郭 可 郭 斌

（陜西有色榆林煤業(yè)有限公司，陜西 榆林 718000）

1 礦井概況

杭來灣煤礦位于延安組第四段的頂部，全井田可采煤層平均厚度8.36 m，煤層賦存條件簡(jiǎn)單，井田屬于可采性較好的穩(wěn)定型厚煤層。煤層埋藏深度268.5 m，直接頂板和直接底板的巖性以粉砂巖、泥巖為主，粉砂巖的堅(jiān)固性較好、較難冒落，泥巖的穩(wěn)固性一般、強(qiáng)度低、穩(wěn)定性差。礦井屬于低瓦斯礦井，3 號(hào)煤層的瓦斯絕對(duì)涌出量1.33 m3/min，相對(duì)涌出量0.08 m3/t；煤層煤塵具有爆炸性；煤層具有自然發(fā)火風(fēng)險(xiǎn)，3 號(hào)煤層煤樣實(shí)驗(yàn)最短自然發(fā)火期為41 d，井下采空區(qū)浮煤實(shí)際最短自然發(fā)火期為52 d，自燃傾向性屬于“Ⅰ類”容易自燃，3 號(hào)煤層窒息帶寬度為380.0 m。

2 灌漿防滅火機(jī)理

灌漿防火技術(shù)的主要作用機(jī)理包括以下四個(gè)方面：（1）漿液的滲透作用實(shí)現(xiàn)對(duì)煤層裂隙的充填隔氧；（2）漿液自身的粘著力實(shí)現(xiàn)對(duì)遺煤的包裹隔氧；（3）漿液中的水分增加遺煤濕度，降低遺煤表面溫度，抑制遺煤的自熱氧化；（4）漿液對(duì)遺煤的冷卻散熱作用，減緩遺煤氧化作用。

3 灌漿材料選擇

灌漿材料的選擇依據(jù)：（1）來源廣泛，成本低廉，最好能夠就地取材；（2）穩(wěn)定性好，易脫水且粒徑滿足要求，一般細(xì)小粒子直徑需＜1 mm；（3）自流能力較好，管道輸運(yùn)過程中不沉降、不堵管；（4）主要物理性能指標(biāo)需滿足含砂量介于25%～30%、漿液密度介于2.4～2.8 kg/m3。

杭來灣礦井位于毛烏素沙漠地帶，礦井地面所在區(qū)域均被第四系風(fēng)積沙覆蓋，區(qū)域黃土相對(duì)稀缺。區(qū)內(nèi)有新材料循環(huán)經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)園配套項(xiàng)目，建有一座5×330 MW/a 火力發(fā)電廠，有廣泛的粉煤灰來源。

鑒于此，選用粉煤灰作為杭來灣煤礦灌漿的主要材料。粉煤灰作為灌漿料除了來源廣泛、價(jià)格低廉，還具備以下優(yōu)點(diǎn)：（1）實(shí)現(xiàn)廢物的再利用，避免環(huán)境污染，社會(huì)效益較好；（2）粉煤顆粒比重適宜，造漿穩(wěn)定且流動(dòng)性好，管道運(yùn)輸方便快捷；（3）粉煤灰漿液性質(zhì)穩(wěn)定，對(duì)遺煤的密封效果較好。

4 灌漿防滅火技術(shù)應(yīng)用

4.1 灌漿參數(shù)的選擇和計(jì)算[1-5]

4.1.1 灌漿系數(shù)和灰水比

灌漿系數(shù)指漿液固體材料與采空區(qū)空間的體積之比，該指數(shù)與跑漿率、漿液收縮率以及采空區(qū)冒落巖石的松散程度有關(guān)。一般預(yù)防性灌漿系數(shù)取值2%～4%，綜合考慮粉煤灰的親水性較差、易脫水沉降，導(dǎo)致收縮率較高，選取較大的灌漿系數(shù)4%。

灰水比指漿液中粉煤灰與水的體積之比，能夠反映泥漿液濃度，對(duì)泥漿輸送和注漿效果產(chǎn)生較大影響?；宜却?，則漿液濃度大，漿液對(duì)遺煤的包裹隔絕效果好，但是漿液輸送難度大，輸送管道中流速低、易沉降導(dǎo)致堵管事故；灰水比小，則漿液濃度小，漿液輸送沿程阻力小，但是灌漿防火的效果較差。按照杭來灣礦的煤層傾角、灌漿管道距離，結(jié)合選取的灌漿方式和灌漿系數(shù)，選擇防滅火灌漿漿液的灰水比為1:3。

