趙志志 張志強(qiáng) 黃彥云

(國(guó)家能源集團(tuán)寧夏煤業(yè)紅柳煤礦，寧夏自治區(qū)銀川市，750408)

粉煤灰是燃煤電廠以及煤矸石、煤泥資源綜合利用電廠鍋爐煙氣中經(jīng)除塵器收集后獲得的細(xì)小飛灰和爐底渣[1]，是常見的煤化工固體廢料之一。由于組分波動(dòng)范圍大，其用途十分廣泛，可以用于水泥和混凝土制造業(yè)等。在一定堿性條件下，粉煤灰中的玻璃體SiO2和Al2O3會(huì)發(fā)生水化作用使粉煤灰產(chǎn)生活性，而鈣也有利于凝膠體的形成，這樣的特性可以使粉煤灰作為主要材料進(jìn)行制漿[2]。

目前，國(guó)家能源集團(tuán)寧夏煤業(yè)煤化工項(xiàng)目粉煤灰產(chǎn)量為2500 t/d，且粉煤灰排放量逐年增加，既占用大量空間，又產(chǎn)生揚(yáng)塵且污染大氣，嚴(yán)重影響正常生產(chǎn)。而下轄寧東礦區(qū)多處煤礦存在火災(zāi)隱患，其中紅柳煤礦回采煤層均為易自燃煤層，煤層間距小，分層開采過(guò)程中上覆煤層采空區(qū)內(nèi)浮煤或煤柱易氧化自燃。

因此為了實(shí)現(xiàn)企業(yè)環(huán)保、解放生產(chǎn)空間、合理利用粉煤灰、防治煤層自燃的同時(shí)節(jié)約礦井注漿成本，礦井粉煤灰灌漿防滅火技術(shù)的研究及應(yīng)用具有重要意義。

1 工程概況

紅柳煤礦正在回采的2#煤、3#煤、4#煤最短自然發(fā)火期分別為44 d、46 d和33 d，2#煤與3#煤層間距為18～20 m，3#煤與4#煤層間距為40 m。目前的I01采區(qū)、I02采區(qū)屬于煤層群開采，回采下覆煤層時(shí)，初采初放結(jié)束后老頂垮落，下覆煤層采空區(qū)與上覆煤層采空區(qū)相通，上覆煤層采空區(qū)內(nèi)浮煤、破碎的煤柱氧化聚熱，產(chǎn)生的CO從開采的本煤層采空區(qū)涌出，造成本煤層綜采工作面上隅角CO超限。為防止采空區(qū)內(nèi)部繼續(xù)氧化導(dǎo)致自燃，從而影響本煤層正常回采，需要采取向上覆煤層和本煤層采空區(qū)進(jìn)行大量灌漿措施。因此本技術(shù)研究試驗(yàn)選在正在回采的I010403綜采工作面， I010403工作面防滅火系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 I010403工作面防滅火系統(tǒng)

2 粉煤灰灌漿工藝及制漿原理

采用粉煤灰、水、工業(yè)鹽、懸浮劑和膠凝劑按照一定配比進(jìn)行混合制成漿液，通過(guò)礦井防滅火系統(tǒng)輸送至工作面，達(dá)到吸收熱量、填補(bǔ)煤巖裂隙、阻斷氧氣通道的目的。當(dāng)粉煤灰顆粒較大時(shí)需要添加懸浮劑，防止管路堵塞，而膠凝劑可以擴(kuò)大漿液的流動(dòng)范圍，增加漿液覆蓋面積。

懸浮劑是由攜帶大量電荷的水溶性物質(zhì)組成，加入漿液后依靠所帶電荷的互斥力，實(shí)現(xiàn)粉煤灰顆粒的平均分布，不易聚沉，并由靜電力作用形成剛性三維結(jié)構(gòu)，穩(wěn)定牢靠。而顆粒中的負(fù)電荷能結(jié)合陽(yáng)離子，使其難以發(fā)揮作用。

膠凝劑是由單體經(jīng)過(guò)聚合反應(yīng)，形成水溶性高分子，經(jīng)過(guò)攪拌、溶解，高分子的長(zhǎng)鏈結(jié)構(gòu)能將更多的粉煤灰顆粒鏈接在一起，構(gòu)成致密的網(wǎng)格，這種網(wǎng)格結(jié)構(gòu)鎖住了大量水分，使?jié){液成為流動(dòng)性較弱的粘彈性膠體[3]。

3 灌漿系統(tǒng)注漿配比研究

采集國(guó)家能源投資集團(tuán)寧夏煤業(yè)分公司煤制油項(xiàng)目在燃燒過(guò)程中產(chǎn)生的粉煤灰，按照《水泥化學(xué)分析方法》(GB/T176 -2017)[4]對(duì)粉煤灰成分進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果見表1。

