复合胶体在煤田火区治理中的应用

张小刚

摘 要： 以名佳煤矿火区治理为实例，从材料特性、方案设计与实施、效果评价几个方面介绍了复合胶体在名佳煤矿火区治理中的应用，为我国煤田火区治理在材料选择上提供一些参考。

关键词： 复合胶体;注浆钻孔施工;火区治理

【中图分类号】TD754     【文献标识码】B     【文章编号】1674-3733（2020）13-0223-01

煤炭作为一种重要的能源资源， 是人类社会得以发展的重要物质基础，新疆煤炭资源总量位居全国第一，是我国重要的能源基地。然而，新疆地区也是煤田火区最为严重的省区之一，煤田火区不仅破坏生态环境，引发地质灾害，而且严重影响着当地经济的发展。

为加快新疆煤田火区灭火进度，新疆煤田地质局综合地质勘查队于 2018年引入西安森兰科贸有限责任公司研发的复合胶体材料，应用于名佳煤矿火区治理并取得了显著成效，现就复合胶体在灭火工程中的应用进行分析和介绍。

1 复合胶体材料概述

复合胶体材料具有极强的亲水性，与水接触后可改变水的物理形态，使常态水失去流动性，显现出极高的固水锁水能力。复合胶体与黄泥浆复配使用，可以显著提高浆体浓度，减少管路堵塞几率，提高灌浆效率和灌浆质量，其作用过程主要在于复合胶体材料与水螯合，形成三维网状结构的水凝胶流体，可将浆体中的黄土颗粒吸附包裹，形成匀质流体泥浆，此过程中泥浆粘度低、流动性好、流速快，具有较高的稳定性，黄土不会沉淀。这种复合胶体灭火材料主要有以下几个特点：（1）固水性，即易流动的水被固结起来，充分发挥水的灭火作用。复合黄泥浆沉积物固水率超过 50%，相比普通黄泥浆具备更好的降温性能，提升水的利用率，提高防灭火效果。（2）初始状态具有一定流动性，通过泵压可以在一定范围内扩散、渗透至煤岩体的孔隙和裂隙中，起到封堵漏风、隔绝煤氧接触的作用。（3）具有良好的吸热性，且灭火时不会产生大量水蒸气。胶体材料中 99%以上是被束缚的水，所以它有很大的热容，可吸收大量热，使煤温下降。水凝胶和黄土形成的沉积物可以耐受上千度的高温不会迅速汽化，缓慢失水可对火区持续降温，即使在高温脱水后，遗留固体物仍能滞留在煤岩层中起到封堵、隔绝作用，控制火的蔓延。

2 复合胶体应用

2.1 注浆钻孔施工。（1）根据《煤田火区灭火规范》中灭火孔布孔原则和《新疆乌鲁木齐县名佳煤矿火区详细勘查报告》，由于该火區内地表裂隙发育、面积较大、燃烧深度较深、燃烧煤层属急倾斜煤层、煤层厚度大且煤层间距较小，为有效治理名佳煤矿火区灾害问题，根据岩石裂隙率及浆液扩散半径，结合综合地质勘查队多年的灭火施工经验，针对不同区域的特点分别确定孔线间距。钻孔呈三花型、深浅交错布置，根据钻孔所在位置，终孔位于火区底边界上部 5 m、厚煤层中部、薄煤层顶板上部 5 m，钻孔孔径为 123 mm，间距为 8 m。（2）钻孔施工应尽可能保证钻孔壁完整，钻孔施工完成后全孔下套管，套管管径为 108 mm，除孔口封孔段外其余均为花管。（3）花管下至钻孔底部，孔口以下 2 m 范围下实管;将套管周围进行清理，清理深度 0.5～1.0 m，充填封堵材料，封闭花管周围空隙;外露套管安装注浆接头，以便后续连接注浆管路进行注水、注浆施工。钻孔布置如图 1 所示。

2.2 复合胶体复配制浆。复合泥浆浆液主要由水、黄土和复合胶体组成，复合胶体的使用量应根据充填区域煤岩孔隙率、现场黄土土质、输送管路长度及输送泵性能等因素综合考虑并试验确定。取现场制浆用水、黄土样品与复合胶体进行复配试验，根据实验数据确定适宜的配浆比例。根据灭火施工现场试验数据：水土体积比为 1∶1，即每 1 m3泥浆需水 0.7 m3、±0.7 m3，同时每 1 m3泥浆添加 1.1 kg 复合胶体。

黄土经筛分，除去杂质和颗粒后按比例与水混合，通过制浆装置搅拌均匀;搅拌均匀的泥浆用高粘度泵进行输送，同时在输送管路上设置复合胶体添加泵，将复合胶体按量添加到泥浆中，通过注浆管注入防灭火区域。泥浆浓度每 2 h 测定 1次，可通过观测孔随时进行观测和抽样检测。制浆流程如图 2 所示。

2.3 注浆施工。钻探结束后，以钻孔为中心对燃烧煤层进行注水降温和注浆封闭。注水原则是先高温区后低温区;间歇性注水，保证水的充分汽化。连接供水管路先对火区周边的高温裂隙注水;在注水过程中，应不断变动注水位置，当温度达到要求后，逐步向火区中间推进。注水后，通过钻孔对煤、岩、气体温度进行监测，对在停止注水48 h 后，温度稳定在 100℃以下的钻孔实施灭火注浆。注浆施工按照先外围后中心，先深孔后浅孔，间歇性注浆的原则进行。连接注浆管路注浆，对火区进行封闭施工，待钻孔注浆完毕，使用水泥浆对钻孔进行封孔。

2.4 表层覆土施工。注浆结束后，通过检测钻孔对注浆区域的煤、岩、气体温度进行监测，当数据符合火区熄灭判定标准并持续稳定后，对该区域实施黄土覆盖，并使用推土机压实，后续进行植被复耕。

3 监测效果

通过对监测数据的分析、对比，火区在注入添加复合胶体的黄泥浆后，温度降低速率较普通黄泥浆有明显的提升，且各项指标均处于稳定状态，体现出复合胶体具有优良的灭火性能，不仅有效地控制了火区，而且能够持久的惰化火区，防止火区蔓延。

结语

复合胶体在名佳煤矿火区治理工作中的成功应用，为加快新疆煤田火区灭火进度提供了新的方法和思路。在以后煤田火区治理工作中，以本次应用实例为基础，通过优化设计和工艺，充分发挥复合胶体材料的灭火性能，推进新疆煤田火区治理进程。

参考文献

[1] 白边疆，杜建林，李洪杰.复合胶体在煤田火区治理中的应用[J].能源技术与管理，2020，45（03）：118-119.

[2] 甘元平，王宝群.粉煤灰复合胶体在火区治理中的应用[J].陕西煤炭，2019，38（04）：172-175+150.