利用稠化泥漿防治采空區煤炭自燃技術方案

作者：佚名 2011-05-17 20:53 來源：本站原創

利用稠化泥漿防治采空區煤炭自燃技術方案

汾西新峪煤業有限責任公司
華北科技學院
二○一○年五月二十三日

前　言
煤炭自燃是煤礦嚴重的災害之一，隨著我國經濟發展對煤炭需求量的持續增長和煤炭基地向中西部轉移，有煤炭自燃傾向性的煤礦將由目前的50%增長到70%以上。近年來隨著開采深度和強度的增大，煤自燃火災的發生越來越頻繁，煤層發生自燃時，在高溫下分解及氧化釋放出大量有毒有害氣體；同時高溫促使煤層中所含瓦斯釋放，有可能引起瓦斯爆炸。
煤炭自燃一般來說,煤炭自燃必須具備以下三個條件:(1)煤本身具有自燃傾向性;(2)有連續的供氧條件;(3)熱量易于積聚。第一條為煤的內部特征,取決于成煤物質和成煤條件,后兩條為外因,取決于礦井的地質條件和開采技術條件。因此煤自燃有極大的危害性，必須提前預防和快速、徹底地撲滅火災。
灌漿防滅火原理：灌漿防滅火就是將不燃性固體材料按一定比例與水配合制成漿體,然后利用高度差或泥漿泵送至可能發生自燃的地點,漿體中的固體物沉淀下來,水則流到巷道中排出。
漿體防滅火的原理是:(1)漿體能夠將碎煤包裹起來,隔絕它與空氣的接觸;(2)漿體若選擇為黃泥漿,其中某些化合物能夠破壞反應;(3)固體物充填于浮煤和冒落的矸石縫隙之間形成再生頂板,從而增加嚴密性,減少漏風;(4)對已自熱的煤炭有冷卻作用。
本項目所制備的稠化泥漿具有良好的流變性，在管道中要比純泥漿的流動阻力小不易沉淀；具有優異的空氣阻隔性能，能夠有效的阻隔煤與氧的接觸；泥漿中的水份能夠浸潤煤體，吸熱冷卻煤巖；稠化泥漿的添加劑對高硫煤有很高的阻化率。因此稠化泥漿具有很好的防火和滅火作用。這種稠化泥漿不產生任何有害、有害氣體，且成本低廉，施工簡單。
該稠化泥漿技術的成功研發，為高硫煤礦的防滅火提供了新的思路，具有重要的推廣應用前景。

汾西礦業集團新峪煤礦
利用稠化泥漿防治采空區煤炭自燃技術方案
一、5110工作面工作面概況
5110工作面主采10#、11#煤層，地面標高＋874m～＋1007m，工作面標高＋751m～＋777m。工作面東為5112采空區，南為五采區大巷，西為5308采空區，北為井田邊界。工作面走向長900m，傾斜長148m, 面積133200m2；煤層厚度7.37m，傾角7°，容重1.37 t/m3，工業儲量1344907 t，可采儲量1117767 t。煤層直接頂為泥巖，厚度0.6m；老頂為石灰巖，厚度7.73m；直接底為鋁質泥巖，厚度1.6m；老底為砂質泥巖，厚度3.23m。工作面總體走勢北高南低，受褶皺構造影響，巷道呈波浪狀起伏狀態，在切眼內距材巷27m處有一落差為0.6m的正斷層。
該工作面煤層易自燃，最短發火期6個月。2008年12月掘進材料巷時遇到胡家窯小煤窯巷道，后退55m，打了三道密閉后拐開切眼；5110工作面主采10#、11#煤層與上部采空區距離很近，約5m左右,而且上部采空區與淺部小煤窯連通情況不夠清楚,預計開采后將導致該工作面采空區漏風嚴重，并且漏風難以控制，采空區煤炭發生自燃的危險性大大增加，成為該工作面安全生產面臨的首要問題。該工作面相對瓦斯涌出量0.50m3/t，絕對涌出量0.489m3/min，煤塵有爆炸危險，爆炸指數20%。

