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        改性超高水材料在俯斜綜采工作面防滅火中的應(yīng)用

        2023-11-15 03:12:18秦大健
        煤炭與化工 2023年9期
        關(guān)鍵詞:凝固時(shí)間漿液采空區(qū)

        秦大健

        (1.國(guó)家能源充填采煤技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,河北 邢臺(tái) 054000;2.河北煤炭科學(xué)研究院有限公司,河北 邢臺(tái) 054000;3.河北充填采礦技術(shù)有限公司,河北 邢臺(tái) 054000)

        0 引 言

        長(zhǎng)期以來(lái),礦井火災(zāi)都是煤礦生產(chǎn)的重大安全隱患之一,在影響煤礦安全生產(chǎn)的同時(shí),也制約著煤礦的正常發(fā)展。礦井火災(zāi)分為內(nèi)因火災(zāi)和外因火災(zāi),其中內(nèi)因火災(zāi)中煤炭自燃引起的火災(zāi)占礦井火災(zāi)的90%。近年來(lái),先進(jìn)的綜采放頂煤開采在大采高煤層中得到廣泛的推廣與應(yīng)用,極大的提高了生產(chǎn)效率,但由于冒落高度大、殘留煤炭多、封閉困難,使采空區(qū)漏風(fēng)嚴(yán)重,當(dāng)熱量集聚到一定程度后,極易引起采空區(qū)煤層自燃,造成安全生產(chǎn)事故,影響正常生產(chǎn)[1]。為了防止煤層自燃,煤礦生產(chǎn)中多采用注黃泥漿、注阻燃劑、噴灑阻燃材料、構(gòu)筑密閉墻、注惰性氣體等方法,但存在成本高、使用環(huán)境限制、效果不理想等問題。

        超高水材料作為最近幾年新興的一種井下無(wú)機(jī)注漿材料,具有流動(dòng)性好、凝固時(shí)間短、早期強(qiáng)度高、含水量大等特點(diǎn),在煤礦充填開采、老空區(qū)治理、巷道密閉、井下防滅火、沿空留巷等多個(gè)技術(shù)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。其中超高水材料作為防滅火材料,在煤礦防滅火技術(shù)中能夠有效熄滅煤炭火災(zāi),降低火區(qū)溫度,快速包裹煤體,阻止有害氣體揮發(fā),防止煤層復(fù)燃,同時(shí)超高水材料凝固后具有一定強(qiáng)度,能夠?qū)鷰r起到有效的加固作用[2]。但面對(duì)俯斜綜采工作面這類復(fù)雜條件的防滅火,原有超高水材料性能不能滿足工程需要,因此需根據(jù)實(shí)際情況對(duì)超高水材料進(jìn)行改性,同時(shí)對(duì)注漿工藝進(jìn)行優(yōu)化。

        1 工程背景

        核桃?guī)Z煤礦俯斜綜采工作面設(shè)計(jì)傾斜長(zhǎng)度240 m,走向長(zhǎng)度2 110 m,煤層實(shí)際厚度10.27~20.5 m,平均厚度16.05 m,煤層傾角2°~8°。煤層在靠近停采線附近相對(duì)較薄,自北向南逐漸增厚。開采的8 號(hào)煤層屬Ⅰ類易自燃煤層,自然發(fā)火期為2~4 個(gè)月,最短49 d。

        工作面安裝完成后進(jìn)行試生產(chǎn),煤層設(shè)計(jì)開采厚度0~300 m 時(shí)回采高度為4.8 m,在回采70 m時(shí),受斷層巖墻段影響推進(jìn)緩慢、高溫點(diǎn)及漏風(fēng)通道探查不充分、隔離降溫措施不到位等因素影響,采空區(qū)浮煤快速氧化,一氧化碳、乙烯等氣體變化較快,為保障作業(yè)人員及設(shè)備安全,對(duì)工作面先后兩次進(jìn)行封閉,期間采取了注黃泥漿、氮?dú)饧胺罍缁鸩牧线M(jìn)行滅火降溫,未能取得很好的效果。

