改良型復合漿液在地表渣臺火區的應用

王 剛

（1.遼寧工程技術大學，遼寧 阜新123000；2.煤科集團沈陽研究院有限公司，遼寧 撫順113122；3.煤礦安全技術國家重點實驗室，遼寧 撫順113122）

黑岱溝露天煤礦位于內蒙古自治區鄂爾多斯市準格爾旗格爾煤田北部中間位置，常年氣候干燥、煤炭自然發火嚴重，為回收黑岱溝露天礦首采區邊幫6#煤層，計劃布置南幫S01 工作面和西幫W01 2個井工生產工作面。首采區西邊幫壓煤區由西邊幫、南幫煤層底板境界線和礦權界線包圍形成，其形態呈“L”型狹長條帶，S01 工作面一側煤壁裸露于露天礦預留坑內，工作面采用“L”型布置方式且主運巷和輔運巷斷面形狀均為矩形，凈寬5.5 m，凈高3.6 m，采用錨網索支護方式。由于南幫S01 工作面上部在原始露天開采過程中經過回填處理，回填面積大且松散回填體中含有煤矸石及部分遺留煤塊，松散回填體中的遺煤在漏風供氧條件下緩慢發生氧化導致蓄熱自燃，故南幫S01 工作面上覆松散體火區對工作面安全回采構成威脅。針對上述松散體火區實際狀況，應考慮對注入松散體的傳統黃泥漿特性進行改良，引入陰離子表面活性劑[1]減小固液接觸角、表面張力使其具有良好的動力特性以及潤濕性[2]和起泡性以達到有效治理火區的目的。目前國內缺少針對注漿防滅火特性的研究，但業內比較有代表性的有中國礦業大學的三相泡沫防滅火技術和中國煤炭科工集團重慶研究院有限公司研究的高倍數泡沫防滅火技術，兩者都是基于漿液為載體進行的，以此達到取得穩定性強、保濕性、隔氧性強的泡沫。受此啟發，由于傳統的黃泥漿滅火技術保濕性、隔氧和漿液流動性差且漿液不能大面積覆蓋火區，故針對傳統漿液的暴露的缺點有針對性進行改良使其改良后的復合漿液具有良好的潤濕性，其降溫、隔氧效果好，加之其在微小的裂隙中具有良好的流動特性，可以將復合漿液帶入松散體內部各微小裂隙處，并在高溫表面形成持續潤濕，起到隔氧降溫的作用，從而提高大面積火區的應用性。

1 工程概況

1.1 南幫S01 工作面上覆松散體火區范圍

南幫S01 工作面呈條狀分布，走向長約900 m，最寬處約150 m。其上覆松散體北側為露天剝離坑，為露天狀態，南側為部分剝挖回填區及部分原始山體。松散體火區與下覆工作面垂直距離最近約50 m。由于距離較近，初步考慮切眼與探測的高溫區域之間留有一段安全隔離煤柱，使得火區內明火在煤層開采后不會直接進入到S01 工作面。為防止工作面開采后上覆松散體產生的有毒有害氣體在負壓通風的作用下通過發育的微小裂隙到達井下工作面，利用紅外熱像儀初步對火區范圍進行勘察來確定火區范圍，最后在集中的高溫區域注入改良后的黃泥漿液來達到火區治理的目的。S01 工作面上覆松散體高溫區域圈定范圍面積分布情況如圖1。

圖1 火區面積范圍Fig.1 Fire area

1.2 南幫S01 工作面上覆松散體高溫區域

通過設計的松散體高溫區域鉆孔，結合鉆孔內氣體取樣測定結果和測溫結果可知，鉆孔內CO 氣體濃度在10×10-6左右，且溫度保持在50～60 ℃左右水平，并無C2H4、C2H2等有害氣體產生，且鉆孔內氧氣濃度相對較低。分析可能原因是地表松散體內遺煤在微裂隙通道的漏風供氧狀態下氧化產生低濃度有害氣體，整個松散體高溫區域風量、熱量交換處于動態平衡狀態。如果松散體裂隙進一步發育則會導致整個高溫區域松散體遺煤處于加速氧化階段，進而導致完全自燃。所以，在松散體遺煤尚未達到加速氧化狀態前應對工作面上覆高溫區域進行針對性治理，以消除回采過程中對人員造成的威脅。針對渣臺火區的治理，普通的注漿、注水等防滅火措施對高溫區域的治理雖然有效果，但溫度容易反彈到較高水平，需對鉆孔不斷進行注水注漿，且水、漿液容易沿著固定路徑流動導致防滅火效果并不十分理想。因此，對傳統的黃泥漿進行性能改良，使其具有良好的動力學特性及黏附潤濕性來達到快速治理火區的效果。