二、現有黃泥灌漿防滅火系統的優缺點
新峪煤礦結合本地實際情況，因地制宜采用了灌漿系統防滅火。
灌漿防滅火技術在我國有自然發火危險的礦井中用的較普遍，也取得了良好的效果，成為與井下預防內因火災的主要措施之一。泥漿能夠吸熱降溫，對煤體還有包裹作用，能夠達到隔絕氧的目的，對于采空區的防滅火效果顯著。
但是由于井下自燃火災有時處于工作面或巷道頂部的比較高的部位，而且工作面后方采空區內也有較大的坡度，用水或泥漿滅火時不能滯留在發火部位，流過發火部位后僅使煤表面溫度得到降低，煤體內部溫度仍然很高。水的沖刷將煤體表面的灰分帶走，又露出新的煤體表面；水的劇烈蒸發增加了煤的孔隙率，使漏風通道更加暢通。水對煤的自燃還有一定的促進作用，在高溫600℃時水會分解成H2、O2參與燃燒反應，還會產生大量水煤氣，造成水煤氣爆炸。而且黃泥灌漿系統會消耗大量黃土，泥漿在管道中摩擦阻力大，易沉淀，泥漿到達采空區后脫水量較大，會惡化工作環境。
針對新峪煤礦防滅火系統現狀和該礦為高硫礦這一特點，擬采用向泥漿中加入適量增稠劑——吸水性材料的方法來提高防滅火效果。稠化漿體對管壁的磨損小，能實現遠距離輸送，不易脫水，能有效的覆蓋煤層，防止煤的氧化，從而有效地防治煤炭自然著火，其制備方法簡單，成本低廉，集堵漏、降溫、阻化、固結水等性能于一體，稠化泥漿在常溫下脫水很慢、不變質，可長期保存在煤層中，較好地解決了灌漿、注水的水泄漏流失問題及時間一長水泥脫水干裂的問題。稠化泥漿不會產生大量水蒸氣，不存在水煤氣爆炸和瓦斯爆炸等危險，有效防止煤層自然發火或火區復燃。其滅火速度快，高溫區只要有稠化泥漿滲透到的地方都不會復燃，適用于該礦防滅火。
三、稠化泥漿防滅火的實驗研究
（一）稠化泥漿的概念
稠化泥漿是向粉煤灰或黃土、砂石的漿液中加入少量添加劑(基料)而形成的稠化漿體。由于稠化泥漿稠度較大，可以使較稀的泥漿能達到濃泥漿的灌漿效果，稠化泥漿在宏觀上更加均勻，具有良好的觸變性，管道流動性、流動中不易沉降，稠化膠體與煤壁附著性好，一定程度上能充填煤中的裂隙。實驗中還發現稠化泥漿的基料還是一種良好的分散劑，泥漿加入基料后還可以防止泥漿中顆粒物沉降，這個性質有利于預防堵管現象的發生。由于所選擇的添加劑堿性很強,所以具有很強的固硫能力，稠化泥漿對高硫煤的防火作用效果顯示出了重要的推廣應用前景。
（二）稠化泥漿的懸浮性
根據DLVO理論，稠化泥漿在一定條件下是穩定存在還是聚沉，取決于粒子間的相互吸引力和靜電斥力，若斥力大于吸引力時溶膠穩定，反之則不穩定。聚合物水溶膠穩定的主要因素是聚合物吸附層而不是擴散層重疊的靜電斥力。吸附的高聚物層對膠體穩定性的影響有3個方面：①帶電聚合物被吸附后，增加了膠粒之間的靜電斥力位能ER，這一點與吸附簡單離子的影響相同，同樣可用DLV0理論處理；②高聚物的存在通常會減少膠粒間的引力位能EA；③膠粒吸附高聚物后，產生了一種新的斥力位能——空間斥力位能ET，膠體體系總的位能ET應是ET＝EA+ER+ERS。
影響稠化泥漿懸浮性的因素一般有3種：①基料與漿液顆粒的結合方式，嵌段共聚物和接枝聚合物，即其分子一端“錨”在膠粒表面上，另一端伸向溶液，形成空間位壘，阻礙膠粒并在一起；②吸水性基料形成的吸附層厚，一般厚度越大越穩定；③基料與分散介質的關系，親水性越好的基料效果越好，否則容易導致膠體絮凝。
