膨胀水泥封堵材料在庞庄煤矿的应用

刘宏委，罗武贤，丁 豹

（徐矿集团庞庄煤矿，江苏 徐州 221000）

·试验研究·

膨胀水泥封堵材料在庞庄煤矿的应用

刘宏委，罗武贤，丁 豹

（徐矿集团庞庄煤矿，江苏 徐州 221000）

膨胀水泥材料是煤炭行业近年来研究应用的一种新技术，具有覆盖浮煤、填充孔洞、封堵裂隙等综合防灭火效果。为有效地解决黄泥封堵不严密等问题，庞庄煤矿通过采用该技术在条带、两道以及停采线等区域进行火灾防治，取得了较好的效果，可为开采自燃煤层矿井火灾预防与防治工作提供借鉴。

煤矿；防灭火；膨胀水泥；现场应用

黄泥（或沙土、粉煤灰）灌浆是煤矿最主要的防灭火手段之一，其原理是利用泥浆中的水分吸收大量热，起到灭火降温的作用；其次黄土固体覆盖浮煤表面，起隔绝氧气阻止氧化的作用［1］。灌浆防灭火时，泥浆浓度对注浆防灭火的效果影响很大，泥浆浓度越大灭火效果越好。但现有灌浆防灭火系统的水土比通常在5∶1左右，浆液流失量大，灌浆效率低，而且灌注黄泥浆时还存在严重的“拉沟”现象，在较大空间内不能有效的堆积，下部煤层开采时还容易发生“溃浆”事故；且在控制火势时，迅速产生的大量水蒸气，反而会促进煤层自燃火势发展，恶化工作环境，并有产生水煤气爆炸的危险［2］。

根据庞庄煤矿历年开采情况和发火情况来看，庞庄煤矿开采的煤层均具有自燃发火倾向，山西组七、九煤均属自燃煤层［3］。同时煤层间距较小，煤层中断层较多，工作面采空区漏风比较严重。在工作面开采过程中，上部煤层采空区由于顶板来压很容易与本工作面采空区产生贯穿，扩大了漏风范围。因此，一般的黄泥灌浆不能够满足防灭火的技术要求，封堵技术的实施将决定工作面采空区自燃防治的效果［4］。针对该特性，庞庄煤矿采用膨胀水泥防灭火新材料对条带、两道以及工作面停采线等区域进行封堵，大大减少了漏风通道，提高了防灭火效果。

1　膨胀水泥防灭火材料的性能特点

针对普通水泥和黄土这两种材料在封堵后会产生裂隙的缺点，国内外专家研制出了膨胀水泥封堵材料。它主要由水泥、黄沙、膨胀剂和水等构成。膨胀剂是一种干粉状态的化学物质添加剂，主要功能是使基料膨胀，膨胀率为1．35。当水泥、黄沙、水的比例为1∶1∶0．6时，该膨胀水泥材料的强度为22．2 MPa，膨胀剂的添加比例为10%。由于添加剂的膨胀性能，膨胀水泥材料能够有效地减小水泥的收缩，从而起到包裹煤体、充填松散煤体裂隙、封堵漏风裂隙的作用。

2　灌注工艺

膨胀水泥材料的灌注主要利用螺杆泵，该泵的主要技术参数为：额定转速为80 r／min，额定流量为6～10 m3／h，额定压力为3 MPa。该泵对灌注物料的要求为物料必须＜4．75 mm，该泵不能空转，所添加物料必须是配好的成品物料。对于膨胀水泥材料来说，必须将材料在添加前按照规定的比例配好，可加入泵中进行灌注。膨胀水泥材料的配制主要有两个步骤。

2．1膨胀水泥干料的配制

根据庞庄煤矿的实际条件，配制的地点可以选择在地面或者井下的开阔地（离灌浆地点不远）。配制之前，先铺设好风筒布或者塑料布，使材料内不混入其它杂质，然后将水泥和膨胀材料按照10∶1的比例进行配比，配比时必须保证物料的干燥，同时配制人员必须将物料充分混合均匀。根据试验，该步骤可以以5袋水泥和半袋膨胀剂为一个循环进行。