4.1.2 灌漿量計(jì)算

（1）灌漿粉煤灰日消耗量

灌漿需粉煤灰量主要根據(jù)灌漿區(qū)體積、礦井日產(chǎn)量、煤炭密度及地質(zhì)條件等因素確定。按日灌漿需粉煤灰量計(jì)算：

式中：QS為灌漿用水日消耗量，m3/d；Qt為灌漿粉煤灰日消耗量，734.6 m3/d；δ為泥漿灰水比，前文所述取1:3。

代入?yún)?shù)算得每日制漿用水量QS=2 203.8 m3/d。

（3）每日灌漿量

式中：Q為日灌漿量，m3/d；QS為灌漿用水日消耗量，2 203.8 m3/d；Qt為灌漿粉煤灰日消耗量，734.6 m3/d；M為泥漿制成率，該參數(shù)取值與灰水比有關(guān)，如表1 所示，取M=0.88。

表1 泥漿制成率

代入?yún)?shù)算得每日灌漿量Q=2 585.8 m3/d。

4.2 漿液輸送方式的選擇

漿液輸送方式有靜壓輸送和加壓輸送兩種形式。靜壓輸送利用地面灌漿站與灌漿地點(diǎn)的靜壓差（漿液自重）輸送，當(dāng)壓差不滿足輸送要求時(shí)采取加壓輸送方式。灌漿輸送管道的沿程阻力與輸送動(dòng)力用輸漿倍線表示，即從地面灌漿站灌漿管路漿液入口至出口管路的總長(zhǎng)度與灌漿管路泥漿入口與出口高差之比。輸漿倍線過大，則輸送壓力不足，管內(nèi)漿液流速慢，易發(fā)生沉降，泥漿輸送受阻，易發(fā)生堵管現(xiàn)象，此時(shí)應(yīng)加壓；輸漿倍線過小，則輸送壓力過高，易發(fā)生崩裂管道跑漿事故，并且在灌漿出口位置易出現(xiàn)泥漿噴射，防滅火效果不理想，可在適當(dāng)?shù)奈恢冒惭b閘閥增阻。輸漿倍線需控制在3～8 范圍內(nèi)。

杭來灣礦井應(yīng)用地面固定式灌漿系統(tǒng)，灌漿站布置在礦井工業(yè)場(chǎng)地的南側(cè)，灌漿站地面標(biāo)高+1 283.3 m，3 號(hào)煤層一盤區(qū)30110 綜采工作面煤層底板標(biāo)高+1017～+1050 m，最低標(biāo)高+1017 m，灌漿管路泥漿入口與出口最大高差為266.3 m，灌漿管路總長(zhǎng)度約8600 m。采用靜壓輸送時(shí)，輸漿倍線N=8600/266.3=32.3。由此可見，輸漿倍線過大，采用靜壓輸送泥漿壓力明顯不足，采用動(dòng)壓輸送方式。選用150/100D-AH 型泥漿泵，漿液輸送量180 m3/h。

4.3 灌漿防滅火技術(shù)施工工藝

4.3.1 灌漿流程

礦井在地面工業(yè)場(chǎng)地建有一座集中式粉煤灰膠體制漿站，由粉煤灰與懸浮劑在膠體制漿機(jī)直接混合制漿，經(jīng)回風(fēng)斜井至井下輸送粉煤灰漿到灌漿點(diǎn)，承擔(dān)向井下灌漿任務(wù)。礦井采用汽車運(yùn)輸粉煤灰，粉煤灰與懸浮劑在膠體制漿機(jī)直接進(jìn)行混合制漿工藝[6-8]。制漿工藝流程圖如圖1。

圖1 制漿工藝流程圖

4.3.2 灌漿方法

根據(jù)30110 綜采工作面采空區(qū)的技術(shù)條件，應(yīng)用垮步式埋管灌漿工藝，采取埋管灌漿隨采隨灌方式和采后隔離帶集中灌漿方式相結(jié)合的灌漿方法。

（1）埋管灌漿

埋管灌漿工藝：采空區(qū)垮步式埋管的隨采隨灌工藝，即沿工作面回風(fēng)順槽敷設(shè)一趟灌漿管路，第一個(gè)出漿口設(shè)在開切眼，其他出漿口間距為60 m（灌漿管口的移動(dòng)步距暫定為60 m，可通過實(shí)際灌漿效果考察進(jìn)行修正）。

