改良型复合浆液在地表渣台火区的应用

王 刚

（1.辽宁工程技术大学，辽宁 阜新123000；2.煤科集团沈阳研究院有限公司，辽宁 抚顺113122；3.煤矿安全技术国家重点实验室，辽宁 抚顺113122）

黑岱沟露天煤矿位于内蒙古自治区鄂尔多斯市准格尔旗格尔煤田北部中间位置，常年气候干燥、煤炭自然发火严重，为回收黑岱沟露天矿首采区边帮6#煤层，计划布置南帮S01 工作面和西帮W01 2个井工生产工作面。首采区西边帮压煤区由西边帮、南帮煤层底板境界线和矿权界线包围形成，其形态呈“L”型狭长条带，S01 工作面一侧煤壁裸露于露天矿预留坑内，工作面采用“L”型布置方式且主运巷和辅运巷断面形状均为矩形，净宽5.5 m，净高3.6 m，采用锚网索支护方式。由于南帮S01 工作面上部在原始露天开采过程中经过回填处理，回填面积大且松散回填体中含有煤矸石及部分遗留煤块，松散回填体中的遗煤在漏风供氧条件下缓慢发生氧化导致蓄热自燃，故南帮S01 工作面上覆松散体火区对工作面安全回采构成威胁。针对上述松散体火区实际状况，应考虑对注入松散体的传统黄泥浆特性进行改良，引入阴离子表面活性剂[1]减小固液接触角、表面张力使其具有良好的动力特性以及润湿性[2]和起泡性以达到有效治理火区的目的。目前国内缺少针对注浆防灭火特性的研究，但业内比较有代表性的有中国矿业大学的三相泡沫防灭火技术和中国煤炭科工集团重庆研究院有限公司研究的高倍数泡沫防灭火技术，两者都是基于浆液为载体进行的，以此达到取得稳定性强、保湿性、隔氧性强的泡沫。受此启发，由于传统的黄泥浆灭火技术保湿性、隔氧和浆液流动性差且浆液不能大面积覆盖火区，故针对传统浆液的暴露的缺点有针对性进行改良使其改良后的复合浆液具有良好的润湿性，其降温、隔氧效果好，加之其在微小的裂隙中具有良好的流动特性，可以将复合浆液带入松散体内部各微小裂隙处，并在高温表面形成持续润湿，起到隔氧降温的作用，从而提高大面积火区的应用性。

1 工程概况

1.1 南帮S01 工作面上覆松散体火区范围

南帮S01 工作面呈条状分布，走向长约900 m，最宽处约150 m。其上覆松散体北侧为露天剥离坑，为露天状态，南侧为部分剥挖回填区及部分原始山体。松散体火区与下覆工作面垂直距离最近约50 m。由于距离较近，初步考虑切眼与探测的高温区域之间留有一段安全隔离煤柱，使得火区内明火在煤层开采后不会直接进入到S01 工作面。为防止工作面开采后上覆松散体产生的有毒有害气体在负压通风的作用下通过发育的微小裂隙到达井下工作面，利用红外热像仪初步对火区范围进行勘察来确定火区范围，最后在集中的高温区域注入改良后的黄泥浆液来达到火区治理的目的。S01 工作面上覆松散体高温区域圈定范围面积分布情况如图1。

图1 火区面积范围Fig.1 Fire area

1.2 南帮S01 工作面上覆松散体高温区域

通过设计的松散体高温区域钻孔，结合钻孔内气体取样测定结果和测温结果可知，钻孔内CO 气体浓度在10×10-6左右，且温度保持在50～60 ℃左右水平，并无C2H4、C2H2等有害气体产生，且钻孔内氧气浓度相对较低。分析可能原因是地表松散体内遗煤在微裂隙通道的漏风供氧状态下氧化产生低浓度有害气体，整个松散体高温区域风量、热量交换处于动态平衡状态。如果松散体裂隙进一步发育则会导致整个高温区域松散体遗煤处于加速氧化阶段，进而导致完全自燃。所以，在松散体遗煤尚未达到加速氧化状态前应对工作面上覆高温区域进行针对性治理，以消除回采过程中对人员造成的威胁。针对渣台火区的治理，普通的注浆、注水等防灭火措施对高温区域的治理虽然有效果，但温度容易反弹到较高水平，需对钻孔不断进行注水注浆，且水、浆液容易沿着固定路径流动导致防灭火效果并不十分理想。因此，对传统的黄泥浆进行性能改良，使其具有良好的动力学特性及黏附润湿性来达到快速治理火区的效果。

