郭 可 郭 斌

（陕西有色榆林煤业有限公司，陕西 榆林 718000）

1 矿井概况

杭来湾煤矿位于延安组第四段的顶部，全井田可采煤层平均厚度8.36 m，煤层赋存条件简单，井田属于可采性较好的稳定型厚煤层。煤层埋藏深度268.5 m，直接顶板和直接底板的岩性以粉砂岩、泥岩为主，粉砂岩的坚固性较好、较难冒落，泥岩的稳固性一般、强度低、稳定性差。矿井属于低瓦斯矿井，3 号煤层的瓦斯绝对涌出量1.33 m3/min，相对涌出量0.08 m3/t；煤层煤尘具有爆炸性；煤层具有自然发火风险，3 号煤层煤样实验最短自然发火期为41 d，井下采空区浮煤实际最短自然发火期为52 d，自燃倾向性属于“Ⅰ类”容易自燃，3 号煤层窒息带宽度为380.0 m。

2 灌浆防灭火机理

灌浆防火技术的主要作用机理包括以下四个方面：（1）浆液的渗透作用实现对煤层裂隙的充填隔氧；（2）浆液自身的粘着力实现对遗煤的包裹隔氧；（3）浆液中的水分增加遗煤湿度，降低遗煤表面温度，抑制遗煤的自热氧化；（4）浆液对遗煤的冷却散热作用，减缓遗煤氧化作用。

3 灌浆材料选择

灌浆材料的选择依据：（1）来源广泛，成本低廉，最好能够就地取材；（2）稳定性好，易脱水且粒径满足要求，一般细小粒子直径需＜1 mm；（3）自流能力较好，管道输运过程中不沉降、不堵管；（4）主要物理性能指标需满足含砂量介于25%～30%、浆液密度介于2.4～2.8 kg/m³。

杭来湾矿井位于毛乌素沙漠地带，矿井地面所在区域均被第四系风积沙覆盖，区域黄土相对稀缺。区内有新材料循环经济产业园配套项目，建有一座5×330 MW/a 火力发电厂，有广泛的粉煤灰来源。

鉴于此，选用粉煤灰作为杭来湾煤矿灌浆的主要材料。粉煤灰作为灌浆料除了来源广泛、价格低廉，还具备以下优点：（1）实现废物的再利用，避免环境污染，社会效益较好；（2）粉煤颗粒比重适宜，造浆稳定且流动性好，管道运输方便快捷；（3）粉煤灰浆液性质稳定，对遗煤的密封效果较好。

4 灌浆防灭火技术应用

4.1 灌浆参数的选择和计算[1-5]

4.1.1 灌浆系数和灰水比

灌浆系数指浆液固体材料与采空区空间的体积之比，该指数与跑浆率、浆液收缩率以及采空区冒落岩石的松散程度有关。一般预防性灌浆系数取值2%～4%，综合考虑粉煤灰的亲水性较差、易脱水沉降，导致收缩率较高，选取较大的灌浆系数4%。

灰水比指浆液中粉煤灰与水的体积之比，能够反映泥浆液浓度，对泥浆输送和注浆效果产生较大影响。灰水比大，则浆液浓度大，浆液对遗煤的包裹隔绝效果好，但是浆液输送难度大，输送管道中流速低、易沉降导致堵管事故；灰水比小，则浆液浓度小，浆液输送沿程阻力小，但是灌浆防火的效果较差。按照杭来湾矿的煤层倾角、灌浆管道距离，结合选取的灌浆方式和灌浆系数，选择防灭火灌浆浆液的灰水比为1:3。

4.1.2 灌浆量计算

（1）灌浆粉煤灰日消耗量

灌浆需粉煤灰量主要根据灌浆区体积、矿井日产量、煤炭密度及地质条件等因素确定。按日灌浆需粉煤灰量计算：

式中：QS为灌浆用水日消耗量，m3/d；Qt为灌浆粉煤灰日消耗量，734.6 m3/d；δ为泥浆灰水比，前文所述取1:3。

代入参数算得每日制浆用水量QS=2 203.8 m3/d。

（3）每日灌浆量

式中：Q为日灌浆量，m3/d；QS为灌浆用水日消耗量，2 203.8 m3/d；Qt为灌浆粉煤灰日消耗量，734.6 m3/d；M为泥浆制成率，该参数取值与灰水比有关，如表1 所示，取M=0.88。

表1 泥浆制成率

代入参数算得每日灌浆量Q=2 585.8 m3/d。

4.2 浆液输送方式的选择

浆液输送方式有静压输送和加压输送两种形式。静压输送利用地面灌浆站与灌浆地点的静压差（浆液自重）输送，当压差不满足输送要求时采取加压输送方式。灌浆输送管道的沿程阻力与输送动力用输浆倍线表示，即从地面灌浆站灌浆管路浆液入口至出口管路的总长度与灌浆管路泥浆入口与出口高差之比。输浆倍线过大，则输送压力不足，管内浆液流速慢，易发生沉降，泥浆输送受阻，易发生堵管现象，此时应加压；输浆倍线过小，则输送压力过高，易发生崩裂管道跑浆事故，并且在灌浆出口位置易出现泥浆喷射，防灭火效果不理想，可在适当的位置安装闸阀增阻。输浆倍线需控制在3～8 范围内。