        經(jīng)過(guò)研究考察,結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)情況,在鉆孔深度受限的情況下,最終選擇利用超高水材料在支架后部采空區(qū)10 m,距離底板12 m 處利用注漿管從措施巷進(jìn)行注漿構(gòu)筑隔離密閉墻(圖1);密閉墻構(gòu)筑完成后在后部采空區(qū)注入膠體充填材料,利用膠體包裹采空區(qū)遺煤,控制采空區(qū)遺煤氧化;最后在啟封后根據(jù)支架后部漏風(fēng)情況,利用超高水材料進(jìn)行補(bǔ)注密閉。在施工過(guò)程中,始終保持向采空區(qū)后部注入低溫氮?dú)庖越档筒煽諈^(qū)溫度,隔絕空氣,以防止采空區(qū)火情加重。

        圖1 隔離密閉墻注漿效果示意Fig.1 Grouting effect of isolated closed wall

        由于現(xiàn)有超高水材料的凝固時(shí)間和流動(dòng)擴(kuò)散半徑不能滿足該工程需要,因此需對(duì)超高水材料進(jìn)行改性,對(duì)注漿工藝進(jìn)行優(yōu)化。

        2 改性超高水材料研制

        超高水材料由A 料、B 料組成,其中B 料中主要由天然硬石膏、生石灰和外加劑等材料構(gòu)成。長(zhǎng)期以來(lái),天然的無(wú)水硬石膏產(chǎn)量不斷降低,材料品質(zhì)穩(wěn)定性變差,對(duì)超高水材料的性能影響較大。針對(duì)天然石膏的問題,結(jié)合工程需要,通過(guò)大量的考察與試驗(yàn),最終選定了一種經(jīng)過(guò)特殊處理的工業(yè)副產(chǎn)品石膏作為天然硬石膏的替代品,制成改性超高水材料。改性材料與原材料相比,具有凝固時(shí)間更短、強(qiáng)度更高等特點(diǎn),完全能夠滿足該工程需要。

        改性超高水材料與原超高水材料的生產(chǎn)工藝相同,因此試驗(yàn)時(shí)采用相同的加工工藝,利用實(shí)驗(yàn)小磨制備兩種不同的B 料進(jìn)行試驗(yàn),2 種材料的A 料及外加劑均相同,試驗(yàn)按照GB/T 39337-2020《綜合機(jī)械化超高水材料袋式充填采煤技術(shù)要求》中超高水材料檢驗(yàn)方法進(jìn)行試驗(yàn),分別對(duì)2 種不同的材料凝固時(shí)間和抗壓強(qiáng)度就行對(duì)比實(shí)驗(yàn)。

        2.1 凝固時(shí)間

        將制備好的原超高水材料和改性超高水材料在20±2℃的室溫中,使用20±1℃的自來(lái)水,分別制備不同水固質(zhì)量比的材料,測(cè)定材料初凝時(shí)間(漿液混合后失去流動(dòng)性所需的時(shí)間)見表1。

        表1 不同水固比初凝時(shí)間Table 1 Initial setting time of different water-solid ratio

        由表1 可知,在相同水固比條件下,改性超高水材料與原超高水材料相比初凝時(shí)間大幅度降低,水固比為6∶1、5∶1 和4∶1 時(shí),改性超高水材料初凝時(shí)間分別縮短了1.7 倍、1.7 倍和1.8 倍。由于凝固時(shí)間縮短,在工程實(shí)踐中,改性超高水材料混合注入采空區(qū)后的流動(dòng)擴(kuò)散半徑更小。

        2.2 抗壓強(qiáng)度

        將不同水固比的改性超高水材料和原超高水材料按標(biāo)準(zhǔn)要求分別制樣,倒入70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm 的三聯(lián)試模中成型,然后放入濕度≥90%、溫度20±1℃的恒溫恒濕養(yǎng)護(hù)箱中養(yǎng)護(hù)至所需齡期,最終測(cè)得不同水固比下2 種材料的單軸抗壓強(qiáng)度曲線如圖2 所示。

