張利軍

（沁和能源集團(tuán)有限公司候村煤礦，山西 晉城 048000）

為解決沁和能源集團(tuán)煤化工基地粉煤灰排放問題，提出將粉煤灰充填到井下，使用粉煤灰替代黃土制成粉煤灰漿液，用于防滅火灌漿使用[1-6]。經(jīng)試驗(yàn)應(yīng)用取得了較好的防滅火效果。

1 工程概況

沁和能源集團(tuán)有限公司候村煤礦位于山西省晉城市沁水縣鄭村鎮(zhèn)候村，主要開采 3～15 號煤層，井田面積12.179 5 km2，設(shè)計生產(chǎn)能力120 萬t/a。候村煤礦3605 綜采工作面位于二采區(qū)南翼，主要開采15 號煤層，埋深284～386 m，工作面傾向長256 m，走向長1185 m，平均采高2.7 m，已回采440 m。采用傾斜長壁、綜合機(jī)械化、一次采全高、全部垮落法處理采空區(qū)頂板的采煤工藝。工作面上隅角CO 平均濃度7×10-5，回風(fēng)巷回風(fēng)流CO 平均濃度6×10-6。

候村煤礦15 煤層為容易自燃煤層，最短自然發(fā)火期35 d。3605 綜采工作面回采作業(yè)時，初采初放結(jié)束后老頂垮落，破碎煤柱氧化聚熱自燃，產(chǎn)生大量的CO 氣體，CO 氣體從15 煤層采空區(qū)涌出后造成本煤層3605 綜采工作面上隅角CO 平均濃度達(dá)到7×10-5，CO 濃度超限。為有效防止采空區(qū)內(nèi)浮煤、破碎煤柱因氧化自燃問題導(dǎo)致影響15 煤層的正?；夭?，向15煤層采空區(qū)進(jìn)行連續(xù)性注氮和大量灌漿，有效地控制采空區(qū)內(nèi)浮煤、破碎煤柱氧化速度，確保本煤層3605 綜采工作面安全回采。

2 粉煤灰灌漿工藝

粉煤灰是燃煤電廠排出的主要固體廢棄物，是從煤燃燒后的煙氣中收捕下來的細(xì)灰，主要成分為SiO2、Al2O3、FeO、Fe2O3、CaO、TO2等。

采用粉煤灰（取代黃土）、水、工業(yè)鹽、懸浮劑和膠凝劑按相應(yīng)配比制成粉煤灰漿液，并通過礦井防滅火系統(tǒng)將粉煤灰漿液輸送至井下防滅火工作面，達(dá)到吸收熱量、填補(bǔ)煤巖裂隙、阻斷氧氣通道、實(shí)現(xiàn)防滅火的目的。

3 粉煤灰灌漿防滅火技術(shù)的設(shè)計

3.1 高溫煤體試驗(yàn)研究

為掌握粉煤灰漿液防滅火的使用效果，采用粉煤灰漿液和黃土漿液進(jìn)行高溫煤體對比試驗(yàn)。分別使用水土比為7:1 的黃土漿液和水灰比為5:1 的粉煤灰漿液處理相同質(zhì)量的高溫煤體。在實(shí)驗(yàn)開始時記錄1～2 次高溫煤體的溫度，之后每天記錄2～3 次溫度，當(dāng)煤體溫度不再變化時停止記錄。實(shí)驗(yàn)過程及溫度記錄如表1 和圖1。

表1 高溫煤體表面溫度（℃）與時間數(shù)據(jù)記錄表

圖1 高溫煤體表面溫度（℃）與時間變化曲線圖

從圖1 數(shù)據(jù)可知，在黃土漿液和粉煤灰漿液的作用下，煤體溫度均出現(xiàn)大幅度下降，兩者下降幅度幾乎重合，充分說明黃土漿液和粉煤灰漿液對煤體的降溫效果幾乎相同，都較為理想，相對來講粉煤灰漿液降溫速度緩慢于黃土漿液。

打開實(shí)驗(yàn)煤樣隔溫膜，觀察粉煤灰漿液和黃土漿液對煤塊的包裹效果，發(fā)現(xiàn)粉煤灰漿液和黃土漿液均能夠?qū)崿F(xiàn)對煤樣的包裹，粉煤灰在井下采空區(qū)使用時能夠起到隔絕氧氣的作用。