杭来湾矿井应用地面固定式灌浆系统，灌浆站布置在矿井工业场地的南侧，灌浆站地面标高+1 283.3 m，3 号煤层一盘区30110 综采工作面煤层底板标高+1017～+1050 m，最低标高+1017 m，灌浆管路泥浆入口与出口最大高差为266.3 m，灌浆管路总长度约8600 m。采用静压输送时，输浆倍线N=8600/266.3=32.3。由此可见，输浆倍线过大，采用静压输送泥浆压力明显不足，采用动压输送方式。选用150/100D-AH 型泥浆泵，浆液输送量180 m3/h。

4.3 灌浆防灭火技术施工工艺

4.3.1 灌浆流程

矿井在地面工业场地建有一座集中式粉煤灰胶体制浆站，由粉煤灰与悬浮剂在胶体制浆机直接混合制浆，经回风斜井至井下输送粉煤灰浆到灌浆点，承担向井下灌浆任务。矿井采用汽车运输粉煤灰，粉煤灰与悬浮剂在胶体制浆机直接进行混合制浆工艺[6-8]。制浆工艺流程图如图1。

图1 制浆工艺流程图

4.3.2 灌浆方法

根据30110 综采工作面采空区的技术条件，应用垮步式埋管灌浆工艺，采取埋管灌浆随采随灌方式和采后隔离带集中灌浆方式相结合的灌浆方法。

（1）埋管灌浆

埋管灌浆工艺：采空区垮步式埋管的随采随灌工艺，即沿工作面回风顺槽敷设一趟灌浆管路，第一个出浆口设在开切眼，其他出浆口间距为60 m（灌浆管口的移动步距暂定为60 m，可通过实际灌浆效果考察进行修正）。

埋管灌浆量：① 采煤工作面日灌浆量2 585.8 m3/d；② 采煤工作面采空区“两道”灌浆量的计算公式如下：

Q=W×L×H×N×F（4）

式中：Q为每个隔离带灌浆量，m3；W为隔离带宽度，取W=30 m；L为隔离带沿工作面布置方向长度，取L=20 m；H 为隔离带高度，取松散煤体的高度，取0.6 m；N为孔隙率，一般取0.3；F为安全系数，取1.5。

算得Q=162 m³。对局部遗煤堆积厚度大的“两道”区域，当工作面推进速度小于175.5 米/月，每隔30 d 灌浆一次，30109 综采工作面胶运顺槽通过密闭墙措施孔灌浆，30110 综采工作面回风顺槽、胶运顺槽均为埋管灌浆，每次灌浆量约162 m3，即工作面每侧灌浆162 m3，两侧总灌浆324 m3。

（2）采后隔离带灌浆

工作面回采结束后实施永久封闭，在工作面进、回顺槽出口密闭墙上方预设措施孔向采空区实施采后灌浆，以防止采空区遗煤自燃。采后停采线隔离带灌浆量取决于停采线处空间大小及遗煤量，灌浆量按下式计算：Q=W×L×H×N×F。式中隔离带沿工作面方向长度L取值按一盘区30110 综采工作面长299.1 m，其余参数取值与埋管灌浆工艺相同，算得工作面停采线密闭隔离带注浆量为2423 m³。

5 灌浆防火实施条件

实际应用过程中，3 号煤层煤样实验最短自然发火期为41 d，井下采空区浮煤实际最短自然发火期为52 d。在该期限内杭来湾煤矿综采工作面实际推进距离约为575.6 m（工作面实际推进速度11.07 m/d），大于窒息带宽度380.0 m，采空区遗煤在最短自然发火期内处于窒息带区域。鉴于此，工作面正常推进过程中，工作面采空区遗煤不存在自然发火风险，不需要灌浆。当出现以下条件之一时，则需采取灌浆防火措施：（1）受地质条件影响，推进速度较慢，小于临界推进速度9.27 m/d；（2）根据采空区自燃区域判定和预测，采空区存在自燃危险；（3）采空区遗煤较多，如厚度超过0.5 m；（4）采空区CO 气体浓度出现快速增高或者局部区域接近限值2.4×10-5。

6 结论

（1）杭来湾煤矿现场应用的灌浆防灭火系统，单日灌浆量能力可达到3500 m3/d，大于单日灌浆量2 585.8 m3/d，满足生产要求。

（2）粉煤灰是区内火力发电厂的主要有害废物，储存方量大，对环境产生不利影响。杭来湾煤矿采用粉煤灰作为主要的灌浆材料，价格低廉且实现了废物的回收利用，日消耗粉煤灰量734.6 m3/d，有效避免了粉煤灰带来的环境污染问题。

（3）该灌浆防灭火系统应用以来，实现了煤层裂隙的充填隔氧、遗煤的有效包裹隔氧，达到了持久稳定的防灭火效果。