2．2膨胀水泥湿料的配制

膨胀水泥材料的湿料配制选择在井下的开阔地（离干料配制地点和灌浆地点不远处）进行。水泥膨胀材料湿料的配制主要是在干料中按照1∶1∶0．6的比例加入黄沙和水。配制的方法可以参考混凝土的配制方法，在井下配制地点先铺设好风筒布或者塑料布，然后用水泥堆砌，形成配制湿料的区域，使浆液不外流。配制必须充分，将配制好的材料用方便的容器盛装，倒入螺杆泵的混合料斗。膨胀水泥材料的灌注工艺见图1。灌注时必须防止泵的空转，并且在灌注前后要对泵进行冲洗，防止管路堵塞。

图1　水泥膨胀材料的灌注工艺

3　现场应用

3．1条带的封堵

在庞庄煤矿工作面开采过程中，当工作面遇到断层或者推进速度缓慢时，采空区后部浮煤就容易受漏风影响发生氧化，当氧化时间达到自燃条件时，采空区就会发生自燃发火［5］。因此，为了防止采空区浮煤自燃，必须进行封堵条带的灌注，利用膨胀水泥材料封堵冒落区域的裂隙，结合该材料的性能，灌注后水泥不收缩，不回弹，材料与冒落岩石的有效结合，在最大程度上达到封堵漏风的效果。

当工作面开采时间达到1～2个月，工作面出现CO或工作面开切眼推进到断层时，在工作面已采后方预定部位构筑一道倾斜条带封闭区，封闭高度尽可能达到工作面煤层顶板破碎区。

具体灌注方法有以下两种，根据现场实际条件进行选择［6，7］。

1）从两道隅角开始，沿工作面倾向每隔5 m处，向支架间铺设灌浆管路，终孔位置为工作面后部5 m处，本煤层顶板以上1 m，钻孔角度为沿煤层底板以上30°。灌注封堵示意图见图2（a）。灌注工艺可以采用管网式灌注，或者单个注浆管从下往上依次灌注，确保浆液堆积。

2）打孔灌注封闭方法。在采空区预定倾斜条带封闭区的工作面两道位置提前打多个钻孔并下套管封闭好，或者利用工作面预抽钻孔，各孔参数依据现场情况实测计算，要求终孔位置距开采煤层顶板高度3 m、从风巷煤壁开始倾斜间距5 m左右一个终孔位。钻孔开孔位置可在一个钻场内，但必须保证终孔点在倾斜方向的一条直线上。灌注工艺可以采用管网式灌注，或者单个注浆管从下往上依次灌注，当工作面发现浆液时止灌。注浆设备安在工作面风巷不影响生产的位置，具体注浆示意图见图2（b）。

图2　膨胀水泥条带封堵示意图

具体注浆操作方法与注水泥浆相似，先将定量的水泥和膨胀剂按10∶1的比例充分混合，再加入重量比为30%的河沙或粉煤灰和40%的水，人工制成浆体，用螺杆泵进行灌注。膨胀剂和水泥材料的制备采用人工制备，先按比例计算出水泥和膨胀材料的质量，不加水人工混合成干料，将混合好的干料与河沙和水进行充分搅拌后形成浆体，使用注浆泵进行灌注。干料混合地点可以在井上进行，将混合好的材料用袋子运送到井下；或者在井下现场能够提供足够空间的地点进行混合。

3．2两道的封堵

根据庞庄煤矿施工悬空密闭的情况，由于顶板的垮落容易造成封堵不严。因此，在施工悬空密闭的基础上，向悬空密闭内注膨胀水泥进行封堵，加强封堵效果。工作面每推进10～15 m，在两道施工该悬空密闭，通过预埋管路向悬空密闭内进行灌浆。

具体的施工方法为：沿用庞庄煤矿悬空密闭的原施工方法，在悬空密闭内留出一定的空间，悬空密闭的两层沙袋墙间隔距离为5 m，该空间为注浆空间，并且在施工的同时预埋注浆管路，管路采用1．5寸钢管，沿上帮预埋2根，上部1根，下部1根，上部的1根最好能尽可能提高，达到顶板以上位置，预埋深度为2．5 m，见图3。

