改良型复合浆液在地表渣台火区的应用_王刚.pdf

第 51 卷第 7 期 2020 年 7 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.7 Jul. 2020 改良型复合浆液在地表渣台火区的应用 王刚 1,2,3 （1.辽宁工程技术大学， 辽宁 阜新 123000； 2.煤科集团沈阳研究院有限公司， 辽宁 抚顺 113122； 3.煤矿安全技术国家重点实验室， 辽宁 抚顺 113122） 摘要 为了解决黑岱沟煤矿南帮 S01 综放工作面因上覆近距离高温松散体存在的裂隙使得工 作面在正常回采过程中易受地表渣台高温火区有害气体侵入威胁及引起采空区遗煤自燃问题， 基于传统预防性注浆防灭火理论基础， 提出改变固液接触角、 表面张力等特性进而达到提高浆 液的动力学特性及润湿性能， 实验过程找出具有最佳起泡性、 润湿性等防灭火效果的复合浆液。 实践证明， 改良型复合浆液对工作面上覆渣台重点区域的注浆治理效果突出， 能够确保工作面 安全生产。 关键词 松散体； 润湿作用； 固液接触角； 表面张力； 复合浆液； 高温火区； 注浆 中图分类号 TD752.2文献标志码 B文章编号 1003-496X （2020 ） 07-0152-04 Application of Modified Composite Slurry in Fire Area of Surface Slag Table WANG Gang1,2,3 （1.Liaoning Technical University, Fuxin 123000, China;2.China Coal Technology and Engineering Group Shenyang Research Institute, Fushun 113122, China;3.State Key Laboratory of Coal Mine Safety Technology, Fushun 113122, China） Abstract During the normal mining process, the working face is vulnerable to the harmful gas intrusion from high temperature fire area of surface slag table because of its fracture in the overlying surface of the fully mechanized caving face with close distance high temperature loose media of the south S01 fully mechanized caving face of Heidaigou Coal Mine, which will cause the spontaneous combustion of the residual coal in the goaf. Based on the theoretical basis of fire prevention of traditional precautionary grouting, the dynamic properties and wettability of the slurry can be improved by changing the liquid solid contact angle and surface tension. In the process of experiment, the composite slurry with the anti-fire effect of the best foaming and wettability is found. The practice show that the improved composite slurry has a prominent grouting effect on the key area of the overlying surface slag table in the working face, which can ensure the safe production of the working face. Key words loose media; wetting effect; liquid solid contact angle; surface tension; composite slurry; high temperature fire area; grouting 黑岱沟露天煤矿位于内蒙古自治区鄂尔多斯市 准格尔旗格尔煤田北部中间位置，常年气候干燥、 煤炭自然发火严重，为回收黑岱沟露天矿首采区边 帮 6煤层， 计划布置南帮 S01 工作面和西帮 W01 2 个井工生产工作面。