表1 粉煤灰成分 %

由表1可以看出， CaO的含量未超過(guò)10%，SiO2、Al2O3和Fe2O3三者相加的含量超過(guò)70%，屬于F類粉煤灰。同時(shí)Fe2O3和MgO含量及燒失量低，有利于粉煤灰形成膠體后的穩(wěn)定性。

礦井安裝有ZLJ-60地面固定式灌漿及注膠防滅火系統(tǒng)，主要由原料輸送、連續(xù)式定量制漿、過(guò)濾攪拌、漿體泵送、管網(wǎng)系統(tǒng)和添加劑上料口及粉煤灰儲(chǔ)存罐等環(huán)節(jié)構(gòu)成。灌漿系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示[5]。

灌漿距離分別為2.4 km和5.8 km，垂直高度為400 m和500 m。灌漿期間，通過(guò)上料口向漿液添加工業(yè)鹽、懸浮劑、膠凝劑。每天早班和中班進(jìn)行灌漿，每班開機(jī)時(shí)間7 h，設(shè)計(jì)灌漿量為60 m3/h、實(shí)際灌漿量為45 m3/h，漿液比(水∶灰)為5∶1、粉煤灰量為42 t/班，硫酸鈉和懸浮劑用量分別為20 kg/h，膠凝劑為11 kg/h。

在地面灌漿站進(jìn)行粉煤灰灌注試驗(yàn)分別配制水灰比8∶1、7∶1、6∶1、5∶1和4∶1的漿體，每種水灰配比進(jìn)行2個(gè)班次試驗(yàn)，不同水灰比漿液狀態(tài)如圖3所示。

圖2 灌漿系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖3 不同水灰比漿液狀態(tài)

在保證漿液流動(dòng)性能及注漿系統(tǒng)運(yùn)行順暢的前提下，粉煤灰濃度越高，制漿效果越好。由圖3可以看出，當(dāng)水灰比達(dá)到4∶1時(shí)，由于粉煤灰濃度逐漸升高，粘稠度逐漸增大，管路輸送粉煤灰漿液的能力下降，工作面回風(fēng)巷內(nèi)灌漿支管存在堵管現(xiàn)象，所以確定灌漿系統(tǒng)能運(yùn)送的粉煤灰漿最大水灰比為5∶1。

4 粉煤灰漿與黃泥漿降溫對(duì)比試驗(yàn)

礦區(qū)采用的黃土含水率為14%，密度為1.6 g/cm3，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期試驗(yàn)，本區(qū)采用水土比為7∶1的黃土漿液效果最好。為了對(duì)比粉煤灰漿和黃土漿液的使用效果，使用水土比為7∶1的黃土漿液與水灰比為5∶1的粉煤灰漿液處理相同質(zhì)量且初始溫度為1030℃的高溫煤體，每隔2 h進(jìn)行一次溫度記錄，黃土漿和粉煤灰漿液覆蓋高溫煤體后溫度數(shù)據(jù)記錄見表3。

表3 黃土漿液和粉煤灰漿液覆蓋高溫煤體后溫度數(shù)據(jù)記錄

用黃土漿液覆蓋的高溫煤塊初始溫度為530℃，用粉煤灰漿液覆蓋的高溫煤塊初始溫度為585℃，粉煤灰漿液澆在高溫煤塊體上，有冒泡現(xiàn)象。高溫煤體表面溫度與時(shí)間變化曲線如圖4所示。

圖4 高溫煤體表面溫度與時(shí)間變化曲線

由表3和圖4可以看出，在黃土漿液和粉煤灰漿液的作用下，煤體溫度均出現(xiàn)大幅度下降，且下降速率基本一致，這說(shuō)明黃土漿液和粉煤灰漿液對(duì)煤體的降溫效果相當(dāng)，且能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)煤樣的包裹，說(shuō)明可以作為礦井防滅火灌漿使用。同時(shí)，灌注粉煤灰漿液成本為35.07元/m3，低于黃土漿液的成本99.08元/m3，成本大幅度下降。這說(shuō)明粉煤灰注漿具備經(jīng)濟(jì)可行性，在解決煤化工粉煤灰堆積無(wú)法處理的同時(shí)，為煤礦帶來(lái)了良好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

5 結(jié)論

(1)紅柳煤礦ZLJ-60地面固定式灌漿及注膠防滅火系統(tǒng)可以輸送最大水灰比為5∶1的粉煤灰漿。

(2)配制的水灰比為5∶1的粉煤灰漿在降溫效果方面與礦區(qū)水土比為7∶1的黃土漿相當(dāng)。

(3)粉煤灰注漿技術(shù)的使用降低了注漿成本，既解決了企業(yè)煤化工的部分環(huán)保問(wèn)題，又帶來(lái)了良好的經(jīng)濟(jì)效益。