2 實驗部分

主要原料為十二烷基苯磺酸鈉（0.2%），聚丙烯酰胺（PAM）MW1000 萬陰離子，氣泡劑A，添加劑B，聚丙二醇（PPG-2000），黃土，水等。主要儀器為精密電子分析天平、量筒、ZNN-D12 高精度數字黏度計、S312 攪拌器、計時器、水滴角測試儀、SITA 表面張力儀等。根據實驗需要，分別將黃泥漿溶液制成單一的黃土、水混合型普通漿液和添加實驗試劑的改良型復合型漿液。實驗過程將環境溫度控制恒定，當S312 攪拌器處于某一轉速時，使用ZNN-D12高精度數字黏度計測量出2 種復合漿液的黏度[3]。各取1 000 mL 體積上述漿液置于密閉量筒中觀察漿液泡沫的半衰期[4]并用計時器記錄下來，以泡沫體積來表征復合漿液的起泡性能。最后運用水滴角測試儀和SITA 表面張力儀對所配復合漿液進行實驗參數測定，找出某一配比下復合漿液具有的最佳起泡性、毛細動力特性、鋪展及黏附潤濕性。

2.1 十二烷基硫酸鈉量對漿液起泡性能的影響

實驗過程中在一定范圍內隨著十二烷基苯磺鈉濃度的增加，復合漿液的起泡能力、半衰期隨之增加，超出某一值后會抑制漿液起泡能力。分析可能是高能濃度配比下使得泡沫的穩定性變差、導致泡沫析出加快，十二烷基苯磺酸鈉用量與泡沫起泡能力關系如圖2。整體而言，在一定濃度范圍內，泡沫的半衰期與起泡能力均與十二烷基苯磺鈉濃度呈正比例關系，過量后呈抑制下降趨勢，不同十二烷基苯磺酸鈉與泡沫半衰期關系如圖3。

圖2 十二烷基苯磺酸鈉用量與泡沫起泡能力關系Fig.2 The relationship between the amount of sodium dodecyl benzene sulfonate and foam foaming ability

圖3 不同十二烷基苯磺酸鈉與泡沫半衰期關系Fig.3 The relationship between different sodium dodecyl benzene sulfonate and foam half-life

2.2 聚丙烯酰胺（PAM）量對漿液的起泡能力的影響

由于聚丙烯酰胺（PAM）加入復合漿液后會減少漿液內部的分子摩擦阻力[5]，在一定范圍內漿液的起泡性能隨著內部摩擦力變小有所提高，同時復合漿液的內部摩擦力減小后使得其在微小裂隙的毛細動力現象更突出，可以使溶液極大化充填微小松散體裂隙。值得指出的是漿液的起泡性能隨著聚丙烯酰胺的高濃度存在其發泡效果并不突出，超出某范圍后其抑制效果表現更明顯。分析原因可能是高濃度的聚丙烯酰胺溶于水后形成凝膠物質[6]阻礙漿液的發泡性所致，因此考慮在添加聚丙酰胺時應控制好其合理的濃度范圍。

2.3 復合漿液的表面張力及接觸角特性

由于液體具有毛細動力現象，液體在微小管內液面上升的高度h 符合下式：

式中：δ 為表面張力系數，N/m；θ 為液面與管壁接觸角，度；R 為細管半徑，m；ρ 為液體密度，kg/m3；g 為重力加速度，m/s2。

通過式（1）可知實驗用復合漿液應減小固液接觸角、增大表面張力，使得溶液的毛細動力現象更明顯、液面上升高度最大化，在工程運用過程中復合漿液能夠通過微小裂隙對區域進行高低位立體潤濕覆蓋[7]，最優化達到治理高溫效果。

實驗過程中取所配復合漿液和普通溶液置于觀察臺，用注射器（外徑0.5 mm）取2 種溶液并靠重力作用緩緩自然地滴落在放有煤體的玻璃片上使其形成水滴泡，再利用水滴角測試儀及SITA 表面張力儀分別對液滴的接觸角、表面張力進行測定[8]。水滴角測試儀法是將儀器插上電源后打開電腦，雙擊桌面上的應用程序進入主界面，接著點擊界面上的活動圖象按鈕可以看到攝像頭拍攝的觀察臺上的圖象。將微量注射器固定在觀察臺上方，根據距離適當調整攝像頭焦距（測小液滴接觸角時通常調到2～2.5倍），最后用注射器壓出液體。SITA 表面張力儀是運用氣泡壓力法原理對復合漿液的表面張力進行測定[9]。室溫條件下，普通黃泥漿液與煤體實驗條件下接觸角如圖4，改良黃泥漿液與煤體實驗條件下接觸角如圖5，實驗條件下2 種不同濃度漿液的表面張力如圖6。

