康 健， 王 鵬， 焦冰君， 代少軍， 林井祥， 唐志超

(黑龍江科技大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，哈爾濱150022)

礦井水害事故巷道淤泥快速凝結(jié)的實(shí)驗(yàn)研究

康 健， 王 鵬， 焦冰君， 代少軍， 林井祥， 唐志超

(黑龍江科技大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，哈爾濱150022)

針對(duì)煤礦井下水害事故抽排水救援結(jié)束后巷道淤泥易流動(dòng)、難清理的問題，分析了水害事故巷道中淤泥組分及含水量，研究了復(fù)合膠凝材料中各主要成分與巷道淤泥發(fā)生的水化反應(yīng)。采用巷道淤泥與膠凝材料膠結(jié)方法，實(shí)現(xiàn)了巷道淤泥由流態(tài)向塑態(tài)轉(zhuǎn)變。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:當(dāng)復(fù)合膠凝材料中含有鋁酸鹽水泥時(shí)易出現(xiàn)假凝現(xiàn)象。適當(dāng)增加復(fù)合膠凝材料中硫鋁酸鹽水泥量，可大幅降低水膠比過高現(xiàn)象的發(fā)生;適當(dāng)增加復(fù)合膠凝材料的堿度，可有效縮短巷道淤泥的凝結(jié)時(shí)間。通過Origin對(duì)巷道淤泥高快反應(yīng)進(jìn)行回歸分析，得到了復(fù)合膠凝材料中適宜巷道淤泥凝結(jié)的酸堿性及水化反應(yīng)進(jìn)度與凝結(jié)時(shí)間之間的關(guān)系。該研究可為巷道淤泥快速凝結(jié)材料配制提供理論基礎(chǔ)。

煤礦;事故救援;積淤凝結(jié);膠凝材料;水化反應(yīng);凝結(jié)時(shí)間

礦井水害事故救援，抽排水救援工作結(jié)束后，事故巷道會(huì)留下泥漿狀煤泥沙石混合物。該淤泥具有流動(dòng)性，不便于清理和運(yùn)輸，堵塞巷道，嚴(yán)重影響救援通道的快速打通［1－3］。改變巷道淤積的狀態(tài)，將其從流動(dòng)狀態(tài)凝結(jié)成便于清理和運(yùn)輸?shù)目伤軤顟B(tài)，則是一條新的研究路徑。筆者采用巷道淤泥與膠凝材料膠結(jié)方法，實(shí)驗(yàn)研究復(fù)合膠凝材料中各主要成分與巷道淤泥中發(fā)生水化反應(yīng)時(shí)的初凝時(shí)間之間的關(guān)系，實(shí)現(xiàn)了巷道淤泥由流態(tài)向塑態(tài)的轉(zhuǎn)變。研究目前在國內(nèi)外研究中尚屬首次。國內(nèi)外學(xué)者對(duì)于類似的泥漿技術(shù)研究近年來已經(jīng)開展，但主要針對(duì)鉆井工程領(lǐng)域的深部重泥漿井段快速鉆進(jìn)、油基泥漿和水基泥漿整體提速等問題進(jìn)行研究，其核心是鉆井及鉆井液技術(shù)問題［4－7］。本研究主要針對(duì)煤礦發(fā)生水害事故后，為快速打通救援通道、積極爭取有效救援時(shí)間，使事故巷道淤積快速凝結(jié)問題。該研究對(duì)煤礦事故應(yīng)急救援工作具有十分重要意義。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

為滿足工程救援的實(shí)際需要，淤泥由流態(tài)向塑態(tài)快速轉(zhuǎn)變且可塑狀態(tài)持續(xù)時(shí)間不宜過短，實(shí)驗(yàn)旨在尋找適于水害事故巷道淤泥快速凝結(jié)的膠凝材料及其配比。

目前常用于泥漿固化與凝結(jié)的膠凝材料有水泥、石灰、石膏及復(fù)合膠凝材料等。實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖菍?shí)現(xiàn)淤泥的快速凝結(jié)。在膠凝材料性能評(píng)價(jià)指標(biāo)中，重點(diǎn)觀測(cè)凝結(jié)時(shí)間，尤其是初凝時(shí)間tc的長短。經(jīng)實(shí)驗(yàn)初選與分析，選用的膠凝材料為硅酸鹽水泥、硫鋁酸鹽水泥、鋁酸鹽水泥以及外加劑石膏等。主要實(shí)驗(yàn)材料性能指標(biāo)見表1。