图3　悬空密闭封堵注浆示意图

两道的悬空密闭封堵注浆范围高2 m，长5 m，宽3 m，总共注浆范围为30 m3。按照孔隙率为20%计算，则总共注浆量为6 m3，需要膨胀剂0．5 t，水泥5 t，其余为河沙和水。具体注浆操作方法与注水泥浆相似，注浆管埋入密闭空间的深度不得小于2．5 m，并采取防跑浆措施。如果条件不满足，可以仅在回风巷进行。两道封堵的效果见图4。

3．3工作面停采前的封堵

工作面回撤之前，需要经过铺网、打地平等一系列的工作，会影响工作面后期推进速度及撤架工作。因此，为了降低采空区自燃发火的概率，在工作面距离停采线50 m左右时，增强采空区的充填堵漏措施。

工作面停采前，在采空区进、回风侧距停采线25 m和0 m处采用沙袋垒成宽4 m、高2 m的隔离墙，并在隔离墙后采用预埋管路压注膨胀水泥材料，灌注范围为沿工作面倾向10 m，走向10 m，高度3 m，总共灌注范围不小于300 m3，按照孔隙率20%计算，则需要灌注的水泥膨胀材料为60 m3，见图5。

图5　停采撤架时的注浆封堵示意图

4　使用效果

某工作面回采初期通过灌浆钻孔向采空区内部进行了预防性灌浆，上隅角CO浓度基本保持在10× 106以下。在工作面接近停采线时，上隅角出现200 ×106的CO，此时，通过预先打好的消火孔向采空区内部实施了灌注膨胀水泥材料等防灭火措施，使上隅角CO迅速下降，3天后降至20×106，之后持续下降，直至10×106以下，并且稳定至回采结束。

5　结 论

采用膨胀水泥防灭火封堵材料对庞庄煤矿条带、两道、工作面停采线等区域进行了有效封堵，大大降低了矿井自燃发火概率，取得了很好的防灭火效果，为矿井防灭火提供了一项高效、简便和经济的新技术手段，保证了矿井的安全开采，取得了较大的经济和社会效益。

［1］马衍颂，肖兴明．智能型黄泥灌浆给料系统设计［J］．煤矿机械，2011，32（8）：150-151．

［2］邓 凯，黄 鹂，彭 伟，等．矿井防灭火技术现状及研究［J］．煤矿技术，2011，30（7）：79-80．

［3］李四清，刘永先，李庆新．三相泡沫新技术在老火区防灭火中的应用［J］．能源技术与管理，2008（3）：86-87．

［4］刘 鑫，肖 旸，邓 军．矿用轻质膏体防灭火材料研究与应用［J］．煤矿安全，2011，42（12）：77-80．

［5］郭良经．煤炭自燃防治技术在沿空煤巷掘进中的应用［J］．煤炭开采，2011，16（6）：93-96．

［6］刘 鑫，肖 旸，邓 军，等．新型水泥灌浆材料的防灭火性能测定［J］．煤矿安全，2011，42（5）：87-89．

［7］文 虎，徐精彩，邓 军，等．煤层自燃多功能灌浆注胶防灭火系统及其应用［J］．煤炭工程，2004（5）：4-6．

Application of Expansive Cement Bloching M aterial in Pangzhuang Coal M ine

Liu Hong-wei，Luo Wu-xian，Ding Bao

Expansive cementmaterial is the new technology of coal industry，researched and applied in recent years．Ithas the comprehensive fire prevention effects of covering float coal，filling holes and plugging fracture．In order to solve the problems effectively，such as yellow mud cannot plug fracture tightly，Pangzhuang coalmine adopts this technology to prevent and control fire in the areas，such as the strip，two roadways and stop line，itachieves good results，provides a reference for fire prevention and control work of spontaneous combustion coal seam．

Coalmine；Fire prevention and extinguishing；Expansive cement；Field application

TD75+2．2

B

1672-0652（2013）12-0019-03

2013-10-19

刘宏委（1986—），男，江苏宿迁人，2010年毕业于中国矿业大学，助理工程师，主要从事矿井通风防灭火和瓦斯防治工作（E-mail）liusun2011＠163．com