首采区西边帮压煤区由西边 帮、南帮煤层底板境界线和矿权界线包围形成， 其 形态呈 “L” 型狭长条带， S01 工作面一侧煤壁裸露于 露天矿预留坑内， 工作面采用“L” 型布置方式且主 运巷和辅运巷断面形状均为矩形， 净宽 5.5 m， 净高 3.6 m， 采用锚网索支护方式。由于南帮 S01 工作面 上部在原始露天开采过程中经过回填处理，回填面 积大且松散回填体中含有煤矸石及部分遗留煤块， 松散回填体中的遗煤在漏风供氧条件下缓慢发生氧 化导致蓄热自燃，故南帮 S01 工作面上覆松散体火 区对工作面安全回采构成威胁。针对上述松散体火 区实际状况，应考虑对注入松散体的传统黄泥浆特 性进行改良， 引入阴离子表面活性剂[1]减小固液接 触角、表面张力使其具有良好的动力特性以及润湿 DOI10.13347/ki.mkaq.2020.07.033 王刚. 改良型复合浆液在地表渣台火区的应用 ［J］ .煤矿安全， 2020， 51 （7） 152-155， 160. WANG Gang. Application of Modified Composite Slurry in Fire Area of Surface Slag Table ［J］ . Safety in Coal Mines, 2020, 51 （7） 152-155, 160. 移动扫码阅读 152 ChaoXing 第 51 卷第 7 期 2020 年 7 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.7 Jul. 2020 性[2]和起泡性以达到有效治理火区的目的。目前国 内缺少针对注浆防灭火特性的研究，但业内比较有 代表性的有中国矿业大学的三相泡沫防灭火技术和 中国煤炭科工集团重庆研究院有限公司研究的高倍 数泡沫防灭火技术，两者都是基于浆液为载体进行 的， 以此达到取得稳定性强、 保湿性、 隔氧性强的泡 沫。受此启发， 由于传统的黄泥浆灭火技术保湿性、 隔氧和浆液流动性差且浆液不能大面积覆盖火区， 故针对传统浆液的暴露的缺点有针对性进行改良使 其改良后的复合浆液具有良好的润湿性，其降温、 隔氧效果好，加之其在微小的裂隙中具有良好的流 动特性，可以将复合浆液带入松散体内部各微小裂 隙处，并在高温表面形成持续润湿，起到隔氧降温 的作用， 从而提高大面积火区的应用性。 1工程概况 1.1南帮S01 工作面上覆松散体火区范围 南帮 S01 工作面呈条状分布， 走向长约 900 m， 最宽处约 150 m。 其上覆松散体北侧为露天剥离坑， 为露天状态，南侧为部分剥挖回填区及部分原始山 体。松散体火区与下覆工作面垂直距离最近约 50 m。 由于距离较近， 初步考虑切眼与探测的高温区域 之间留有一段安全隔离煤柱，使得火区内明火在煤 层开采后不会直接进入到 S01 工作面。为防止工作 面开采后上覆松散体产生的有毒有害气体在负压通 风的作用下通过发育的微小裂隙到达井下工作面， 利用红外热像仪初步对火区范围进行勘察来确定火 区范围，最后在集中的高温区域注入改良后的黄泥 浆液来达到火区治理的目的。S01 工作面上覆松散 体高温区域圈定范围面积分布情况如图 1。 1.2南帮 S01 工作面上覆松散体高温区域 通过设计的松散体高温区域钻孔，结合钻孔内 气体取样测定结果和测温结果可知，钻孔内 CO 气 体浓度在 1010-6左右，且温度保持在 50～60 ℃左 右水平， 并无 C2H4、 C2H2等有害气体产生， 且钻孔内 氧气浓度相对较低。分析可能原因是地表松散体内 遗煤在微裂隙通道的漏风供氧状态下氧化产生低浓 度有害气体， 整个松散体高温区域风量、 热量交换处 于动态平衡状态。如果松散体裂隙进一步发育则会 导致整个高温区域松散体遗煤处于加速氧化阶段， 进而导致完全自燃。所以，在松散体遗煤尚未达到 加速氧化状态前应对工作面上覆高温区域进行针对 性治理，以消除回采过程中对人员造成的威胁。针 对渣台火区的治理， 普通的注浆、 注水等防灭火措施 对高温区域的治理虽然有效果，但温度容易反弹到 较高水平， 需对钻孔不断进行注水注浆， 且水、 浆液 容易沿着固定路径流动导致防灭火效果并不十分理 想。