表1 實(shí)驗(yàn)材料性能指標(biāo)Table 1 Experimental material performance index

1.2 實(shí)驗(yàn)流程

實(shí)驗(yàn)材料稱量使用0.01 g精度的電子秤。各組實(shí)驗(yàn)材料充分混合、攪拌均勻后置于養(yǎng)護(hù)箱靜置。水化過程中注意觀察各試樣外在形貌變化。從攪拌開始計(jì)時(shí)，記錄混凝物的初凝時(shí)間tc和終凝時(shí)間tz，具體實(shí)驗(yàn)流程如圖1所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)流程Fig.1 Experimental processes

1.3 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

煤礦井下水害事故巷道淤泥的主要組分是煤、巖石碎渣、沙土等固相成分。充水水源由于長期受到采空區(qū)老窯水等影響，一般呈弱酸性。淤泥外觀一般呈黏稠的流體或半流體狀的漿狀物，其中含有大量的水分。為使淤泥快速凝結(jié)，需測(cè)定其含水量，以便確定膠凝材料的配比。

將充分?jǐn)嚢璧挠倌喾湃胝舭l(fā)皿，使用0.01 g進(jìn)度的電子秤對(duì)盛放有淤泥樣品的蒸發(fā)皿進(jìn)行稱量，記錄質(zhì)量m1，將稱重后的蒸發(fā)皿連同淤泥樣品放入風(fēng)熱干燥箱，箱內(nèi)溫度設(shè)為110℃，對(duì)淤泥樣品進(jìn)行烘干處理，待樣品烘干至恒量時(shí)，取出樣品進(jìn)行稱量，記錄質(zhì)量m2，淤泥含水量用ωw表示。

式中:m1——烘干前的質(zhì)量，g;

m2——烘干后的質(zhì)量，g。

經(jīng)計(jì)算，淤泥中的水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為44.5%。淤泥分別與普通硅酸鹽水泥(OPC)、硫鋁酸鹽水泥(CAS)、鋁酸鹽水泥(CA)和硅酸鹽水泥(CS)為主要膠凝組分的四種材料結(jié)合進(jìn)行凝結(jié)實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)分四組進(jìn)行，各組實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案及觀測(cè)數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 淤泥凝結(jié)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案及觀測(cè)數(shù)據(jù)Table 2 Design scheme and observation data of silt coagulation test

續(xù)表

2 凝結(jié)機(jī)理

實(shí)驗(yàn)選取的膠凝材料為無機(jī)膠凝材料。膠凝材料方面需與淤泥中的水發(fā)生水化反應(yīng)，另一方面，應(yīng)該具有將泥漿中固相顆粒膠結(jié)及形成顆粒骨架的能力，擬選用幾種不同基水泥與石膏等外加劑配制成復(fù)合膠凝材料。

膠凝材料與巷道淤泥的膠結(jié)過程，實(shí)質(zhì)是水泥熟料與淤泥中水的水化過程及水化生成物間形成水泥石的過程。整個(gè)過程可分為凝結(jié)與硬化兩個(gè)緊密聯(lián)系的階段。凝結(jié)是指漿體從流動(dòng)狀態(tài)過渡到塑性狀態(tài)并具有一定抵抗力的過程;硬化是漿體由塑性狀態(tài)逐漸提升強(qiáng)度直至變硬的過程。從微觀上分析，其膠結(jié)過程實(shí)質(zhì)上是水化物的結(jié)晶過程［8－15］。

任何水泥，其發(fā)生水化反應(yīng)的主要成分都是硅酸鹽和鋁酸鹽。以硅酸鹽水泥中的硅酸三鈣、鋁酸鹽水泥的二鋁酸一鈣為例:

(1)硅酸三鈣

(2)二鋁酸一鈣

石膏與水反應(yīng)生成二水石膏。這個(gè)過程中混合漿體里的水分因?yàn)樗磻?yīng)不斷減少，隨反應(yīng)進(jìn)行，漿體流動(dòng)性逐漸喪失，直至硬化。石膏水化反應(yīng)式如下:

石膏作為輔助膠凝材料添加于水泥中使用。添加石膏的目的在于對(duì)水泥的凝結(jié)時(shí)間進(jìn)行調(diào)節(jié)，主要起緩凝作用。石膏與水泥中的鋁酸鈣發(fā)生反應(yīng)生成大量的鈣釩石，促使了凝結(jié)物的增多，形成了穩(wěn)固的架裝結(jié)構(gòu)，對(duì)強(qiáng)度提升也有一定的促進(jìn)作用。

3 結(jié)果與分析

3.1 凝結(jié)時(shí)間判定

混凝物初凝時(shí)間，即凝結(jié)物失去流動(dòng)性并開始產(chǎn)生塑性的時(shí)間點(diǎn);混凝物終凝時(shí)間，即混凝物失去其可塑性并開始產(chǎn)生強(qiáng)度的時(shí)間點(diǎn)。凝結(jié)時(shí)間確定可參照《普通混凝土拌合物性能實(shí)驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50080—2016)［16］?；炷聊Y(jié)時(shí)間的測(cè)定，根據(jù)探針以規(guī)定的速度插入混凝土中時(shí)所受阻力的大小來判斷，貫入阻力3.5 MPa時(shí)的時(shí)間為初凝時(shí)間，貫入阻力為28 MPa時(shí)的時(shí)間為終凝時(shí)間。由于淤泥中含煤、巖石碎屑和沙土等，其凝結(jié)時(shí)強(qiáng)度與混凝土存在一定差異，同等條件下略小于混凝土。其判定方法，將裝有實(shí)驗(yàn)材料的反應(yīng)容器傾斜45°以上時(shí)，混凝物不發(fā)生流動(dòng)，即判定混凝物失去流動(dòng)性，該時(shí)間段即為混凝物的初凝時(shí)間。

假凝是一種異常凝結(jié)現(xiàn)象，一般發(fā)生在拌合之后3～5 min，該現(xiàn)象不同于真凝，用力攪拌后混凝物又恢復(fù)原來的流動(dòng)狀態(tài)。防止出現(xiàn)假凝，可用力順時(shí)針(或逆時(shí)針)搖晃容器，若容器中泥漿保持不流動(dòng)，則確定混凝物達(dá)到初凝狀態(tài)。否則，說明出現(xiàn)假凝。

本實(shí)驗(yàn)只要求實(shí)現(xiàn)泥漿的快速凝結(jié)。為便于災(zāi)后救援工作的進(jìn)行，對(duì)混凝物終凝時(shí)間限定不宜過早，產(chǎn)生強(qiáng)度不宜過快。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)既考慮煤礦水害事故救援通道的快速打通，確定初凝時(shí)間不超過300 min又兼顧巷道清淤施工的實(shí)際，凝結(jié)階段的時(shí)間不低于60 min，防止過早硬化。初凝時(shí)間不超過100 min的為高效實(shí)驗(yàn);初凝時(shí)間不超過10 min，終凝時(shí)間不超過300 min的實(shí)驗(yàn)為高快實(shí)驗(yàn)。

經(jīng)優(yōu)選，46個(gè)實(shí)驗(yàn)中有36個(gè)為有效實(shí)驗(yàn)，其中有24個(gè)高效實(shí)驗(yàn)、13個(gè)高快實(shí)驗(yàn)，具體見表3。

表3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分類Table 3 Classification of experimental results

最優(yōu)化的配比方案原則上從高快實(shí)驗(yàn)中選取。

3.3 統(tǒng)計(jì)分析

利用Origin對(duì)表3中高快實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，以普通硅酸鹽水泥(OPC)所占百分比x1為自變量、以復(fù)合膠凝材料的初凝時(shí)間y為因變量，進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得回歸方程及各關(guān)系圖2a。

以硫鋁酸鹽水泥(CAS)所占百分比x2為自變量、以復(fù)合膠凝材料的初凝時(shí)間y為因變量，進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得回歸方程及各關(guān)系圖2b。

以鋁酸鹽水泥(CA)所占百分比為x3為自變量、以復(fù)合膠凝材料的初凝時(shí)間y為因變量，進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得回歸方程及各關(guān)系圖2c。

圖2 水泥質(zhì)量分?jǐn)?shù)與復(fù)合膠凝材料初凝時(shí)間關(guān)系Fig.2 Relationship between content and initial setting time of composite cementitious material

