固化发泡水泥浆在煤田灭火治理中的应用

固化发泡水泥浆在煤田灭火治理中的应用

李宏生

新疆维吾尔自治区煤田灭火工程局 新疆乌鲁木齐 830063

新疆煤炭资源非常丰富，资源总量2.19万亿吨，占全国煤炭预测储量的40%，居全国首位。但同时，新疆煤田火灾也非常严重，是我国、乃至世界上煤田火灾最为严重的地区。煤田火灾造成大量煤炭资源损失、破坏生态、污染环境引起了国内外社会的广泛关注。

尤其，由于新疆多数煤层厚度大、赋存浅、露头多、易自燃的特点，新生火区不断产生。为加快煤田火区进度，保证灭火质量，践行习近平总书记“绿水青山就是金山银山”生态文明思想，迫切需要新技术、新工艺、新材料应用煤田火区治理工作。

1. 传统黄土注浆工艺存在的不足

目前，在煤田火区防灭火治理中主要采用剥离、注水、钻探、注浆、覆盖五项工艺综合治理的灭火方法。注浆工艺主要采用黄土和水混合形成浆液通过钻孔、鱼鳞坑进行，达到封堵裂隙的作用。

1. 传统黄土注浆工艺

通过黄土泥浆进行，其主要由水、黄土组成。水土比一般为3：1~6：1，由泥浆搅拌机来进行搅拌制备。注浆工程需要在注浆的火区高点上建立制浆站。每个制浆站由2台泥浆搅拌机和1个泥浆池组成。搅拌机配制好的泥浆通过筛网排入泥浆池中，然后由泥浆池下部的排浆口通过胶管或淌槽利用自然高差输送到灭火孔及鱼鳞坑内。泥浆到达灭火孔的孔口时要再次过滤，以确保泥浆无其它杂物。注浆工作的目的是填充火区深部裂隙，从而达到隔绝供氧通道的目的。

2. 黄土注浆存在的不足

传统注浆工艺采用黄土或砂土和水混合，水土比一般为3：1~6:1，采用传统注浆主要是成本低。但在传统注浆时存在以下四个问题：一是煤田火区由于燃烧时间长，煤层地质在燃烧的情况下变化剧烈，不仅仅造成大量燃烧后形成空区，而且地层裂隙发育，四通八达。同时，火区下部煤矿开采留下的采空区遍布。灌注黄泥浆后，由于黄泥浆的粘度和流动性接近于水，灌浆范围无法掌控，往往实际灌浆量远远大于设计灌浆量。二是泥浆是悬浮液，黄土或砂土会逐渐沉淀分层，虽然在传统注浆时有过滤环节，但筛网孔眼较大（网眼孔径≥10mm），小的砂石颗粒不可能完全过滤掉，不仅会加速沉淀、还会堵塞细小裂隙，充填效果不理想。三是黄土或砂土浆堆集性较差，无法有效填满空区。四是有些火区没有黄土和砂土，传统注浆的效果会更差一些。

黄土注工艺在特定的火区注浆效果不理想，无法有效封堵火区裂隙，达到隔绝供氧通道的目的，造成煤田火区治理效果不理想，甚至出现煤田火区在治理后复燃，亟待新技术、新工艺、新材料在煤田火区治理中的应用。

2. 固化发泡水泥浆在注浆环节上的应用

二道沟火区地处南疆，火区周边没有黄土，在火区治理结束后，因注浆效果不理想局部区域出现复燃问题。选择新技术、新工艺、新材料固化发泡水泥浆替代传统黄土注浆进行实验。

1、实验区基本情况

二道沟火区火区面积为36150平方米，燃烧深度为53米-165米。当时自治区灭火处对该火区进行了灭火施工，至年底完成了二道沟煤田火区的灭火施工任务。通过火区地表状况、观测孔温度、气体变化及物探电磁异常等参数的综合分析，火区已达到熄灭标准，通过了自治区验收。后因火区周边没有黄土，注浆效果不理想火区局部复燃，复燃原因：火区燃烧煤层主要为3号煤，煤层平均厚度11.29米，煤层走向大致东西，倾角在火区范围内为50°-58°。由于该火区煤层燃烧深度较深，虽然经治理后火区已达到熄灭标准，但燃烧体还积蓄了很高的热量，局部区域还残留着火源。加之火区内的3号煤层属于容易自燃的煤层，自燃发火期仅为30天。在这种情况下，若供风通道未完全封闭，很容易引起自燃。由于该区黄土质量较差，土质含沙量高，采用传统的常压注浆工艺对裂隙的封堵效果较差，无法有效封闭供风通道，而二道沟火区的复燃主要原因就是由于供风通道未能有效地切断造成的。

2、实验目的

二道沟火区由于复燃造成地表沉降、裂隙发育，形成了良好的供风通道，加之火区地形高差大，火风压大，这些都加速了火区的发展与蔓延。该火区采用矿用固化泡沫密闭充填隔断火区漏风通道新工艺、新方法进行灭火工程施工。按照施工方案，选用二道沟火区三、四平台16个钻孔进行固化发泡水泥浆进行注浆，根据钻孔裂隙发育情况水灰比选用2.5—4:1，共使用固化发泡水泥浆336吨。

3、效果评价

一是三平台11号孔至19号孔充填完成后，地表温度明显降低，注浆前温度在80℃左右，注浆后地表温度降低明显（50℃左右），但崖壁处仍有几处70～76℃的高温点；二是四平台33号孔至37号孔充填过程中，33号孔旁的崖壁处蒸汽明显变淡，温度也有所降低；三是三平台11号孔至19号孔充填前地表渗水很好，充填完成后，再在地表挖鱼鳞坑注水时已不渗水；四是四平台37号孔升压到1.2Mpa后，浆液从3米远的崖壁处溢出，这时测36号孔深还剩6米（原孔深14米）；

五是四平台29号孔至37号孔充填结束后，剥挖四平台时，裂隙处发现充填的固化泡沫材料。

通过多次实验，固化发泡水泥浆已广泛应用于煤田火区治理中，取得很好应用效果。

三、结论与建议

1、结论：通过固化发泡水泥浆在煤田火区治理注水工艺中的多次实验，通过现场实验应用证明：一是能有效控制浆液初凝时间在45分钟左右，既能起到封堵裂隙目的，又能节约注浆成本；二是通过发泡剂的融入使浆液体积增大8倍，有效降低注浆成本；三是浆液扩散半径达到4米，注浆效果理想，比传统黄土注浆封堵火区裂隙效果好，可有效隔绝火区供氧通道。

2、建议：一是注浆成本高，每吨3190元，建议黄土注浆、固化发泡水泥浆配合使用，固化发泡水泥浆用在火区200度以上高温区域，黄土注浆用在火区200度以下区域；二是孔深60米钻孔注浆量控制在8吨左右，根据裂隙率调整注浆水灰比；三是优化固化发泡水泥浆配方，提高水灰比、发泡倍数，在保证灭火降温效果的同时降低成本；四是采空区不建议直接采用固化发泡水泥浆注浆，可先采用凝胶剂注浆先把空区填满，再采用固化发泡水泥浆对采空区上部裂隙区注浆；五是固化发泡水泥浆不具备耐高温性质，在高温区钻孔注水后，温度控制在100度以下方可进行注浆。