自燃厚煤层煤巷高冒区充填防灭火胶体研究及其应用∗

王玉怀索 航余 博杨忠东王学俊王风志（.华北科技学院,河北省三河市,06520; 2.河北省矿井灾害防治重点实验室,河北省三河市,06520; .开滦（集团）有限责任公司,河北省唐山市,0608）



自燃厚煤层煤巷高冒区充填防灭火胶体研究及其应用∗

王玉怀1,2索 航1余 博1杨忠东3王学俊3王风志3
（1.华北科技学院,河北省三河市,065201; 2.河北省矿井灾害防治重点实验室,河北省三河市,065201; 3.开滦（集团）有限责任公司,河北省唐山市,063018）

摘要为防治荆各庄矿煤巷高冒区严重的自然发火隐患,以该矿充填使用的粉煤灰为骨料,通过添加高分子聚合物和生物胶体材料,研制出了高冒区充填新型粉煤灰胶体材料。测试了不同配比、不同温度下粉煤灰胶体材料的析水速率,计算出相应的析水率和保水率及粉煤灰充填胶体材料最佳保水率配比;测试了不同配比情况下粉煤灰充填胶体材料的粘度。根据保水率和粘度指标确定了粉煤灰胶体材料的最佳充填配比并进行了井下高冒区充填试验。

关键词煤巷 高冒区 粉煤灰胶体 充填材料 析水速率 保水率 粘度

荆各庄煤矿核定生产能力为195万t/a,采用立井多水平开拓,中央并列式通风。近年来,由于储量逐年减少,矿井开始挖潜复采边角煤和煤柱,挖潜复采工作主要集中在9＃煤层。9＃煤层属自燃煤层,平均厚度7.5 m。由于煤层存在众多的断层、老硐室及采空区,挖潜巷道掘进期间顶煤破碎造成冒顶,出现大量顶空现象,使煤层存在严重的自然发火隐患。据统计,荆各庄矿80%以上的火灾隐患发生在9＃煤层巷道,尤其是巷道高冒区。为治理9＃煤层巷道自然发火隐患,荆各庄矿采用灌注粉煤灰和发泡水泥对巷道高冒区进行充填,但存在充填粉煤灰效果差、充填发泡水泥成本高等问题,为此需要研发一种效果好、成本低的新型充填材料以防治该矿煤巷高冒区的火灾隐患。

1　胶体材料选取

目前煤矿井下应用的防治煤炭自燃的主要技术有注水、灌浆、堵漏、惰化和注胶等,其中胶体灭火技术是20世纪90年代兴起的一种灭火技术,现已发展成为防治煤炭自燃主要的技术手段之一。适用于矿井防灭火的胶体应符合无毒无害、无异味、无腐蚀、无污染,渗透性能好,具有良好的耐高温性,在高温下不会迅速汽化,且吸热降温性能好,具有较好的堵漏性、阻化性和降温性,能够起到阻止煤炭氧化和降温的作用,且施工方便、使用成本低的特点。

1.1胶体骨料选择

荆各庄矿井下煤巷道高冒区主要充填材料为附近陡河电厂生产的粉煤灰和唐山开滦广汇公司生产的发泡水泥。考虑到使用方便和材料成本,确定以陡河电厂生产的粉煤灰作为骨料研制充填胶体材料,其化学成分含量分别为55.4%SiO2,27.5%Al2O3,8.67% Fe2O3,2.23%CaO,1.02%MgO,1.02%SO3, 0.25%Na2O,1.00%K2O,2.3%烧失量。

1.2胶体材料添加剂选择

目前制作胶体材料的主要添加剂是聚丙烯酰胺（PAM）,PAM具有絮凝性、粘合性、降阻性、增稠性,其絮凝作用能使体系中的悬浮物质通过电中和,起到架桥吸附作用。试验中发现加入PAM的水溶液为接近透明粘稠液体,粘度较低,与粉煤灰混合搅拌后易发生沉降,无法形成均匀胶体。试验表明生物胶体材料（PX）和PAM混合浓度达到一定比例可以增加胶体粘度,从而增强胶体的稳定性。因此,胶体材料添加剂确定为PX和PAM。