（三）稠化泥漿的添加劑
稠化泥漿添加劑一般都具有表面活性劑的性質，在黃土的漿液中加入稠化泥漿添加劑后，由于其中的親水和親油基團可顯著地改變液—固界面性質，引起表面張力降低，因而分散系更加穩定，可以改善漿液的流動性，實驗條件下，吸水粘土對含有一些鹽分的泥漿水也有較強的吸收能力，水質對其吸水性影響不大，因此吸水性好的粘土礦物通常可用作稠化泥漿的基料。與粘土礦物相比，交聯的吸水樹脂具有更強的吸水能力。一些由一種單體聚合生成的吸水樹脂對蒸餾水的吸收性很好，但這些吸水樹脂中親水官能團比較單一，其吸水性受介質條件影響很大，制備稠化膠體的效果不理想。而多種單體共聚，形成含有多種親水官能團的吸水高分子材料，雖不受條件影響，吸水能力也很強，但價格又太貴，成本太高。
經過多次篩選研究,我們選用對高硫煤自燃有顯著預防作用且具備一定吸水能力、可以改善泥漿粘稠度、價格又不高的石灰作為添加劑。
石灰漿的特性
對于含硫量大于0.5%的中、高硫煤來說，其氧化自燃機理主要是基于黃鐵礦(主要成分FeS2)作用學說。該學說認為，硫在煤中主要是以FeS2形式存在，在潮濕供氧環境下，將發生緩慢氧化，其反應式為:
2FeS2+2H2O+7O2→2FeSO4+2H2SO4+Q1 (1)
隨著熱量的積聚，將進一步發生如下氧化反應:
12FeSO4+6H2O+3O2→4Fe2(SO4)3+4Fe(OH)3+Q2 (2)
只要有供氧環境和聚熱環境，上面兩反應將同時繼續進行，使熱量進一步積聚，從而發生以下反應:
FeS2+ Fe2(SO4)3+ 3O2+ 2H2O→3FeSO4+2H2SO4+Q3 (3)
上面3個反應同時進行的結果，使熱量不斷增加，如果供氧充分，最后將導致煤炭自燃。
而石灰漿的固硫能力非常顯著，且石灰漿在1L水中只溶解1.56g（20℃），在煤自燃前灌注石灰漿，由于其主要成分為Ca(OH)2與H2O，將發生如下反應:
Ca(OH)2+H2SO4→CaSO4+2H2O
吸收水分將生成結晶CaSO4·2H2O。如果此時熱源未完全冷卻，則仍可能繼續發生(1)、(2)或(3)式的反應，產生的Q1、Q2或Q3將使CaSO4·2H2O產生分解反應，即
CaSO4·2H2O→CaSO4+2H2O-Q6
這是一個吸熱反應。如果石灰漿用得足夠多，則生成的CaSO4·2H2O大量分解將吸收大量的熱量，對于發熱區的降溫將起到很好的作用。
三、稠化泥漿防滅火系統施工工藝
稠化泥漿滅火系統是在黃泥灌漿系統的基礎上，利用地面灌漿系統制成一定濃度的漿液，用泥漿泵將基料從攪拌池中抽出利用高壓水槍沖下黃土，通過輸漿管路輸送到采空區。混合物在采空區膠凝發揮堵漏風、降低煤溫與隔絕熱源的作用，從而達到預防煤炭自燃和快速撲滅火災的目的。
（一）添加劑的配比方案
方案: 生石灰添加劑
由于生石灰在經濟方面的優勢，我們采用生石灰做添加劑,而且生石灰具有一定的懸浮能力,可懸浮黃泥和粉煤灰等固態物質.也可降低灌漿材料在管道中的流動阻力,溶于水中的Ca2+帶正電荷能與泥土中的負離子發生凝聚反應，體積可增大數十倍在水中形成松散的三維網狀結構,利于實現泥漿的長距離輸送。
每立方米溶液中含基料40-60kg,約占5%，注漿流量為30 －60m3/h。
現擬采用每小時抽漿45m3，每池中加入石灰2250kg。
（二）設備設施