葛 鵬

（山西凱嘉能源集團(tuán)， 山西 晉中 032000）

引言

煤礦采空區(qū)巷道的自燃發(fā)火是威脅綜放工作面正常生產(chǎn)安全開采的一大因素，目前對(duì)于采空區(qū)等區(qū)域進(jìn)行大面積的防滅火處理普遍采用注漿方式。為了改善現(xiàn)有注漿系統(tǒng)的性能，實(shí)現(xiàn)高效自動(dòng)化注漿防滅火處理，設(shè)計(jì)出一套更為先進(jìn)的防滅火地面注漿系統(tǒng)，其通過從注漿漿料設(shè)備選取、注漿各系統(tǒng)構(gòu)建、注漿流程監(jiān)測(cè)、注漿工藝流程等多方面實(shí)現(xiàn)對(duì)注漿系統(tǒng)的改進(jìn)處理。

1 某礦6 號(hào)煤層綜放工作面簡(jiǎn)介

某礦開采的6 號(hào)煤層綜放工作面推采長(zhǎng)度612 m，斜長(zhǎng)256 m；煤層采高6.2 m 放頂煤工藝開采，含有0.2 m厚度的碳質(zhì)泥巖夾矸結(jié)構(gòu)，煤層平均埋深350 m，傾角2°~8°。其中頂?shù)装鍘r性為：老頂厚度12~18 m，平均厚度15 m，為石英砂巖；直接頂為砂質(zhì)泥巖，厚度1.6~9.4 m，平均厚度3.8 m；偽頂為碳質(zhì)泥巖，厚度在0.3 m 左右，隨工作面推進(jìn)落下；底板也為灰色砂質(zhì)泥巖，較為破碎。該綜放工作面具有自燃傾向性，自燃發(fā)火期30 d。

2 防滅火注漿系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 注漿設(shè)備選用

利用發(fā)泡成膠裝置對(duì)井下遺煤自燃滅火、圍巖注漿加固、充填封堵等工程進(jìn)行施工處理。設(shè)備主要技術(shù)參數(shù)如表1 所示。

發(fā)泡成膠裝備可滿足表1 中各類注漿材料的使用，可以實(shí)現(xiàn)液體漿料以及黃泥漿料等的泵送，且可以做到注漿壓力的自適應(yīng)調(diào)節(jié)，對(duì)井下復(fù)雜環(huán)境的適應(yīng)性較高，具有泵送能力強(qiáng)、適用范圍廣、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔、布置緊湊以及施工省力、高效等特點(diǎn)。如圖1 所示，分別為一體化移動(dòng)式注漿設(shè)備的供料、供水以及發(fā)泡成膠結(jié)構(gòu)。

表1 發(fā)泡成膠裝置參數(shù)

圖1 發(fā)泡成膠注漿設(shè)備結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 供料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

對(duì)于注漿材料的選取，目前有粉煤灰、黃土以及泡沫和膠體材料等，前兩者較為傳統(tǒng)常用，材料選取也比較方便，成本較低，同時(shí)也可以起到對(duì)采空區(qū)的充填效果，缺點(diǎn)是固體物質(zhì)的流動(dòng)性較差，容易發(fā)生堵塞鉆孔的現(xiàn)象；泡沫注漿是利用阻化泡沫滅火，膠體材料是利用膠體防滅火材料進(jìn)行注膠滅火，這兩者的優(yōu)點(diǎn)在于流動(dòng)性較高且高溫下仍能起到隔絕效果，但注漿方式較為復(fù)雜且材質(zhì)費(fèi)用較高。

注漿用量的計(jì)算應(yīng)滿足煤礦注漿防滅火技術(shù)規(guī)范設(shè)計(jì)要求，保證灌漿系數(shù)在3%~12%之間，對(duì)于粉煤灰注漿系數(shù)也保證再提升兩個(gè)百分點(diǎn)，即達(dá)到5%~15%。注漿量的公式計(jì)算為：