隔絕氧氣和降溫是消滅井下采空區(qū)高溫點(diǎn)的重要手段，分別從隔絕氧氣和降低煤溫兩個角度對粉煤灰漿液和黃土漿液滅火效果進(jìn)行了評估。粉煤灰漿液的滅火效果和黃土灌漿的滅火效果幾乎相同，而且經(jīng)濟(jì)成本更低，因此粉煤灰可以用于礦井防滅火灌漿。

3.2 井下灌注粉煤灰漿液試驗(yàn)

2021 年3 月19 日至3 月21 日，在地面灌漿站進(jìn)行粉煤灰灌注試驗(yàn)。灌漿系統(tǒng)結(jié)果如圖2。灌漿期間，通過上斜口向漿液添加工業(yè)鹽、懸浮劑。由于制漿機(jī)的進(jìn)料速率和注水速率是設(shè)定的，灌漿時，通過調(diào)整皮帶輸送機(jī)的運(yùn)行速度和時間來調(diào)整粉煤灰和水的比例。灌漿管路為4 寸鋼管，灌漿距離為2400 m，垂高為400 m。

圖2 灌漿系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

在地面灌漿站進(jìn)行粉煤灰灌漿試驗(yàn)時水灰比分別為8:1、7:1、6:1、5:1、4:1，試驗(yàn)期間漿液狀態(tài)如圖3。當(dāng)水灰比為5:1 時，灌注速率開始下降，漿液池液面出現(xiàn)升高現(xiàn)象。經(jīng)分析，這是由于粉煤灰濃度逐漸升高，黏稠度逐漸增大，管路輸送粉煤灰漿液的能力下降導(dǎo)致的。當(dāng)水灰比為4:1 時，必須開啟加壓泵向注漿管路加壓才能確保漿液面不繼續(xù)升高。通過現(xiàn)場提取漿液分析，灌注粉煤灰最佳的水灰比約為5:1。

圖3 不同水灰比條件下漿液狀態(tài)圖

4 灌注粉煤灰漿液注意事項

（1）為防止注漿管路被堵，在灌注粉煤灰前后必須及時開啟加壓泵用清水沖洗管路30 min。

（2）為確保粉煤灰漿液飽和濃度，防止堵管，需對粉煤灰成分及化學(xué)性質(zhì)進(jìn)行鑒定，選擇與所使用的粉煤灰特性匹配的化學(xué)懸浮劑。

（3）為有效提高粉煤灰漿液防滅火效果，應(yīng)添加膠凝劑等材料。

5 成本對比

根據(jù)灌注粉煤灰需要的原材料的單價，計算灌注粉煤灰的單價。

（1）灌注粉煤灰漿液需要的懸浮劑價格為6800 元/t，工 業(yè) 鹽700 元/t，水 費(fèi)7.4 元/m3，粉煤灰運(yùn)費(fèi)13 元/t，粉煤灰漿液的水灰比為5:1，粉煤灰堆積密度為0.8 g/cm3，懸浮劑和工業(yè)鹽添加比例各按1%計算。以1 m3粉煤灰為例，粉煤灰運(yùn)費(fèi)10.4 元，水費(fèi)29.6 元，工業(yè)鹽和懸浮劑135 元，電費(fèi)0.35 元，共計175.35 元。1 m3粉煤灰可以制作6 m3粉煤灰漿液，所以1 m3漿液制作成本為29.22 元。

（2）黃土灌漿成本計算。以1 m3黃土為例，黃土的密度是1.6 g/cm3，價格為97 元/t，即1 m3黃土的成本為155.2 元；黃土漿水土比為7:1，水費(fèi)為51.8 元；懸浮劑添加比例為1%，費(fèi)用為584.8 元；電費(fèi)0.8 元。共計792.6 元。1 m3黃土可以制作8 m3黃土漿液，所以1 m3黃土漿液制作成本為99.08 元。

6 結(jié)論

候村煤礦3605 工作面采用地面固定式灌漿及注膠防滅火系統(tǒng)可輸送最大水灰比為5:1 的粉煤灰漿，配制水灰比為5:1 的粉煤灰漿在隔絕氧氣和降低煤溫上和黃土漿液的效果相當(dāng)。根據(jù)環(huán)保要求，黃土取用將受到很大限制，因此利用粉煤灰替代黃土，可顯著節(jié)約成本并處理固體廢棄物，選用粉煤灰作為礦井防滅火灌漿新材料值得推廣使用。