王玉懷索 航余 博楊忠東王學(xué)俊王風(fēng)志（.華北科技學(xué)院,河北省三河市,06520; 2.河北省礦井災(zāi)害防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,河北省三河市,06520; .開(kāi)灤（集團(tuán)）有限責(zé)任公司,河北省唐山市,0608）

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自燃厚煤層煤巷高冒區(qū)充填防滅火膠體研究及其應(yīng)用?

王玉懷1,2索 航1余 博1楊忠東3王學(xué)俊3王風(fēng)志3
（1.華北科技學(xué)院,河北省三河市,065201; 2.河北省礦井災(zāi)害防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,河北省三河市,065201; 3.開(kāi)灤（集團(tuán)）有限責(zé)任公司,河北省唐山市,063018）

摘要為防治荊各莊礦煤巷高冒區(qū)嚴(yán)重的自然發(fā)火隱患,以該礦充填使用的粉煤灰為骨料,通過(guò)添加高分子聚合物和生物膠體材料,研制出了高冒區(qū)充填新型粉煤灰膠體材料。測(cè)試了不同配比、不同溫度下粉煤灰膠體材料的析水速率,計(jì)算出相應(yīng)的析水率和保水率及粉煤灰充填膠體材料最佳保水率配比;測(cè)試了不同配比情況下粉煤灰充填膠體材料的粘度。根據(jù)保水率和粘度指標(biāo)確定了粉煤灰膠體材料的最佳充填配比并進(jìn)行了井下高冒區(qū)充填試驗(yàn)。

關(guān)鍵詞煤巷 高冒區(qū) 粉煤灰膠體 充填材料 析水速率 保水率 粘度

荊各莊煤礦核定生產(chǎn)能力為195萬(wàn)t/a,采用立井多水平開(kāi)拓,中央并列式通風(fēng)。近年來(lái),由于儲(chǔ)量逐年減少,礦井開(kāi)始挖潛復(fù)采邊角煤和煤柱,挖潛復(fù)采工作主要集中在9＃煤層。9＃煤層屬自燃煤層,平均厚度7.5 m。由于煤層存在眾多的斷層、老硐室及采空區(qū),挖潛巷道掘進(jìn)期間頂煤破碎造成冒頂,出現(xiàn)大量頂空現(xiàn)象,使煤層存在嚴(yán)重的自然發(fā)火隱患。據(jù)統(tǒng)計(jì),荊各莊礦80%以上的火災(zāi)隱患發(fā)生在9＃煤層巷道,尤其是巷道高冒區(qū)。為治理9＃煤層巷道自然發(fā)火隱患,荊各莊礦采用灌注粉煤灰和發(fā)泡水泥對(duì)巷道高冒區(qū)進(jìn)行充填,但存在充填粉煤灰效果差、充填發(fā)泡水泥成本高等問(wèn)題,為此需要研發(fā)一種效果好、成本低的新型充填材料以防治該礦煤巷高冒區(qū)的火災(zāi)隱患。

1　膠體材料選取

目前煤礦井下應(yīng)用的防治煤炭自燃的主要技術(shù)有注水、灌漿、堵漏、惰化和注膠等,其中膠體滅火技術(shù)是20世紀(jì)90年代興起的一種滅火技術(shù),現(xiàn)已發(fā)展成為防治煤炭自燃主要的技術(shù)手段之一。適用于礦井防滅火的膠體應(yīng)符合無(wú)毒無(wú)害、無(wú)異味、無(wú)腐蝕、無(wú)污染,滲透性能好,具有良好的耐高溫性,在高溫下不會(huì)迅速汽化,且吸熱降溫性能好,具有較好的堵漏性、阻化性和降溫性,能夠起到阻止煤炭氧化和降溫的作用,且施工方便、使用成本低的特點(diǎn)。

1.1膠體骨料選擇

荊各莊礦井下煤巷道高冒區(qū)主要充填材料為附近陡河電廠生產(chǎn)的粉煤灰和唐山開(kāi)灤廣匯公司生產(chǎn)的發(fā)泡水泥。考慮到使用方便和材料成本,確定以陡河電廠生產(chǎn)的粉煤灰作為骨料研制充填膠體材料,其化學(xué)成分含量分別為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%燒失量。

1.2膠體材料添加劑選擇

目前制作膠體材料的主要添加劑是聚丙烯酰胺（PAM）,PAM具有絮凝性、粘合性、降阻性、增稠性,其絮凝作用能使體系中的懸浮物質(zhì)通過(guò)電中和,起到架橋吸附作用。試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)加入PAM的水溶液為接近透明粘稠液體,粘度較低,與粉煤灰混合攪拌后易發(fā)生沉降,無(wú)法形成均勻膠體。試驗(yàn)表明生物膠體材料（PX）和PAM混合濃度達(dá)到一定比例可以增加膠體粘度,從而增強(qiáng)膠體的穩(wěn)定性。因此,膠體材料添加劑確定為PX和PAM。