2　胶体材料保水性能测试

2.1胶体材料析水速率、析水率与保水率

经过前期试验确定每组试验的粉煤灰为90 g,水为150 g,然后按照不同比例添加PAM和PX后搅拌形成粉煤灰胶体。在实验室进行20℃、30℃、50℃、70℃等不同温度下的粉煤灰胶体材料析水速率的测试。首先在实验室将按不同配比形成的粉煤灰胶体放置在分别设置为上述温度的恒温箱中,每隔一段时间将恒温箱中的胶体材料取出进行析水速率测试并将析水速率变化绘制成图,对比不同条件下胶体材料析水速率的变化。将每次析出水分质量与胶体材料中水分总质量相除,得出粉煤灰胶体析水率变化。由胶体材料析水率可得出胶体材料保水率,即:

式中:β——保水率,%;

α——析水率,%。

2.2胶体材料析水速率及析水率测试

（1）测试数据。在实验室以粉煤灰为骨料,对不同温度、不同配比下胶体材料析水速率和析水率随时间的变化进行了16组的试验研究,其中4组典型测试结果如图1所示,图中B表示20℃下析水速率,D表示30℃下析水速率,F表示50℃下析水速率,H表示70℃下析水速率,J表示20℃下析水率,L表示30℃下析水率,N表示50℃下析水率,P表示70℃下析水率。

（2）测试结果分析。由图1可知,粉煤灰胶体材料的析水速率在不同温度下随时间呈现不同的变化趋势,其析水率基本上随时间而逐步上升。其中20℃和30℃条件下析水速率随时间变化很小,其72 h析水率分别不超过5%和10%,在50℃条件下析水速率呈先增大后减小再增大然后逐渐减小的趋势,在70℃条件下析水速率随时间变化最为明显,呈先增大后减小的趋势。在50℃温度时,在PX0.75%、PAM0.375%配比下,析水速率最高达到0.9 g/h,72 h析水率为35.5%;随着PX增加至0.875%、PAM为0.75%时,析水速率最高值降低为0.8 g/h,72 h析水率降低为32.0%;而PX继续增加至1%、PAM0.375%配比下,析水速率最高值上升为1.1 g/h,72 h析水率升高为42.3%;而PX继续增加至1.125%、PAM0.75%配比下,析水速率最高值为1.0 g/h,72 h析水率又下降为34.9%。在70℃温度时,在PX0.75%、PAM0.375%配比下,析水速率最高达到2.1 g/h, 72 h析水率为73.3%;随着PX增加至0.875%、PAM为0.75%时,析水速率最高值降低为1.8 g/ h,72 h析水率降低为53.4%;而PX继续增加至1%、PAM为0.375%时,析水速率最高值上升为2.7 g/h,72 h析水率升高为65.9%;而PX继续增加至1.125%,PAM为0.75%时,析水速率最高值为2.5 g/h,析水率又升高为89.9%。

测试结果表明,粉煤灰胶体材料在连续72 h保持70℃温度下,胶体材料保水率基本在30%左右,最高为46.6%;在连续72 h保持50℃温度下,胶体材料保水率在65%左右,最高为68.0%;在连续72 h保持30℃温度下,胶体材料保水率在90%以上,最高为93.5%;在连续72 h保持20℃温度下,胶体材料保水率在95%以上,最高为98.5%。测试结果表明,当添加的PX为0.875%、PAM为0.75%,此时粉煤灰胶体材料析水率最低,保水性最好。

图1　不同配比下不同温度粉煤灰胶体材料析水速率、析水率变化图

3　胶体材料粘度测试方法及测试结果

胶体粘度直接影响胶体材料的扩散半径及注入压力、流量等参数的确定。测试时将按设计配比方案配置好的粉煤灰胶体材料利用微型搅拌机进行搅拌,搅拌均匀后将调平完成的旋转式粘度计深入至烧杯底部,并使旋转式粘度计的标度线处于胶体材料液面以下,3 min后读取胶体材料的粘度值。对不同配比情况胶体稳定后的粘度进行了测试,测试结果见表1。