式中：Q 為注漿量的大小；α 為注漿系數(shù)，一般取值10%左右，本次設(shè)計(jì)選取5%；M 為煤礦的煤炭資源日產(chǎn)出量；ε 為注漿中固液比例倒數(shù)；q 為漿液調(diào)配成功系數(shù)，取0.9；ρ 為煤炭密度，取1.42；t 為每日注漿花費(fèi)時(shí)間。

基于上述公式進(jìn)行注漿量的計(jì)算，按每年330 d工作日進(jìn)行計(jì)算，漿液調(diào)配成功系數(shù)0.9，煤平均密度1.42 代入式（1），一個(gè)年產(chǎn)800 萬t 級(jí)別的煤礦設(shè)計(jì)注漿量應(yīng)達(dá)到10~100 m3/h[1]。供料裝置結(jié)構(gòu)如下頁(yè)圖2 所示。

圖2 供料裝置結(jié)構(gòu)示意圖

2.3 操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為保證礦井防滅火地面系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性以及高效性，對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行現(xiàn)代化自動(dòng)控制改造，設(shè)計(jì)電子自動(dòng)控制或機(jī)電一體化系統(tǒng)十分重要，可極大降低工人的勞動(dòng)強(qiáng)度以及使用成本。操作流程可對(duì)注漿過程的始末包括原料選取、制取漿料過程、注漿過程進(jìn)行全面監(jiān)控，原理如圖3 所示。

圖3 控制系統(tǒng)流程示意圖

通過對(duì)傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行收集，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)、供水水量以及漿料流量的監(jiān)測(cè)，確保電機(jī)處于正常運(yùn)行狀態(tài)；通過制取漿料過程中，管道傳感器監(jiān)測(cè)出的漿料流量質(zhì)量組成，計(jì)算出漿料配置比例，實(shí)現(xiàn)對(duì)制取漿料工藝的控制；同時(shí)根據(jù)管道傳感器對(duì)注漿量進(jìn)行調(diào)控，通過再制取漿料過程中利用PID 控制等對(duì)漿料的配比進(jìn)行自動(dòng)監(jiān)控，按照實(shí)際情況靈活調(diào)整固液比例，實(shí)現(xiàn)對(duì)參數(shù)的自動(dòng)控制。通過將各傳感器與PLC 編程接口對(duì)接，將PLC 與計(jì)算機(jī)連接成一個(gè)整體來實(shí)現(xiàn)通信數(shù)據(jù)傳輸功能，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)具體工況的實(shí)時(shí)監(jiān)控，從而實(shí)現(xiàn)注漿系統(tǒng)的機(jī)電一體化控制流程，具體如圖4 所示。由監(jiān)控室對(duì)注漿設(shè)備的工況進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示監(jiān)控處理，通過監(jiān)控裝置以及信號(hào)反饋裝置對(duì)注漿漿料的選取、漿料的供水系統(tǒng)固液配置以及漿料傳輸過程進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸或人為干預(yù)調(diào)節(jié)；將配置好的漿液通過注漿管路輸送至井下采空區(qū)、巷道等滅火區(qū)域，并由管路中設(shè)置的傳感器對(duì)注漿漿料的具體固液比例、濃度等數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)控；通過調(diào)節(jié)注漿速度以及漿料成分配比來對(duì)采空區(qū)注漿現(xiàn)場(chǎng)防滅火環(huán)節(jié)進(jìn)行調(diào)控，以達(dá)到全自動(dòng)化的注漿控制流程[2-3]。

圖4 自動(dòng)化控制總體流程示意圖

對(duì)于防滅火控制的設(shè)計(jì)是基于傳統(tǒng)手動(dòng)控制與自動(dòng)控制系統(tǒng)的靈活轉(zhuǎn)換，以及對(duì)注漿用量、注漿固液配比的靈活調(diào)控，實(shí)現(xiàn)對(duì)滅火制漿配比濃度、注漿速度以及成分等的靈活控制，以及對(duì)滅火流程的人工控制等，具體可通過設(shè)計(jì)PLC 控制器進(jìn)行滅火程序的調(diào)節(jié)。具體流程為：開機(jī)后默認(rèn)為自動(dòng)控制模式，可以進(jìn)行手動(dòng)控制或自動(dòng)控制模式選擇，自動(dòng)控制模式下將對(duì)漿料的濃度以及注漿速度進(jìn)行自動(dòng)控制調(diào)節(jié)，確認(rèn)滅火工作結(jié)束后將自動(dòng)停止作業(yè)，而手動(dòng)控制可對(duì)中間環(huán)節(jié)進(jìn)行人工干預(yù)，根據(jù)實(shí)際工況環(huán)境靈活調(diào)整來達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。

