黄土泥浆胶体的研制及应用

王小军， 杜达文

（阳泉煤业（集团）有限责任公司，山西 阳泉 045000）

引 言

矿井火灾是煤矿的主要灾害之一。阳煤一矿所开采的煤层属三级自然发火危险矿井，困扰着矿井的安全生产。为此，积极开展防灭火的科学研究，搞好矿井防灭火工作，是保证本矿安全生产的一个重要方面。阳煤集团一矿北丈八井开采15＃煤层，煤层平均厚度6m，具有自燃倾向性，鉴定为三级不易自燃发火矿井。该井自1979年开采，到2001年底，共发生自燃着火和一氧化碳超限15次，最短自燃发火期为22个月，火灾给国家资源和财产造成很大的损失。为进一步贯彻落实“安全第一，预防为主”的方针，减少和消灭自燃火灾事故，确保矿井安全生产，决定对采掘工作面的采煤方法和采煤工艺进行改进。改进后，从2002年至今，未发生自燃发火事故。但随着生产向深部及边远地区转移，矿井通风系统趋于复杂，通风压力逐年升高，瓦斯涌出量不断增大，综放工作面走向长1 600m～2 000m、倾向长160m～240m。随着工作面的增大，回采时间延长，自燃发火几率增加，自然发火威胁愈来愈严重。针对“一通三防”安全管理存在的诸多不利因素，我矿“一通三防”工作始终坚持突出3个重点，严把3个关键，强化2项管理，即，突出通风系统优化调整与安全技术管理、完善防灭火系统与落实预防措施、高瓦斯区与瓦斯异常区的综合智力等3个重点，狠抓盲巷与采空区封闭、启封密闭排放瓦斯、瓦斯监测检查等3个关键环节，强化局扇的双风机、双电源和矿井综合防尘2项动态管理。紧紧依靠科技进步，加强现场管理，积极推广应用新技术、新工艺，并结合本区实际创造性地进行技术改造，开展科研项目的研究［1-2］。

为此，我们在应用耐温高水胶体直接灭火技术基础上，又自行研制了黄土泥浆胶体直接防灭火技术，并在实际应用中取得了良好的效果。

1 黄土泥浆胶体成胶原理

黄土泥浆胶体成胶过程是，基料水玻璃先按一定的配比与黄土泥浆混合，然后根据所选的促凝剂按一定的配比溶解于水中，再将促凝剂的水溶液与已加入水玻璃的黄土泥浆混合液二者混合，即发生胶凝作用，生成硅胶的黄土泥浆胶体。其防灭火机理既具备耐温度水胶体防灭火机理，又具备黄土泥浆防灭火和不泄漏等优点［3-4］。

2 黄土泥浆胶体的配比与应用工艺

2.1 配比

能否形成黄土泥浆胶体，关键性技术是促凝剂、基料水玻璃、水、黄土四者之间的配比。根据成胶机理，选用碳酸氢铵化肥作为促凝剂［5］。经反复实验，当水、黄土、水玻璃、碳酸氢铵质量配比为2.0∶1.0∶2.0∶（0.5～1.0）时，可形成黄土泥浆胶体。其成胶时间为1.0min～2.5min。此胶体形状类似果冻或蛋糕。

2.2 应用工艺

黄土泥浆胶体防灭火技术，采用如图1所示的工艺系统。

图1 工艺系统

该工艺系统的流程为：在地面灌浆站制备泥浆，密度为1.2～1.4；测定泥浆流量，根据泥浆流量调节加入泥浆中的水玻璃流量，使二者的流量比为10∶1；在井下距注胶地点10m范围内安设促凝剂溶解加压泵，加压泵额定流量为3m2/h、压力18MPa［6］。依据现场火区空间大小，控制成胶时间，促凝剂填加量为25kg/min～50kg/min。

3 黄土泥浆胶体防灭火现场应用实验

通过实验，我矿已获得并掌握了形成黄土泥浆胶体配比、设计并实验工艺系统及泥浆与水玻璃比例关系、促凝剂填加量等关键性技术。现场实际应用该技术，成功地隔离和控制了204W综采煤工作面火灾，按期稳妥地将工作面综采设备回撤［7］。

3.1 工作面概况及发火状况

204 W工作面位于一矿二号井东采区，走向长280m，倾斜平均长25m，煤层倾角56度，采用急斜特厚煤层水平分层综采放顶煤采煤方法，放顶高度7.5m。该面放顶煤时，将靠底板侧上部残存火区高温浮煤放入工作面支架顶部及采空区，煤温达53℃，随之工作面出现体积分数为0.07%的CO气体、浓烟与明火，工作面被迫封闭（如图2）。若采用常规的隔绝灌浆灭火方法，一是工作面综采设备会被泥浆浸泡腐蚀，灌浆后清理量大，综采设备需投人大量资金更换配件，进行检修；二是灭火周期长，矿生产任务紧，无综采设备投人。鉴于此，决定以打钻注黄土泥浆胶体直接防灭火技术为主要手段进行防灭火后，将综采设备回撤。