埋管灌漿量：① 采煤工作面日灌漿量2 585.8 m3/d；② 采煤工作面采空區(qū)“兩道”灌漿量的計(jì)算公式如下：

Q=W×L×H×N×F（4）

式中：Q為每個(gè)隔離帶灌漿量，m3；W為隔離帶寬度，取W=30 m；L為隔離帶沿工作面布置方向長(zhǎng)度，取L=20 m；H 為隔離帶高度，取松散煤體的高度，取0.6 m；N為孔隙率，一般取0.3；F為安全系數(shù)，取1.5。

算得Q=162 m3。對(duì)局部遺煤堆積厚度大的“兩道”區(qū)域，當(dāng)工作面推進(jìn)速度小于175.5 米/月，每隔30 d 灌漿一次，30109 綜采工作面膠運(yùn)順槽通過密閉墻措施孔灌漿，30110 綜采工作面回風(fēng)順槽、膠運(yùn)順槽均為埋管灌漿，每次灌漿量約162 m3，即工作面每側(cè)灌漿162 m3，兩側(cè)總灌漿324 m3。

（2）采后隔離帶灌漿

工作面回采結(jié)束后實(shí)施永久封閉，在工作面進(jìn)、回順槽出口密閉墻上方預(yù)設(shè)措施孔向采空區(qū)實(shí)施采后灌漿，以防止采空區(qū)遺煤自燃。采后停采線隔離帶灌漿量取決于停采線處空間大小及遺煤量，灌漿量按下式計(jì)算：Q=W×L×H×N×F。式中隔離帶沿工作面方向長(zhǎng)度L取值按一盤區(qū)30110 綜采工作面長(zhǎng)299.1 m，其余參數(shù)取值與埋管灌漿工藝相同，算得工作面停采線密閉隔離帶注漿量為2423 m3。

5 灌漿防火實(shí)施條件

實(shí)際應(yīng)用過程中，3 號(hào)煤層煤樣實(shí)驗(yàn)最短自然發(fā)火期為41 d，井下采空區(qū)浮煤實(shí)際最短自然發(fā)火期為52 d。在該期限內(nèi)杭來灣煤礦綜采工作面實(shí)際推進(jìn)距離約為575.6 m（工作面實(shí)際推進(jìn)速度11.07 m/d），大于窒息帶寬度380.0 m，采空區(qū)遺煤在最短自然發(fā)火期內(nèi)處于窒息帶區(qū)域。鑒于此，工作面正常推進(jìn)過程中，工作面采空區(qū)遺煤不存在自然發(fā)火風(fēng)險(xiǎn)，不需要灌漿。當(dāng)出現(xiàn)以下條件之一時(shí)，則需采取灌漿防火措施：（1）受地質(zhì)條件影響，推進(jìn)速度較慢，小于臨界推進(jìn)速度9.27 m/d；（2）根據(jù)采空區(qū)自燃區(qū)域判定和預(yù)測(cè)，采空區(qū)存在自燃危險(xiǎn)；（3）采空區(qū)遺煤較多，如厚度超過0.5 m；（4）采空區(qū)CO 氣體濃度出現(xiàn)快速增高或者局部區(qū)域接近限值2.4×10-5。

6 結(jié)論

（1）杭來灣煤礦現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的灌漿防滅火系統(tǒng)，單日灌漿量能力可達(dá)到3500 m3/d，大于單日灌漿量2 585.8 m3/d，滿足生產(chǎn)要求。

（2）粉煤灰是區(qū)內(nèi)火力發(fā)電廠的主要有害廢物，儲(chǔ)存方量大，對(duì)環(huán)境產(chǎn)生不利影響。杭來灣煤礦采用粉煤灰作為主要的灌漿材料，價(jià)格低廉且實(shí)現(xiàn)了廢物的回收利用，日消耗粉煤灰量734.6 m3/d，有效避免了粉煤灰?guī)淼沫h(huán)境污染問題。

（3）該灌漿防滅火系統(tǒng)應(yīng)用以來，實(shí)現(xiàn)了煤層裂隙的充填隔氧、遺煤的有效包裹隔氧，達(dá)到了持久穩(wěn)定的防滅火效果。