2　膠體材料保水性能測(cè)試

2.1膠體材料析水速率、析水率與保水率

經(jīng)過(guò)前期試驗(yàn)確定每組試驗(yàn)的粉煤灰為90 g,水為150 g,然后按照不同比例添加PAM和PX后攪拌形成粉煤灰膠體。在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行20℃、30℃、50℃、70℃等不同溫度下的粉煤灰膠體材料析水速率的測(cè)試。首先在實(shí)驗(yàn)室將按不同配比形成的粉煤灰膠體放置在分別設(shè)置為上述溫度的恒溫箱中,每隔一段時(shí)間將恒溫箱中的膠體材料取出進(jìn)行析水速率測(cè)試并將析水速率變化繪制成圖,對(duì)比不同條件下膠體材料析水速率的變化。將每次析出水分質(zhì)量與膠體材料中水分總質(zhì)量相除,得出粉煤灰膠體析水率變化。由膠體材料析水率可得出膠體材料保水率,即:

式中:β——保水率,%;

α——析水率,%。

2.2膠體材料析水速率及析水率測(cè)試

（1）測(cè)試數(shù)據(jù)。在實(shí)驗(yàn)室以粉煤灰為骨料,對(duì)不同溫度、不同配比下膠體材料析水速率和析水率隨時(shí)間的變化進(jìn)行了16組的試驗(yàn)研究,其中4組典型測(cè)試結(jié)果如圖1所示,圖中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）測(cè)試結(jié)果分析。由圖1可知,粉煤灰膠體材料的析水速率在不同溫度下隨時(shí)間呈現(xiàn)不同的變化趨勢(shì),其析水率基本上隨時(shí)間而逐步上升。其中20℃和30℃條件下析水速率隨時(shí)間變化很小,其72 h析水率分別不超過(guò)5%和10%,在50℃條件下析水速率呈先增大后減小再增大然后逐漸減小的趨勢(shì),在70℃條件下析水速率隨時(shí)間變化最為明顯,呈先增大后減小的趨勢(shì)。在50℃溫度時(shí),在PX0.75%、PAM0.375%配比下,析水速率最高達(dá)到0.9 g/h,72 h析水率為35.5%;隨著PX增加至0.875%、PAM為0.75%時(shí),析水速率最高值降低為0.8 g/h,72 h析水率降低為32.0%;而PX繼續(xù)增加至1%、PAM0.375%配比下,析水速率最高值上升為1.1 g/h,72 h析水率升高為42.3%;而PX繼續(xù)增加至1.125%、PAM0.75%配比下,析水速率最高值為1.0 g/h,72 h析水率又下降為34.9%。在70℃溫度時(shí),在PX0.75%、PAM0.375%配比下,析水速率最高達(dá)到2.1 g/h, 72 h析水率為73.3%;隨著PX增加至0.875%、PAM為0.75%時(shí),析水速率最高值降低為1.8 g/ h,72 h析水率降低為53.4%;而PX繼續(xù)增加至1%、PAM為0.375%時(shí),析水速率最高值上升為2.7 g/h,72 h析水率升高為65.9%;而PX繼續(xù)增加至1.125%,PAM為0.75%時(shí),析水速率最高值為2.5 g/h,析水率又升高為89.9%。

測(cè)試結(jié)果表明,粉煤灰膠體材料在連續(xù)72 h保持70℃溫度下,膠體材料保水率基本在30%左右,最高為46.6%;在連續(xù)72 h保持50℃溫度下,膠體材料保水率在65%左右,最高為68.0%;在連續(xù)72 h保持30℃溫度下,膠體材料保水率在90%以上,最高為93.5%;在連續(xù)72 h保持20℃溫度下,膠體材料保水率在95%以上,最高為98.5%。測(cè)試結(jié)果表明,當(dāng)添加的PX為0.875%、PAM為0.75%,此時(shí)粉煤灰膠體材料析水率最低,保水性最好。

