驗(yàn)研究
（一）稠化泥漿的概念
稠化泥漿是向粉煤灰或黃土、砂石的漿液中加入少量添加劑(基料)而形成的稠化漿體。由于稠化泥漿稠度較大，可以使較稀的泥漿能達(dá)到濃泥漿的灌漿效果，稠化泥漿在宏觀上更加均勻，具有良好的觸變性，管道流動(dòng)性、流動(dòng)中不易沉降，稠化膠體與煤壁附著性好，一定程度上能充填煤中的裂隙。實(shí)驗(yàn)中還發(fā)現(xiàn)稠化泥漿的基料還是一種良好的分散劑，泥漿加入基料后還可以防止泥漿中顆粒物沉降，這個(gè)性質(zhì)有利于預(yù)防堵管現(xiàn)象的發(fā)生。由于所選擇的添加劑堿性很強(qiáng),所以具有很強(qiáng)的固硫能力，稠化泥漿對(duì)高硫煤的防火作用效果顯示出了重要的推廣應(yīng)用前景。
（二）稠化泥漿的懸浮性
根據(jù)DLVO理論，稠化泥漿在一定條件下是穩(wěn)定存在還是聚沉，取決于粒子間的相互吸引力和靜電斥力，若斥力大于吸引力時(shí)溶膠穩(wěn)定，反之則不穩(wěn)定。聚合物水溶膠穩(wěn)定的主要因素是聚合物吸附層而不是擴(kuò)散層重疊的靜電斥力。吸附的高聚物層對(duì)膠體穩(wěn)定性的影響有3個(gè)方面：①帶電聚合物被吸附后，增加了膠粒之間的靜電斥力位能ER，這一點(diǎn)與吸附簡(jiǎn)單離子的影響相同，同樣可用DLV0理論處理；②高聚物的存在通常會(huì)減少膠粒間的引力位能EA；③膠粒吸附高聚物后，產(chǎn)生了一種新的斥力位能——空間斥力位能ET，膠體體系總的位能ET應(yīng)是ET＝EA+ER+ERS。
影響稠化泥漿懸浮性的因素一般有3種：①基料與漿液顆粒的結(jié)合方式，嵌段共聚物和接枝聚合物，即其分子一端“錨”在膠粒表面上，另一端伸向溶液，形成空間位壘，阻礙膠粒并在一起；②吸水性基料形成的吸附層厚，一般厚度越大越穩(wěn)定；③基料與分散介質(zhì)的關(guān)系，親水性越好的基料效果越好，否則容易導(dǎo)致膠體絮凝。
（三）稠化泥漿的添加劑
稠化泥漿添加劑一般都具有表面活性劑的性質(zhì)，在黃土的漿液中加入稠化泥漿添加劑后，由于其中的親水和親油基團(tuán)可顯著地改變液—固界面性質(zhì)，引起表面張力降低，因而分散系更加穩(wěn)定，可以改善漿液的流動(dòng)性，實(shí)驗(yàn)條件下，吸水粘土對(duì)含有一些鹽分的泥漿水也有較強(qiáng)的吸收能力，水質(zhì)對(duì)其吸水性影響不大，因此吸水性好的粘土礦物通?？捎米鞒砘酀{的基料。與粘土礦物相比，交聯(lián)的吸水樹脂具有更強(qiáng)的吸水能力。一些由一種單體聚合生成的吸水樹脂對(duì)蒸餾水的吸收性很好，但這些吸水樹脂中親水官能團(tuán)比較單一，其吸水性受介質(zhì)條件影響很大，制備稠化膠體的效果不理想。而多種單體共聚，形成含有多種親水官能團(tuán)的吸水高分子材料，雖不受條件影響，吸水能力也很強(qiáng)，但價(jià)格又太貴，成本太高。
經(jīng)過多次篩選研究,我們選用對(duì)高硫煤自燃有顯著預(yù)防作用且具備一定吸水能力、可以改善泥漿粘稠度、價(jià)格又不高的石灰作為添加劑。
石灰漿的特性
對(duì)于含硫量大于0.5%的中、高硫煤來說，其氧化自燃機(jī)理主要是基于黃鐵礦(主要成分FeS2)作用學(xué)說。該學(xué)說認(rèn)為，硫在煤中主要是以FeS2形式存在，在潮濕供氧環(huán)境下，將發(fā)生緩慢氧化，其反應(yīng)式為:
2FeS2+2H2O+7O2→2FeSO4+2H2SO4+Q1 (1)
隨著熱量的積聚，將進(jìn)一步發(fā)生如下氧化反應(yīng):
12FeSO4+6H2O+3O2→4Fe2(SO4)3+4Fe(OH)3+Q2 (2)
只要有供氧環(huán)境和聚熱環(huán)境，上面兩反應(yīng)將同時(shí)繼續(xù)進(jìn)行，使熱量進(jìn)一步積聚，從而發(fā)生以下反應(yīng):
FeS2+ Fe2(SO4)3+ 3O2+ 2H2O→3FeSO4+2H2SO4+Q3 (3)
上面3個(gè)反應(yīng)同時(shí)進(jìn)行的結(jié)果，使熱量不斷增加，如果供氧充分，最后將導(dǎo)致煤炭自燃。
而石灰漿的固硫能力非常顯著，且石灰漿在1L水中只溶解1.56g（20℃），在煤自燃前灌注石灰漿，由于其主要成分為Ca(OH)2與H2O，將發(fā)生如下反應(yīng):
Ca(OH)2+H2SO4→CaSO4+2H2O
吸收水分將生成結(jié)晶CaSO4·2H2O。如果此時(shí)熱源未完全冷卻，則仍可能繼續(xù)發(fā)生(1)、(2)或(3)式的反應(yīng)，產(chǎn)生的Q1、Q2或Q3將使CaSO4·2H2O產(chǎn)生分解反應(yīng)，即
CaSO4·2H2O→CaSO4+2H2O-Q6
這是一個(gè)吸熱反應(yīng)。如果石灰漿用得足夠多，則生成的CaSO4·2H2O大量分解將吸收大量的熱量，對(duì)于發(fā)熱區(qū)的降溫將起到很好的作用。
三、稠化泥漿防滅火系統(tǒng)施工工藝
稠化泥漿滅火系統(tǒng)是在黃泥灌漿系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，利用地面灌漿系統(tǒng)制成一定濃度的漿液，用泥漿泵將基料從攪拌池中抽出利用高壓水槍沖下黃土，通過輸漿管路輸送到采空區(qū)?；旌衔镌诓煽諈^(qū)膠凝發(fā)揮堵漏風(fēng)、降低煤溫與隔絕熱源的作用，從而達(dá)到預(yù)防煤炭自燃和快速撲滅火災(zāi)的目的。
（一）添加劑的配比方案
方案: 生石灰添加劑
由于生石灰在經(jīng)濟(jì)方面的優(yōu)勢(shì)，我們采用生石灰做添加劑,而且生石灰具有一定的懸浮能力,可懸浮黃泥和粉煤灰等固態(tài)物質(zhì).也可降低灌漿材料在管道中的流動(dòng)阻力,溶于水中的Ca2+帶正電荷能與泥土中的負(fù)離子發(fā)生凝聚反應(yīng)，體積可增大數(shù)十倍在水中形成松散的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),利于實(shí)現(xiàn)泥漿的長(zhǎng)距離輸送。
每立方米溶液中含基料40-60kg,約占5%，注漿流量為30 －60m3/h。
現(xiàn)擬采用每小時(shí)抽漿45m3，每池中加入石灰2250kg。
（二）設(shè)備設(shè)施