候村煤矿粉煤灰灌浆防灭火技术应用

张利军

（沁和能源集团有限公司候村煤矿，山西 晋城 048000）

为解决沁和能源集团煤化工基地粉煤灰排放问题，提出将粉煤灰充填到井下，使用粉煤灰替代黄土制成粉煤灰浆液，用于防灭火灌浆使用[1-6]。经试验应用取得了较好的防灭火效果。

沁和能源集团有限公司候村煤矿位于山西省晋城市沁水县郑村镇候村，主要开采 3～15 号煤层，井田面积12.179 5 km2，设计生产能力120 万t/a。候村煤矿3605 综采工作面位于二采区南翼，主要开采15 号煤层，埋深284～386 m，工作面倾向长256 m，走向长1185 m，平均采高2.7 m，已回采440 m。采用倾斜长壁、综合机械化、一次采全高、全部垮落法处理采空区顶板的采煤工艺。工作面上隅角CO 平均浓度7×10-5，回风巷回风流CO 平均浓度6×10-6。

候村煤矿15 煤层为容易自燃煤层，最短自然发火期35 d。3605 综采工作面回采作业时，初采初放结束后老顶垮落，破碎煤柱氧化聚热自燃，产生大量的CO 气体，CO 气体从15 煤层采空区涌出后造成本煤层3605 综采工作面上隅角CO 平均浓度达到7×10-5，CO 浓度超限。为有效防止采空区内浮煤、破碎煤柱因氧化自燃问题导致影响15 煤层的正常回采，向15煤层采空区进行连续性注氮和大量灌浆，有效地控制采空区内浮煤、破碎煤柱氧化速度，确保本煤层3605 综采工作面安全回采。

粉煤灰是燃煤电厂排出的主要固体废弃物，是从煤燃烧后的烟气中收捕下来的细灰，主要成分为SiO2、Al2O3、FeO、Fe2O3、CaO、TO2等。

采用粉煤灰（取代黄土）、水、工业盐、悬浮剂和胶凝剂按相应配比制成粉煤灰浆液，并通过矿井防灭火系统将粉煤灰浆液输送至井下防灭火工作面，达到吸收热量、填补煤岩裂隙、阻断氧气通道、实现防灭火的目的。

3.1 高温煤体试验研究

为掌握粉煤灰浆液防灭火的使用效果，采用粉煤灰浆液和黄土浆液进行高温煤体对比试验。分别使用水土比为7:1 的黄土浆液和水灰比为5:1 的粉煤灰浆液处理相同质量的高温煤体。在实验开始时记录1～2 次高温煤体的温度，之后每天记录2～3 次温度，当煤体温度不再变化时停止记录。实验过程及温度记录如表1 和图1。

表1 高温煤体表面温度（℃）与时间数据记录表

图1 高温煤体表面温度（℃）与时间变化曲线图

从图1 数据可知，在黄土浆液和粉煤灰浆液的作用下，煤体温度均出现大幅度下降，两者下降幅度几乎重合，充分说明黄土浆液和粉煤灰浆液对煤体的降温效果几乎相同，都较为理想，相对来讲粉煤灰浆液降温速度缓慢于黄土浆液。

打开实验煤样隔温膜，观察粉煤灰浆液和黄土浆液对煤块的包裹效果，发现粉煤灰浆液和黄土浆液均能够实现对煤样的包裹，粉煤灰在井下采空区使用时能够起到隔绝氧气的作用。

隔绝氧气和降温是消灭井下采空区高温点的重要手段，分别从隔绝氧气和降低煤温两个角度对粉煤灰浆液和黄土浆液灭火效果进行了评估。粉煤灰浆液的灭火效果和黄土灌浆的灭火效果几乎相同，而且经济成本更低，因此粉煤灰可以用于矿井防灭火灌浆。

3.2 井下灌注粉煤灰浆液试验

2021 年3 月19 日至3 月21 日，在地面灌浆站进行粉煤灰灌注试验。灌浆系统结果如图2。灌浆期间，通过上斜口向浆液添加工业盐、悬浮剂。由于制浆机的进料速率和注水速率是设定的，灌浆时，通过调整皮带输送机的运行速度和时间来调整粉煤灰和水的比例。灌浆管路为4 寸钢管，灌浆距离为2400 m，垂高为400 m。

图2 灌浆系统结构示意图

在地面灌浆站进行粉煤灰灌浆试验时水灰比分别为8:1、7:1、6:1、5:1、4:1，试验期间浆液状态如图3。当水灰比为5:1 时，灌注速率开始下降，浆液池液面出现升高现象。经分析，这是由于粉煤灰浓度逐渐升高，黏稠度逐渐增大，管路输送粉煤灰浆液的能力下降导致的。当水灰比为4:1 时，必须开启加压泵向注浆管路加压才能确保浆液面不继续升高。通过现场提取浆液分析，灌注粉煤灰最佳的水灰比约为5:1。

图3 不同水灰比条件下浆液状态图

（1）为防止注浆管路被堵，在灌注粉煤灰前后必须及时开启加压泵用清水冲洗管路30 min。

（2）为确保粉煤灰浆液饱和浓度，防止堵管，需对粉煤灰成分及化学性质进行鉴定，选择与所使用的粉煤灰特性匹配的化学悬浮剂。

（3）为有效提高粉煤灰浆液防灭火效果，应添加胶凝剂等材料。

根据灌注粉煤灰需要的原材料的单价，计算灌注粉煤灰的单价。

（1）灌注粉煤灰浆液需要的悬浮剂价格为6800 元/t，工 业 盐700 元/t，水 费7.4 元/m3，粉煤灰运费13 元/t，粉煤灰浆液的水灰比为5:1，粉煤灰堆积密度为0.8 g/cm3，悬浮剂和工业盐添加比例各按1%计算。以1 m3粉煤灰为例，粉煤灰运费10.4 元，水费29.6 元，工业盐和悬浮剂135 元，电费0.35 元，共计175.35 元。1 m3粉煤灰可以制作6 m3粉煤灰浆液，所以1 m3浆液制作成本为29.22 元。

（2）黄土灌浆成本计算。以1 m3黄土为例，黄土的密度是1.6 g/cm3，价格为97 元/t，即1 m3黄土的成本为155.2 元；
黄土浆水土比为7:1，水费为51.8 元；
悬浮剂添加比例为1%，费用为584.8 元；
电费0.8 元。共计792.6 元。1 m3黄土可以制作8 m3黄土浆液，所以1 m3黄土浆液制作成本为99.08 元。

候村煤矿3605 工作面采用地面固定式灌浆及注胶防灭火系统可输送最大水灰比为5:1 的粉煤灰浆，配制水灰比为5:1 的粉煤灰浆在隔绝氧气和降低煤温上和黄土浆液的效果相当。根据环保要求，黄土取用将受到很大限制，因此利用粉煤灰替代黄土，可显著节约成本并处理固体废弃物，选用粉煤灰作为矿井防灭火灌浆新材料值得推广使用。