3.2 黄土泥浆胶体防灭火技术实验步骡

3.2.1 利用钻孔压注泥浆胶体

在回风巷向工作面底板至5号支架后部设计3个钻孔，计划注胶35m2。

图2 204W—2采煤工作面

3.2.2 利用排水巷打钻压注泥浆胶体

在排水巷用EZZ麻花代用钻，从第15号支架开始逐步向下出口打钻，钻孔内下6套管，计划注浆100m2。

完成上述准备工作后，按下列步骤实施压注胶体：

1）工艺设备安装。先将0.5m2箱搁置在地面灌浆站泥浆池内，测得泥浆流量32m3/h。将水玻璃流量调节为3m2/h［8］。

2）促凝剂溶解加压泵安设在回风巷（排水巷压注胶体时设在排水巷内），距钻孔3m处接好电、水源。成胶时间控制在80s内（排水巷为50s），则每分钟填加碳铵化肥30kg左右（排水巷为40kg）［9］。

3）地面开始下泥浆与水玻璃混合液体，该液体流经地面。井下灌浆系统至钻孔注胶处需25min。地面开始启动清水泵时间，通知井下后再开启加压泵，25min后填加促凝剂（碳铵化肥）。分别在回风巷、排水巷钻孔2次，压注黄土泥浆胶体40m2、32m2，对支架顶部和采空区发火，形成一条黄土泥浆胶体的隔离带，保证了工作面回撤期间既未出现明火又未出现火势增大的趋势，使工作面综采设备顺利安全地回撤，达到了预期的防火目的［10］。

3.3 黄土泥浆胶体防灭火技术的优点

1）从应用结果看，黄土泥浆胶体能够起到耐温高水胶体与黄土泥浆防灭火的双重作用，灭火效果显著。尤其是黄土泥浆胶体垒堆成墙形条带，堵漏隔氧，吸热降温，使火区中灼热的破碎煤体温度下降很快。洒浆或洒水以及注水浇注浆都达不到这种效果。

2）从应用工艺看，操作简单，在压注胶体最短距离处安设促凝剂溶解加压泵，能充分利用矿井原有的防灭火灌浆系统，同耐温高水胶体工艺系统相比，具有工艺简单、操作简便的优点，适宜井下任何条件实施黄土泥浆胶体防灭火工作。

3）向火区注浆虽起到降温作用，但泥浆易流失，而黄土泥浆胶体可人为控制起来。

4）胶体遇高温成胶速度加快，灭火效果比水、泥浆更好，并具有耐高温特性。

5）它不同于耐温高水胶体的优点是，若选用铵盐类作促凝剂，分解出对人体感官有刺激性的氨气被泥浆吸附，避免了氨气对工作环境的污染和对人体的危害。

3.4 经济效益分析

耐温高水胶体与黄土泥浆胶体材料费用相比较，1m3耐温高水胶体材料费54.5元，1m3黄土泥浆胶体材料费35.9元，后者比前者材料费少18.6元/m3。显然，应用黄土泥浆防灭火技术经济效益显著。

4 结束语

黄土泥浆胶体直接防灭火技术的自主研制，并在现场实践应用中取得成功，使防灭火技术手段又提高到了一个新水平。该技术同耐温高水胶体直接灭火技术相比，具有材料费用低、工艺简单、操作简便的优势，是一种安全、经济、可靠的防灭火技术。

［1］ 徐精彩.煤层自燃胶体防灭火理论及技术［M］.北京：煤炭工业出版社，2003.

［2］ 王德明.矿井火灾学［M］.北京：中国矿业大学出版社，2008.

［3］ 周军民，张吉林，郭俊祥.利用胶体泥浆治理综采面停采线内因火灾［J］.煤，2001，10（1）：24-25.

［4］ 郭兴明，徐精彩，王更雨.处理小窑入侵造成自燃的胶体泥浆技术［J］.陕西煤炭技术，2004（3）：21-24.

［5］ 张玉治，陈振永.复合胶体在防灭火中的应用［J］.中州煤炭，2007（1）：87-88.

［6］ 谷天峰，孙忠弟，骆凤涛，等.水泥-黄土注浆充填材料的试验研究［J］.工程地质学报，2014，22（1）：98-105.

［7］ 王洪波.泡沫泥浆钻进工艺在山西平朔东露天矿勘探施工中的应用［J］.中国煤炭地质，2008，20（B9）：103-104.

［8］ 王银梅，韩文峰，谌文武.新型高分子固化材料与水泥加固黄土力学性能对比研究［J］.岩土力学，2004，25（11）：1761-1765.

［9］ 苏琳，郭军伟，贺晓刚.深部大倾角综放面撤面期间综合防灭火技术［J］.煤矿安全，2007（5）：25-26.

［10］杨彬，翟小伟，杨红革.北马坊煤矿2134复采工作面煤自燃防控技术研究与实践［J］.煤炭工程，2013，45（9）：47-49.