因此， 对传统的黄泥浆进行性能改良， 使其具有 良好的动力学特性及黏附润湿性来达到快速治理火 区的效果。 2实验部分 主要原料为十二烷基苯磺酸钠 （0.2） ， 聚丙烯 酰胺 （PAM） MW1000 万阴离子， 气泡剂 A， 添加剂 B， 聚丙二醇 （PPG-2000） ， 黄土， 水等。 主要仪器为精 密电子分析天平、量筒、 ZNN-D12 高精度数字黏度 计、 S312 搅拌器、 计时器、 水滴角测试仪、 SITA 表面 张力仪等。根据实验需要，分别将黄泥浆溶液制成 单一的黄土、水混合型普通浆液和添加实验试剂的 改良型复合型浆液。实验过程将环境温度控制恒 定， 当 S312 搅拌器处于某一转速时， 使用 ZNN-D12 高精度数字黏度计测量出 2 种复合浆液的黏度[3]。 各取 1 000 mL 体积上述浆液置于密闭量筒中观察 浆液泡沫的半衰期[4]并用计时器记录下来， 以泡沫 体积来表征复合浆液的起泡性能。最后运用水滴角 测试仪和 SITA 表面张力仪对所配复合浆液进行实 验参数测定，找出某一配比下复合浆液具有的最佳 起泡性、 毛细动力特性、 铺展及黏附润湿性。 2.1十二烷基硫酸钠量对浆液起泡性能的影响 实验过程中在一定范围内随着十二烷基苯磺钠 浓度的增加，复合浆液的起泡能力、半衰期随之增 加，超出某一值后会抑制浆液起泡能力。分析可能 是高能浓度配比下使得泡沫的稳定性变差、导致泡 沫析出加快，十二烷基苯磺酸钠用量与泡沫起泡能 力关系如图 2。整体而言， 在一定浓度范围内， 泡沫 的半衰期与起泡能力均与十二烷基苯磺钠浓度呈正 图 1火区面积范围 Fig.1Fire area 153 ChaoXing 第 51 卷第 7 期 2020 年 7 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.7 Jul. 2020 比例关系，过量后呈抑制下降趋势，不同十二烷基 苯磺酸钠与泡沫半衰期关系如图 3。 2.2聚丙烯酰胺 （PAM ） 量对浆液的起泡能力的影响 由于聚丙烯酰胺 （PAM） 加入复合浆液后会减少 浆液内部的分子摩擦阻力[5]， 在一定范围内浆液的 起泡性能随着内部摩擦力变小有所提高，同时复合 浆液的内部摩擦力减小后使得其在微小裂隙的毛细 动力现象更突出，可以使溶液极大化充填微小松散 体裂隙。值得指出的是浆液的起泡性能随着聚丙烯 酰胺的高浓度存在其发泡效果并不突出，超出某范 围后其抑制效果表现更明显。分析原因可能是高浓 度的聚丙烯酰胺溶于水后形成凝胶物质[6]阻碍浆液 的发泡性所致，因此考虑在添加聚丙酰胺时应控制 好其合理的浓度范围。 2.3复合浆液的表面张力及接触角特性 由于液体具有毛细动力现象，液体在微小管内 液面上升的高度 h 符合下式 h 2δcosθ Rρg （1） 式中 δ 为表面张力系数， N/m； θ 为液面与管壁 接触角， 度； R 为细管半径， m； ρ 为液体密度， kg/m3； g 为重力加速度， m/s2。 通过式 （1） 可知实验用复合浆液应减小固液接 触角、 增大表面张力， 使得溶液的毛细动力现象更明 显、 液面上升高度最大化， 在工程运用过程中复合浆 液能够通过微小裂隙对区域进行高低位立体润湿覆 盖[7]， 最优化达到治理高温效果。 实验过程中取所配复合浆液和普通溶液置于观 察台， 用注射器 （外径 0.5 mm） 取 2 种溶液并靠重力 作用缓缓自然地滴落在放有煤体的玻璃片上使其形 成水滴泡， 再利用水滴角测试仪及 SITA 表面张力仪 分别对液滴的接触角、 表面张力进行测定[8]。水滴角 测试仪法是将仪器插上电源后打开电脑，双击桌面 上的应用程序进入主界面，接着点击界面上的活动 图象按钮可以看到摄像头拍摄的观察台上的图象。 将微量注射器固定在观察台上方，根据距离适当调 整摄像头焦距（测小液滴接触角时通常调到 2～2.5 倍） ， 最后用注射器压出液体。 SITA 表面张力仪是运 用气泡压力法原理对复合浆液的表面张力进行测 定[9]。室温条件下， 普通黄泥浆液与煤体实验条件下 接触角如图 4，改良黄泥浆液与煤体实验条件下接 触角如图 5，实验条件下 2 种不同浓度浆液的表面 张力如图 6。 通过实验可知，经改良后的复合浆液其固液接 触角较传统型黄泥浆有大幅降低，表面张力有所提 高， 其黏附、 铺展润湿能力亦相应较强[10]， 传统黄泥 浆液滴低落在煤体上会有滚动等疏水特征，改良后 的浆液则黏附润湿能力更强，相同实验条件下改良 后的复合浆液毛细动力现象也更为明显[11]。值得注 意的是，复合浆液的毛细动力现象并非与固液接触 角呈明显线性相关性，在同等实验条件下其更易受 到表面张力影响。