        圖2 不同水固比單軸抗壓強(qiáng)度曲線Fig.2 Uniaxial compressive strength curves of different water-solid ratios

        由圖2 可知,改性超高水材料單軸抗壓強(qiáng)度與原超高水材料相比,在不同水固比條件下均有所增長(zhǎng),水固比6∶1 時(shí),早期4 h 強(qiáng)度增加了17%,1 d 強(qiáng)度增加了13%,后期14 d 強(qiáng)度增加了15%,說(shuō)明材料強(qiáng)度在不同齡期均能穩(wěn)定增長(zhǎng),其中水固比5:1 時(shí),早期4 h 強(qiáng)度增長(zhǎng)20%,后期14 d 強(qiáng)度增長(zhǎng)17%,漲幅最高。

        3 工程應(yīng)用

        封閉的俯斜綜采工作面共有139 架支架,從現(xiàn)回順高位鉆場(chǎng)位置以里5 m 拉門施工消火道,消火道底板保持距離煤層底板8 m 以上,在消火道內(nèi)部施工注漿鉆孔,注漿鉆孔在每部支架架間布置,鉆孔終孔距支架后部架頂10 m,距工作面底板12 m,通過(guò)在鉆孔內(nèi)部埋設(shè)注漿管向采空區(qū)注入改性超高水材料,構(gòu)筑隔離密閉墻。

        3.1 制漿工藝及參數(shù)

        由于受工期、井下空間和設(shè)備條件限制,在注漿時(shí)采用1 臺(tái)注漿泵配合2 套攪拌設(shè)備,為實(shí)現(xiàn)連續(xù)注漿,在注漿過(guò)程中需控制攪拌桶液面始終保持在同一位置,并間隔相同時(shí)間向桶內(nèi)加料,因此需計(jì)算出漿速度,并得到向攪拌桶內(nèi)注水速度和加料量之間的關(guān)系,計(jì)算方法如下。

        將每只攪拌桶中注入1 m3的清水,此時(shí)液位距攪拌桶底的距離為H,測(cè)量攪拌桶液位距攪拌桶口的距離h1;不開動(dòng)攪拌機(jī),開泵注水,并記錄開泵時(shí)間,3 min 后關(guān)閉注漿泵,測(cè)量此時(shí)攪拌桶中液位距攪拌桶口的距離h2,從而計(jì)算出每分鐘漿液下降高度h0,根據(jù)上述測(cè)量結(jié)果,按式(1)可計(jì)算出每只攪拌桶每分鐘出漿量:

        式中:V 為每只攪拌桶每分鐘出漿量,L/min;V0=1 000 L,表示攪拌桶中注入1 000 L 清水;h0=(h1-h2)/3,cm/min;H=95 cm。

        根據(jù)上述公式及井下測(cè)量結(jié)果可知:

        h0=10 cm/min

        V=1 000×10/95=105 L/min

        計(jì)算得出每只攪拌桶每分鐘出漿量后,按攪拌桶中水量始終保持1.05 m3計(jì)算,可得出每只攪拌桶加料速度與水固比的關(guān)系,見表2。

        表2 攪拌桶加料速度與水固比的關(guān)系Table 2 Relationship between the feeding speed of the stirring barrel and the water-solid ratio

        在保持相同液位條件下,最高水固比為加料前漿液濃度,最低水固比為加料后漿液濃度,平均水固比為漿液平均濃度下的水固比。

        3.2 注漿工藝及參數(shù)

        由于該工作面處于封閉狀態(tài),且工作面為俯斜開采,工作面內(nèi)又有大量出水點(diǎn),雖然對(duì)超高水材料進(jìn)行改性,但在實(shí)際注漿過(guò)程中無(wú)法觀測(cè)注漿情況,不能根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整,又受到頂煤破碎冒落、工作面出水影響,對(duì)注漿構(gòu)筑密閉墻的實(shí)際效果無(wú)法做出準(zhǔn)確評(píng)估,因此為注漿構(gòu)筑封閉墻帶來(lái)很大難題。