圖1　不同配比下不同溫度粉煤灰膠體材料析水速率、析水率變化圖

3　膠體材料粘度測(cè)試方法及測(cè)試結(jié)果

膠體粘度直接影響膠體材料的擴(kuò)散半徑及注入壓力、流量等參數(shù)的確定。測(cè)試時(shí)將按設(shè)計(jì)配比方案配置好的粉煤灰膠體材料利用微型攪拌機(jī)進(jìn)行攪拌,攪拌均勻后將調(diào)平完成的旋轉(zhuǎn)式粘度計(jì)深入至燒杯底部,并使旋轉(zhuǎn)式粘度計(jì)的標(biāo)度線處于膠體材料液面以下,3 min后讀取膠體材料的粘度值。對(duì)不同配比情況膠體穩(wěn)定后的粘度進(jìn)行了測(cè)試,測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1。

表1　以粉煤灰為骨料的膠體材料粘度

4　膠體材料最佳充填配比的確定

經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)室測(cè)試,以粉煤灰為骨料的膠體材料粘度為25～30 Pa·s時(shí)膠體材料注入效果較好,在此粘度范圍內(nèi)的膠體材料具有較好的流動(dòng)性,可充分在巷道高冒區(qū)破碎煤體中流動(dòng),并停留在高冒區(qū)包裹破碎煤體,并且不會(huì)導(dǎo)致注入膠體材料大量流出和設(shè)備管路的堵塞。測(cè)試結(jié)果表明,按照最佳保水性配比形成的粉煤灰膠體粘度符合充填要求, 即PX0.875%、PAM0.75%為粉煤灰膠體的最佳充填配比。

5　膠體材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)分析

在實(shí)驗(yàn)室對(duì)粉煤灰膠體材料樣品進(jìn)行了掃描電鏡分析,可以看出粉煤灰膠體材料的孔隙在掃描電鏡下顯示十分清晰,由于孔隙的存在從而能夠很好地將水儲(chǔ)存其中,減少水分的析出。粉煤灰膠體吸收水分除靠顆粒之間的毛細(xì)管孔隙外,還在顆粒破碎球體的洞穴和蜂窩狀孔隙內(nèi)蓄水,因此粉煤灰膠體材料具有良好的保水性。掃描電鏡下粉煤灰膠體材料放大100倍圖像如圖2所示。

圖2　掃描電鏡下粉煤灰膠體材料放大100倍圖像

6　膠體充填材料的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

2012年10月17日,在荊各莊礦井下9＃煤層0090工作面巷道高冒區(qū)進(jìn)行了粉煤灰膠體材料和發(fā)泡水泥填充對(duì)比試驗(yàn)。將粉煤灰膠體材料按照確定的最佳配比混合攪拌后,使用風(fēng)動(dòng)充填泵在0090工作面聯(lián)絡(luò)巷36 m處高冒區(qū)注入50 kg粉煤灰膠體材料,無(wú)液體流出。在39.6 m處高冒區(qū)注入50 kg發(fā)泡水泥,無(wú)液體流出。經(jīng)測(cè)量,充填之前的兩個(gè)高冒區(qū)溫度均為30℃左右,充填完成后,對(duì)兩處充填鉆孔溫度分別進(jìn)行了測(cè)試,測(cè)試數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。井下實(shí)測(cè)溫度數(shù)據(jù)表明,以粉煤灰為骨料的膠體材料在充填效果和降溫方面明顯優(yōu)于直接充填發(fā)泡水泥,在粉煤灰膠體材料充填冒落空間的同時(shí)還降低了周圍煤體的溫度,可以有效防治松軟煤層巷道火災(zāi)隱患。

表2　0090運(yùn)輸巷各充填鉆孔溫度變化數(shù)據(jù)　　℃

7　結(jié)論

經(jīng)過(guò)對(duì)新型粉煤灰膠體材料各項(xiàng)參數(shù)的測(cè)試及分析,得出了粉煤灰膠體的最佳配比,此配比條件下粉煤灰膠體材料析水率低,保水性好、粘度等指標(biāo)適宜現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用,且井下充填施工方便、快捷,可以有效防治煤層巷道火災(zāi)隱患。和該礦充填高冒區(qū)使用的發(fā)泡水泥相比,粉煤灰膠體材料具有明顯的成本及環(huán)保優(yōu)勢(shì)。試驗(yàn)成功后在該礦0090和2390等工作面煤巷高冒區(qū)進(jìn)行了新型粉煤灰膠體的推廣應(yīng)用,取得了良好的安全和經(jīng)濟(jì)效益。

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（責(zé)任編輯張艷華）

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

作者簡(jiǎn)介:王玉懷（1966－）,男,河北故城人,教授,博士,主要從事采礦及礦山安全研究工作。

基金項(xiàng)目:?國(guó)家自然科學(xué)基金資助（U1361130）,中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)資助（3142015021,3142015071）

中圖分類號(hào)TD753

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A