由于煤体表面具有不均匀性， 对 接触角及表面张力的测定会有误差，故应多测定几 图 2十二烷基苯磺酸钠用量与泡沫起泡能力关系 Fig.2The relationship between the amount of sodium dodecyl benzene sulfonate and foam foaming ability 图 3不同十二烷基苯磺酸钠与泡沫半衰期关系 Fig.3The relationship between different sodium dodecyl benzene sulfonate and foam half-life 图 4普通黄泥浆液与煤体实验条件下接触角 Fig.4The contact angle between ordinary yellow mud slurry and coal body under experimental conditions 154 ChaoXing 第 51 卷第 7 期 2020 年 7 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.7 Jul. 2020 （下转第 160 页） 次取其平均值。 2.4实验结果 1 ） 在一定浓度范围内， 添加具有发泡特性的阴 离子表面活性剂的黄泥浆液能够大幅提高发泡能 力， 且泡沫的半衰期较持久。 2） 实验过程中方发现添加剂的使用量与产生的 效果并非呈线性相关，在一定剂量内能够起到优化 浆液效果的作用，比如增强浆液发泡性、泡沫具有 持久性、浆液黏度适中等等。当使用量超出某一定 值后反而抑制其发泡效果，导致堆积的泡沫不稳定 且连续产生的气泡带来的内生动力会冲击上覆气泡 导致泡沫液膜破裂。 3） 改良后的浆液其内部分子摩擦力有所减小、 溶液黏度保持合理，其发泡性能和气泡的稳定性得 到提高，同时改良后的浆液其接触角和表面张力改 变后使得浆液具有更强的毛细动力特征和润湿特 性， 能够大幅度充填微小裂隙。 3工程实践 3.1南帮 S01 工作面上覆松散体火区治理 S01 工作面上覆松散体火区计划通过施工的密 集地表钻孔压注改良后的复合浆液，单孔每天压注 量为 300 L，治理后在很短的时间内火区温度较之 前钻孔孔口测温结果相比呈明显下降趋势，防灭火 效果显著。因为经改良的复合浆液不同于单一黄泥 浆， 其具有更强的流动特性， 毛细动力特性得到大幅 提到， 能够快速沿地表微小裂隙渗透至深部， 且在下 部能够黏附润湿高温煤体。不仅能起到填充、 封堵、 隔氧作用还具有保湿性，在短时间内使地表高温区 域得到有效控制。 3.2南帮 S01 工作面上覆松散体火区治理效果 工作面上覆松散体经初次压注复合浆液治理后 钻孔内温度有显著下降趋势，孔内基本无 CO 气体 等火灾标志性气体， 治理前 1钻孔孔口温度变化如 图 7， 治理后 1钻孔孔口温度变化如图 8。 4结语 1） 相比于普通注水、 灌浆等防灭火措施， 松散体 高温区压注复合浆液治理后短时间内使得松散体微 小裂隙被浆液充填、 漏风减少、 高温煤体被浆液所润 湿、温度大幅降低，说明复合浆液发泡性能、堆积 性、 润湿性及毛细动力特性在隔氧、 堵漏、 润湿降温 方面表现比传统黄泥浆要好。 2） 实施复合浆液后松散体温度迅速得到有效控 图 5改良黄泥浆液与煤体实验条件下接触角 Fig.5The contact angle between the modified yellow mud slurry and coal body 图 8治理后 1钻孔孔口温度曲线图 Fig.8Temperature curve of 1borehole after treatment 图 6实验条件下 2 种不同浓度浆液的表面张力 Fig.6Surface tension of two different concentrations of slurry under experimental conditions 图 7治理前 1钻孔孔口温度曲线图 Fig.7Temperature curve of 1borehole before treatment 155 ChaoXing 第 51 卷第 7 期 2020 年 7 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.7 Jul. 2020 （上接第 155 页） 制，在短期内未发现反弹迹象，但在实际压注运用 过程中其流动性没有水好，对黄泥的粒度要求较 高， 全面推广仍有局限性。 