2 实验部分

主要原料为十二烷基苯磺酸钠（0.2%），聚丙烯酰胺（PAM）MW1000 万阴离子，气泡剂A，添加剂B，聚丙二醇（PPG-2000），黄土，水等。主要仪器为精密电子分析天平、量筒、ZNN-D12 高精度数字黏度计、S312 搅拌器、计时器、水滴角测试仪、SITA 表面张力仪等。根据实验需要，分别将黄泥浆溶液制成单一的黄土、水混合型普通浆液和添加实验试剂的改良型复合型浆液。实验过程将环境温度控制恒定，当S312 搅拌器处于某一转速时，使用ZNN-D12高精度数字黏度计测量出2 种复合浆液的黏度[3]。各取1 000 mL 体积上述浆液置于密闭量筒中观察浆液泡沫的半衰期[4]并用计时器记录下来，以泡沫体积来表征复合浆液的起泡性能。最后运用水滴角测试仪和SITA 表面张力仪对所配复合浆液进行实验参数测定，找出某一配比下复合浆液具有的最佳起泡性、毛细动力特性、铺展及黏附润湿性。

2.1 十二烷基硫酸钠量对浆液起泡性能的影响

实验过程中在一定范围内随着十二烷基苯磺钠浓度的增加，复合浆液的起泡能力、半衰期随之增加，超出某一值后会抑制浆液起泡能力。分析可能是高能浓度配比下使得泡沫的稳定性变差、导致泡沫析出加快，十二烷基苯磺酸钠用量与泡沫起泡能力关系如图2。整体而言，在一定浓度范围内，泡沫的半衰期与起泡能力均与十二烷基苯磺钠浓度呈正比例关系，过量后呈抑制下降趋势，不同十二烷基苯磺酸钠与泡沫半衰期关系如图3。

图2 十二烷基苯磺酸钠用量与泡沫起泡能力关系Fig.2 The relationship between the amount of sodium dodecyl benzene sulfonate and foam foaming ability

图3 不同十二烷基苯磺酸钠与泡沫半衰期关系Fig.3 The relationship between different sodium dodecyl benzene sulfonate and foam half-life

2.2 聚丙烯酰胺（PAM）量对浆液的起泡能力的影响

由于聚丙烯酰胺（PAM）加入复合浆液后会减少浆液内部的分子摩擦阻力[5]，在一定范围内浆液的起泡性能随着内部摩擦力变小有所提高，同时复合浆液的内部摩擦力减小后使得其在微小裂隙的毛细动力现象更突出，可以使溶液极大化充填微小松散体裂隙。值得指出的是浆液的起泡性能随着聚丙烯酰胺的高浓度存在其发泡效果并不突出，超出某范围后其抑制效果表现更明显。分析原因可能是高浓度的聚丙烯酰胺溶于水后形成凝胶物质[6]阻碍浆液的发泡性所致，因此考虑在添加聚丙酰胺时应控制好其合理的浓度范围。

2.3 复合浆液的表面张力及接触角特性

由于液体具有毛细动力现象，液体在微小管内液面上升的高度h 符合下式：

式中：δ 为表面张力系数，N/m；θ 为液面与管壁接触角，度；R 为细管半径，m；ρ 为液体密度，kg/m3；g 为重力加速度，m/s2。

通过式（1）可知实验用复合浆液应减小固液接触角、增大表面张力，使得溶液的毛细动力现象更明显、液面上升高度最大化，在工程运用过程中复合浆液能够通过微小裂隙对区域进行高低位立体润湿覆盖[7]，最优化达到治理高温效果。

实验过程中取所配复合浆液和普通溶液置于观察台，用注射器（外径0.5 mm）取2 种溶液并靠重力作用缓缓自然地滴落在放有煤体的玻璃片上使其形成水滴泡，再利用水滴角测试仪及SITA 表面张力仪分别对液滴的接触角、表面张力进行测定[8]。水滴角测试仪法是将仪器插上电源后打开电脑，双击桌面上的应用程序进入主界面，接着点击界面上的活动图象按钮可以看到摄像头拍摄的观察台上的图象。将微量注射器固定在观察台上方，根据距离适当调整摄像头焦距（测小液滴接触角时通常调到2～2.5倍），最后用注射器压出液体。SITA 表面张力仪是运用气泡压力法原理对复合浆液的表面张力进行测定[9]。室温条件下，普通黄泥浆液与煤体实验条件下接触角如图4，改良黄泥浆液与煤体实验条件下接触角如图5，实验条件下2 种不同浓度浆液的表面张力如图6。