2.4 供水結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

供水系統(tǒng)可保證為攪拌機(jī)與膠體注漿配置過程提供穩(wěn)定的水源供應(yīng)，一般來源為井下處理后的礦井自然涌水，起到節(jié)約水源，減少用水成本的效果。同時(shí)整體防滅火地面系統(tǒng)構(gòu)建需搭建注漿廠房，對(duì)漿料配置設(shè)備以及控制系統(tǒng)進(jìn)行合理安放。設(shè)置控制室對(duì)注漿工藝進(jìn)行全過程的監(jiān)控以及指令傳輸，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)注漿漿料成分、固液配比的人工干預(yù)控制，通過實(shí)際情況合理調(diào)配漿料成分比例以及注漿速度等。同時(shí)注漿廠房要保證對(duì)井下管路進(jìn)行合理布設(shè)，減少管路的冗雜減少管路成本。井下注漿泵的安放應(yīng)盡可能靠近滅火地點(diǎn)，防止?jié){料在管路輸送過程中的阻力損失，也可對(duì)滅火區(qū)域進(jìn)行快速滅火處理。注水裝置通過壓風(fēng)管路將灌注的泡沫凝膠材料進(jìn)行混合，實(shí)現(xiàn)發(fā)泡、成膠效果，具體結(jié)構(gòu)如圖5 所示。

圖5 供水裝置結(jié)構(gòu)示意圖

3 工業(yè)性實(shí)驗(yàn)

3.1 應(yīng)用布置

對(duì)擬注漿效果的綜采工作面兩巷道實(shí)際條件進(jìn)行分析，為了便于后續(xù)注漿工作，將注漿系統(tǒng)布設(shè)在靠近工作面的設(shè)備列車上，管路設(shè)計(jì)如圖6 所示，A料管路與B 料管路各布設(shè)400 m，沿圖中單軌吊、電纜槽進(jìn)行布設(shè)，確保注漿系統(tǒng)隨綜采面各設(shè)備一同移動(dòng)，并設(shè)置三通以及截止閥，每30 m 布設(shè)一組，便于接地接管注漿。

圖6 注漿系統(tǒng)設(shè)備路線布置示意圖

3.2 治理效果監(jiān)測(cè)

該綜放工作面在注漿工作前已回采16 m，目前已停采2 個(gè)月左右，從已開采效果來看，該綜放工作面采空區(qū)放煤量較少，采空區(qū)垮落的煤量較多，因此為確保后續(xù)綜放工作面的安全開采，利用該套一體化注漿系統(tǒng)進(jìn)行注漿，如圖7 所示。

利用液壓支架架間進(jìn)行防火材料灌注，對(duì)采空區(qū)煤體進(jìn)行覆蓋，注漿材料保水性好，能夠起到隔絕氧氣、降溫保濕的效果。如圖7 所示，CO 氣體濃度均得到顯著降低，煤的自燃防治效果顯著，該套注漿系統(tǒng)的施工效果較好，基本滿足設(shè)計(jì)需要。

圖7 各監(jiān)測(cè)點(diǎn)CO 濃度變化情況

4 結(jié)語

通過設(shè)計(jì)礦井防滅火地面注漿控制系統(tǒng)，從注漿漿料配比、漿料運(yùn)輸監(jiān)控、滅火過程控制等方面實(shí)現(xiàn)注漿過程的全面自動(dòng)化控制，實(shí)現(xiàn)了加水、配料、混料、輸送等一系列工藝的集成，滿足了不同性能防火材料的漿料配置灌注。

通過現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)性實(shí)驗(yàn)可以看出，注漿效果顯著,注漿后采空區(qū)保持在一種窒息、低溫濕潤(rùn)狀態(tài)，煤層自燃氧化基本停止。