3） 松散体内煤体表面微小接触复合浆液后在毛 细动力作用下能迅速形成含水的液膜并铺展开来， 起到隔氧气、 润湿、 降温作用。 4） 能否以泡沫为载体同时利用毛细动力现象将 下部液体传递至孔隙深处尚不清楚， 仍有待研究。 参考文献 ［1］ 夏亮亮， 周明， 张灵， 等.两性/阴离子表面活性剂清洁 压裂液性能评价 ［J］ .油田化学， 2015， 32 （3） 341. ［2］ 金龙哲， 杨继星， 欧盛南.润湿型化学抑尘剂的试验研 究 ［J］ .安全与环境学报， 2007， 7 （6） 109-112. ［3］ 武海良， 李雅， 张斌， 等.丙烯酸类混合浆液粘度影响 因素分析 ［J］ .上海纺织科技， 2001， 22 （4） 26-27. ［4］ 张端琴.泡沫液性能及岩屑对泡沫钻井液稳定性影响 的研究 ［D］ .长春 吉林大学， 2008. ［5］ 李战华， 崔海航.微尺度流动特性 ［J］ .机械强度， 2001， 23 （4） 476-480. ［6］ 李圭白， 崔福义.高浊度水絮凝剂聚丙烯酰胺的最佳 水解度 ［J］ .中国给水排水， 1987， 12 （4） 17-19. ［7］ 杨静.煤尘的润湿机理研究 ［D］ .青岛 山东科技大学， 2008. ［8］ 闫智婕， 陈学习， 许鸿雁.煤样试片制备方法对煤水接 触角测定影响分析 ［J］ .华北科技学院学报， 2011， 1 （2） 66-69. ［9］ 尹东霞， 马沛生， 夏淑倩.液体表面张力测定方法的研 究进展 ［J］ .科技通报， 2007， 27 （3） 424-429. ［10］ 张晨辉.表面活性剂对液滴在靶标表面润湿粘附行 为的影响机制及调控 ［D］ .北京 中国农业大学， 2017. ［11］ 徐玉华.浅析与验证液体的表面张力 ［J］ .中学物理， 2014， 12 （5） 38-39. 作者简介 王刚 （1975） ， 辽宁朝阳人， 副研究员， 辽 宁工程技术大学在读博士研究生，研究方向为通风防灭火 技术。 （收稿日期 2019-08-30； 责任编辑 陈洋） 3结语 1） 大骨料堆积隔离材料相比于黄泥胶体材料具 有更加优越的阻燃性，并且对煤自燃潜伏期以及加 速氧化阶段的标志性气体均有较好的抑制作用。 2） 应用红外热成像技术与钻探技术相结合的隐 蔽火源探测法，可以较为准确地圈定浅埋深、地表 裂隙较发达的小窑火区位置，对于其他矿区隐蔽火 源探测具有一定程度的借鉴意义。 3） 矿用大骨料堆积隔离材料隔离条带构筑后， 观测钻孔内温度由最高点 52 ℃下降至 22 ℃， CO 浓 度由最高 28010-6下降至 2910-6，隔离效果明显， 保障了 S21907 工作面的安全生产。 参考文献 ［1］ 孙中强， 郭立稳．我国煤矿火灾防治技术研究现状 ［J］ ． 河北理工学院学报， 2007， 29 （2） 1-4. ［2］ 秦波涛， 王德明．矿井防灭火技术现状及研究进展 ［J］ ． 中国安全科学学报， 2007， 17 （12） 80-85. ［3］ 李雪明， 王继仁， 王雪峰， 等．碱性水对煤自燃特性影 响实验研究 ［J］ ． 中国安全生产科学技术， 2018， 14 （2） 106-111. ［4］ 王振平， 程卫民， 辛嵩， 等．煤巷近距离自燃火源位置 的红外探测与反演 ［J］ ．煤炭学报， 2003， 28 （6） 603. ［5］ 刘福强， 谢军．红外探测技术在煤层自然发火早期预 报中的应用 ［J］ .煤矿现代化， 2006 （6） 13-14. ［6］ 蒋春林， 杨胜强， 宋万新．煤氧化过程中指标性气体的 确定 ［J］ ．煤矿安全， 2012， 43 （10） 185-187. ［7］ 梁晓瑜， 王德明．水分对煤炭自燃的影响 ［J］ ．辽宁工程 技术大学学报 （自然科学版） ， 2003， 22 （4） 472-474. ［8］ 王福生， 王建涛， 顾亮， 等．煤自燃预测预报多参数指 标体系研究 ［J］ ．中国安全生产科学技术， 2018， 14 （6） 45-51. ［9］ 沈云鸽， 王德明， 朱云飞．不同自燃倾向性煤的指标气 体产生规律实验研究 ［J］ ．中国安全生产科学技术， 2018， 14 （4） 69-74. ［10］ 高建良， 何权富， 张学博．矿井巷道对流换热系数的 现场测定 ［J］ ．中国安全科学学报， 2010， 20 （2） 100. 作者简介 李树静 （1983） ， 黑龙江齐齐哈尔人， 工程 师， 硕士， 2016 年毕业于辽宁工程技术大学， 主要从事矿井 安全管理等方面的工作。 （收稿日期 2020-03-19； 责任编辑 陈洋） 160 ChaoXing