表1　以粉煤灰为骨料的胶体材料粘度

4　胶体材料最佳充填配比的确定

经过实验室测试,以粉煤灰为骨料的胶体材料粘度为25～30 Pa·s时胶体材料注入效果较好,在此粘度范围内的胶体材料具有较好的流动性,可充分在巷道高冒区破碎煤体中流动,并停留在高冒区包裹破碎煤体,并且不会导致注入胶体材料大量流出和设备管路的堵塞。测试结果表明,按照最佳保水性配比形成的粉煤灰胶体粘度符合充填要求, 即PX0.875%、PAM0.75%为粉煤灰胶体的最佳充填配比。

5　胶体材料内部结构分析

在实验室对粉煤灰胶体材料样品进行了扫描电镜分析,可以看出粉煤灰胶体材料的孔隙在扫描电镜下显示十分清晰,由于孔隙的存在从而能够很好地将水储存其中,减少水分的析出。粉煤灰胶体吸收水分除靠颗粒之间的毛细管孔隙外,还在颗粒破碎球体的洞穴和蜂窝状孔隙内蓄水,因此粉煤灰胶体材料具有良好的保水性。扫描电镜下粉煤灰胶体材料放大100倍图像如图2所示。

图2　扫描电镜下粉煤灰胶体材料放大100倍图像

6　胶体充填材料的现场试验

2012年10月17日,在荆各庄矿井下9＃煤层0090工作面巷道高冒区进行了粉煤灰胶体材料和发泡水泥填充对比试验。将粉煤灰胶体材料按照确定的最佳配比混合搅拌后,使用风动充填泵在0090工作面联络巷36 m处高冒区注入50 kg粉煤灰胶体材料,无液体流出。在39.6 m处高冒区注入50 kg发泡水泥,无液体流出。经测量,充填之前的两个高冒区温度均为30℃左右,充填完成后,对两处充填钻孔温度分别进行了测试,测试数据见表2。井下实测温度数据表明,以粉煤灰为骨料的胶体材料在充填效果和降温方面明显优于直接充填发泡水泥,在粉煤灰胶体材料充填冒落空间的同时还降低了周围煤体的温度,可以有效防治松软煤层巷道火灾隐患。

表2　0090运输巷各充填钻孔温度变化数据　　℃

7　结论

经过对新型粉煤灰胶体材料各项参数的测试及分析,得出了粉煤灰胶体的最佳配比,此配比条件下粉煤灰胶体材料析水率低,保水性好、粘度等指标适宜现场应用,且井下充填施工方便、快捷,可以有效防治煤层巷道火灾隐患。和该矿充填高冒区使用的发泡水泥相比,粉煤灰胶体材料具有明显的成本及环保优势。试验成功后在该矿0090和2390等工作面煤巷高冒区进行了新型粉煤灰胶体的推广应用,取得了良好的安全和经济效益。

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（责任编辑张艳华）

The study of the gel of fire prevention and filling in the high roof falling area of coal roadway of thick coal seams liable to spontaneous heating

Wang Yuhuai1,2,Suo Hang1,Yu Bo1,Yang Zhongdong3,Wang Xuejun3,Wang Fengzhi3
（1.North China Institute of Science and Technology,Sanhe,Hebei 065201,China; 2. Hebei Provincial Key Laboratory of Mine Hazards Prevention,Sanhe,Hebei 065201,China; 3. Kailuan Group Co.,Ltd.,Tangshan,Hebei 063018,China）

AbstractIn order to prevent the serious hidden danger of coal spontaneous heating in high roof falling area of coal roadway in Jingezhuang Coal Mine,the new type material that the fly ash was the aggregate and the high molecular polymer and the biological gel material were the additive,which was used for filling in the high roof falling area,was developed.The water separating rates of fly ash and gel material under different ratio and temperature were tested,and then the corresponding water separating rate,water retention rate and the ratio of fly ash and gel material under optimal water retention rate were calculated;the viscosity of fly ash and gel material under different ratio was tested.According to the index of water retention rate and viscosity,the optimal ratio of fly ash and gel material was determined and the filling experiment of fly ash and gel material in the high roof falling area was carried out.

Key wordscoal roadway,high roof falling area,fly ash gel,filling material,water separating rate,water retention rate,viscosity

作者简介:王玉怀（1966－）,男,河北故城人,教授,博士,主要从事采矿及矿山安全研究工作。

基金项目:∗国家自然科学基金资助（U1361130）,中央高校基本科研业务费资助（3142015021,3142015071）

中图分类号TD753

文献标识码A