图4 普通黄泥浆液与煤体实验条件下接触角Fig.4 The contact angle between ordinary yellow mud slurry and coal body under experimental conditions

通过实验可知，经改良后的复合浆液其固液接触角较传统型黄泥浆有大幅降低，表面张力有所提高，其黏附、铺展润湿能力亦相应较强[10]，传统黄泥浆液滴低落在煤体上会有滚动等疏水特征，改良后的浆液则黏附润湿能力更强，相同实验条件下改良后的复合浆液毛细动力现象也更为明显[11]。值得注意的是，复合浆液的毛细动力现象并非与固液接触角呈明显线性相关性，在同等实验条件下其更易受到表面张力影响。由于煤体表面具有不均匀性，对接触角及表面张力的测定会有误差，故应多测定几次取其平均值。

图5 改良黄泥浆液与煤体实验条件下接触角Fig.5 The contact angle between the modified yellow mud slurry and coal body

图6 实验条件下2 种不同浓度浆液的表面张力Fig.6 Surface tension of two different concentrations of slurry under experimental conditions

2.4 实验结果

1）在一定浓度范围内，添加具有发泡特性的阴离子表面活性剂的黄泥浆液能够大幅提高发泡能力，且泡沫的半衰期较持久。

2）实验过程中方发现添加剂的使用量与产生的效果并非呈线性相关，在一定剂量内能够起到优化浆液效果的作用，比如增强浆液发泡性、泡沫具有持久性、浆液黏度适中等等。当使用量超出某一定值后反而抑制其发泡效果，导致堆积的泡沫不稳定且连续产生的气泡带来的内生动力会冲击上覆气泡导致泡沫液膜破裂。

3）改良后的浆液其内部分子摩擦力有所减小、溶液黏度保持合理，其发泡性能和气泡的稳定性得到提高，同时改良后的浆液其接触角和表面张力改变后使得浆液具有更强的毛细动力特征和润湿特性，能够大幅度充填微小裂隙。

3 工程实践

3.1 南帮S01 工作面上覆松散体火区治理

S01 工作面上覆松散体火区计划通过施工的密集地表钻孔压注改良后的复合浆液，单孔每天压注量为300 L，治理后在很短的时间内火区温度较之前钻孔孔口测温结果相比呈明显下降趋势，防灭火效果显著。因为经改良的复合浆液不同于单一黄泥浆，其具有更强的流动特性，毛细动力特性得到大幅提到，能够快速沿地表微小裂隙渗透至深部，且在下部能够黏附润湿高温煤体。不仅能起到填充、封堵、隔氧作用还具有保湿性，在短时间内使地表高温区域得到有效控制。

3.2 南帮S01 工作面上覆松散体火区治理效果

工作面上覆松散体经初次压注复合浆液治理后钻孔内温度有显著下降趋势，孔内基本无CO 气体等火灾标志性气体，治理前1#钻孔孔口温度变化如图7，治理后1#钻孔孔口温度变化如图8。

图7 治理前1#钻孔孔口温度曲线图Fig.7 Temperature curve of 1# borehole before treatment

图8 治理后1#钻孔孔口温度曲线图Fig.8 Temperature curve of 1# borehole after treatment

4 结 语

1）相比于普通注水、灌浆等防灭火措施，松散体高温区压注复合浆液治理后短时间内使得松散体微小裂隙被浆液充填、漏风减少、高温煤体被浆液所润湿、温度大幅降低，说明复合浆液发泡性能、堆积性、润湿性及毛细动力特性在隔氧、堵漏、润湿降温方面表现比传统黄泥浆要好。

2）实施复合浆液后松散体温度迅速得到有效控制，在短期内未发现反弹迹象，但在实际压注运用过程中其流动性没有水好，对黄泥的粒度要求较高，全面推广仍有局限性。

3）松散体内煤体表面微小接触复合浆液后在毛细动力作用下能迅速形成含水的液膜并铺展开来，起到隔氧气、润湿、降温作用。

4）能否以泡沫为载体同时利用毛细动力现象将下部液体传递至孔隙深处尚不清楚，仍有待研究。