圖4 普通黃泥漿液與煤體實驗條件下接觸角Fig.4 The contact angle between ordinary yellow mud slurry and coal body under experimental conditions

通過實驗可知，經改良后的復合漿液其固液接觸角較傳統型黃泥漿有大幅降低，表面張力有所提高，其黏附、鋪展潤濕能力亦相應較強[10]，傳統黃泥漿液滴低落在煤體上會有滾動等疏水特征，改良后的漿液則黏附潤濕能力更強，相同實驗條件下改良后的復合漿液毛細動力現象也更為明顯[11]。值得注意的是，復合漿液的毛細動力現象并非與固液接觸角呈明顯線性相關性，在同等實驗條件下其更易受到表面張力影響。由于煤體表面具有不均勻性，對接觸角及表面張力的測定會有誤差，故應多測定幾次取其平均值。

圖5 改良黃泥漿液與煤體實驗條件下接觸角Fig.5 The contact angle between the modified yellow mud slurry and coal body

圖6 實驗條件下2 種不同濃度漿液的表面張力Fig.6 Surface tension of two different concentrations of slurry under experimental conditions

2.4 實驗結果

1）在一定濃度范圍內，添加具有發泡特性的陰離子表面活性劑的黃泥漿液能夠大幅提高發泡能力，且泡沫的半衰期較持久。

2）實驗過程中方發現添加劑的使用量與產生的效果并非呈線性相關，在一定劑量內能夠起到優化漿液效果的作用，比如增強漿液發泡性、泡沫具有持久性、漿液黏度適中等等。當使用量超出某一定值后反而抑制其發泡效果，導致堆積的泡沫不穩定且連續產生的氣泡帶來的內生動力會沖擊上覆氣泡導致泡沫液膜破裂。

3）改良后的漿液其內部分子摩擦力有所減小、溶液黏度保持合理，其發泡性能和氣泡的穩定性得到提高，同時改良后的漿液其接觸角和表面張力改變后使得漿液具有更強的毛細動力特征和潤濕特性，能夠大幅度充填微小裂隙。

3 工程實踐

3.1 南幫S01 工作面上覆松散體火區治理

S01 工作面上覆松散體火區計劃通過施工的密集地表鉆孔壓注改良后的復合漿液，單孔每天壓注量為300 L，治理后在很短的時間內火區溫度較之前鉆孔孔口測溫結果相比呈明顯下降趨勢，防滅火效果顯著。因為經改良的復合漿液不同于單一黃泥漿，其具有更強的流動特性，毛細動力特性得到大幅提到，能夠快速沿地表微小裂隙滲透至深部，且在下部能夠黏附潤濕高溫煤體。不僅能起到填充、封堵、隔氧作用還具有保濕性，在短時間內使地表高溫區域得到有效控制。

3.2 南幫S01 工作面上覆松散體火區治理效果

工作面上覆松散體經初次壓注復合漿液治理后鉆孔內溫度有顯著下降趨勢，孔內基本無CO 氣體等火災標志性氣體，治理前1#鉆孔孔口溫度變化如圖7，治理后1#鉆孔孔口溫度變化如圖8。

圖7 治理前1#鉆孔孔口溫度曲線圖Fig.7 Temperature curve of 1# borehole before treatment

圖8 治理后1#鉆孔孔口溫度曲線圖Fig.8 Temperature curve of 1# borehole after treatment

4 結 語

1）相比于普通注水、灌漿等防滅火措施，松散體高溫區壓注復合漿液治理后短時間內使得松散體微小裂隙被漿液充填、漏風減少、高溫煤體被漿液所潤濕、溫度大幅降低，說明復合漿液發泡性能、堆積性、潤濕性及毛細動力特性在隔氧、堵漏、潤濕降溫方面表現比傳統黃泥漿要好。

2）實施復合漿液后松散體溫度迅速得到有效控制，在短期內未發現反彈跡象，但在實際壓注運用過程中其流動性沒有水好，對黃泥的粒度要求較高，全面推廣仍有局限性。

3）松散體內煤體表面微小接觸復合漿液后在毛細動力作用下能迅速形成含水的液膜并鋪展開來，起到隔氧氣、潤濕、降溫作用。

4）能否以泡沫為載體同時利用毛細動力現象將下部液體傳遞至孔隙深處尚不清楚，仍有待研究。