        為進(jìn)一步保證密閉墻的效果,在注漿過(guò)程中對(duì)注漿孔采取分段注漿的方法,分3 次將注漿孔注滿,在注漿過(guò)程中嚴(yán)密監(jiān)視周邊注漿孔情況,出現(xiàn)漏漿情況及時(shí)更換注漿孔,并加長(zhǎng)注漿混合管路,以縮短凝固時(shí)間,減少漿液擴(kuò)散。具體注漿方案見表3。

        表3 注漿孔階段注漿方案Table 3 Grouting hole stage grouting scheme

        在注漿過(guò)程中,每階段注漿均根據(jù)上一階段注漿的現(xiàn)場(chǎng)情況進(jìn)行少量調(diào)整,第一階段注漿以底板及細(xì)碎殘煤內(nèi)部空隙的滲透擴(kuò)散為主要目的,對(duì)采空區(qū)下部的空間進(jìn)行徹底封閉;第二階段注漿是在第一階段注漿完全凝固后進(jìn)行的,進(jìn)一步降低了水固比,以封堵采空區(qū)中部為主要目的;第三階段注漿實(shí)在第二階段注漿完全凝固后進(jìn)行,在降低水固比的同時(shí),加長(zhǎng)了混合管路長(zhǎng)度,以進(jìn)一減少漿體擴(kuò)散,提高注漿封閉高度,以保證注漿密閉墻的效果。

        3.3 工程效果

        在注漿過(guò)程中,因后部采空區(qū)頂煤冒落不規(guī)則,且存在出水點(diǎn),從而部分注漿孔出現(xiàn)無(wú)法注漿、注漿后周邊注漿孔返漿、以及注漿后漿液隨排水口外溢等情況,針對(duì)此類特殊情況對(duì)現(xiàn)場(chǎng)注漿工藝進(jìn)行調(diào)整后,注漿工作最終圓滿完成。

        注漿基本完成后對(duì)工作面啟封,通過(guò)對(duì)后部采空區(qū)進(jìn)行溫度及氣體檢測(cè)發(fā)現(xiàn),隔離密閉墻整體注漿封閉效果較好,能夠滿足工作面防滅火的技術(shù)要求。

        啟封后同時(shí)發(fā)現(xiàn),由于工作面封閉,對(duì)注漿效果無(wú)法觀測(cè)調(diào)整,且受工作面俯斜影響,導(dǎo)致大部分液壓支架后溜被注漿材料掩埋,個(gè)別液壓支架被部分掩埋,但由于材料強(qiáng)度并不高,后期清理過(guò)程中利用風(fēng)鎬、搞頭等工具即可,清理工作及補(bǔ)注封閉相結(jié)合,花費(fèi)了較長(zhǎng)時(shí)間。

        4 結(jié) 論

        (1)利用處理過(guò)的工業(yè)副產(chǎn)品石膏,可完全替代無(wú)水硬石膏生產(chǎn)改性超高水材料,能夠有效縮短材料凝固時(shí)間,提高材料強(qiáng)度,在節(jié)約優(yōu)質(zhì)天然礦產(chǎn)材料的同時(shí),實(shí)現(xiàn)工業(yè)固體廢棄物的綜合利用。

        (2)改性超高水材料在井下防滅火工程應(yīng)用中,能夠有效的降低火區(qū)溫度,隔絕空氣,降低有害氣體濃度,包裹覆蓋煤體,防止煤炭復(fù)燃,從而達(dá)到防滅火的目的。

        (3)俯斜綜采工作面封閉后的防滅火技術(shù)中,利用改性超高水材料,采用合理的技術(shù)方案及注漿工藝設(shè)計(jì),能夠?qū)崿F(xiàn)注漿構(gòu)筑隔離密閉墻的工程需要,為工作面防滅火及啟封復(fù)采創(chuàng)造有利條件。

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