4 結(jié)論

(1)當(dāng)復(fù)合膠凝材料中含有鋁酸鹽水泥時(shí)易出現(xiàn)假凝現(xiàn)象，不利于巷道淤泥的快速凝結(jié)。

(2)膠凝材料中硫鋁酸鹽水泥比例過低或不存在，發(fā)生水膠比過高現(xiàn)象的可能性大大增加。適當(dāng)增加復(fù)合膠凝材料中硫鋁酸鹽水泥質(zhì)量分?jǐn)?shù)可大大降低水膠比過高現(xiàn)象的發(fā)生，并能取得良好的凝結(jié)效果。

(3)復(fù)合膠凝材料中普通硅酸鹽水泥質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，其初凝時(shí)間也將增加，硫鋁酸鹽和鋁酸鹽水泥質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，其初凝時(shí)間將降低。在膠凝材料配比中應(yīng)適當(dāng)降低普通硅酸鹽水泥質(zhì)量分?jǐn)?shù)而增加硫鋁酸鹽和鋁酸鹽水泥質(zhì)量分?jǐn)?shù)以實(shí)現(xiàn)巷道淤泥的快速凝結(jié)。

(4)硫鋁酸鹽水泥在復(fù)合膠凝材料中所占比例超過60%，會(huì)導(dǎo)致凝結(jié)時(shí)間增加，應(yīng)適當(dāng)增加復(fù)合膠凝材料的堿度以縮短巷道淤泥的凝結(jié)時(shí)間。

［1］ 王云泉，牛建軍.從七起重大煤礦透水事故反思安全生產(chǎn)［J］.能源技術(shù)與管理，2010(6):90－92.

［2］ 李湖生，劉鐵民.從“3·28”王家?guī)X煤礦透水事故搶險(xiǎn)救援反思中國事故災(zāi)難應(yīng)急準(zhǔn)備體系［J］.中國安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù)，2010，6(3):5－12.

［3］ 武 強(qiáng)，崔芳鵬，趙蘇啟.礦井水害類型劃分及主要特征分析［J］.煤炭學(xué)報(bào)，2013，38(4):561－565.

［4］ 黃鳴宇.廢棄鉆井液固化處理技術(shù)研究［D］.大慶:東北石油大學(xué)，2011.

［5］ 陳 晨.鉆井泥漿固化處置對(duì)地表水環(huán)境的影響分析［D］.成都:西南交通大學(xué)，2013.

［6］ 丁 玉，馮光明，王成真.超高水充填材料基本性能實(shí)驗(yàn)研究［J］.煤炭學(xué)報(bào)，2011，36(7):1087－1092.

［7］ 鄭娟榮，孫恒虎.礦山充填膠凝材料的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)［J］.有色金屬(礦山部分)，2000(6):12－15.

［8］ 王新民，姚 建，田冬梅，等.磷石膏作為膠結(jié)充填骨料性能的實(shí)驗(yàn)研究［J］.金屬礦山，2005(12):14－16.

［9］ 閆方寶，王尚禎.礦山充填采礦中膠凝材料的種類及應(yīng)用［J］.有色冶金節(jié)能，2014(1):33－37.

［10］ 馮光明.超高水充填材料及其充填開采技術(shù)研究與應(yīng)用［D］.徐州:中國礦業(yè)大學(xué)，2009.

［11］ 季 冰，肖許沐，黎 忠.疏浚淤泥的固化處理技術(shù)與資源化利用［J］.安全與環(huán)境工程，2010，17(2):54－56.

［12］ 王卉春.礦井水中硫酸根及總硬度去除效果的實(shí)驗(yàn)研究［D］.太原:太原理工大學(xué)，2008.

［13］ 胥 明.快硬高強(qiáng)土壤固化劑及工程施用技術(shù)研究［D］.成都:成都理工大學(xué)，2012.

［14］ 孫 琦.膏體充填開采膠結(jié)體的強(qiáng)度和蠕變特性研究及應(yīng)用［D］.阜新:遼寧工程技術(shù)大學(xué)，2012.

［15］ 李連生，郭芳芳.硅酸鹽水泥的性能和應(yīng)用［J］.應(yīng)用能源技術(shù)，2007(4):10－11.

［16］ 普通混凝土拌合物性能實(shí)驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)(GB/T 50080－2016)［S］.中國建筑工業(yè)出版社，2016.

(編輯 晁曉筠 校對(duì) 李德根)

Experimental study on rapid silt condensation following water disaster in coal mine underground roadway

Kang Jian， Wang Peng， Jiao Bingjun， Dai Shaojun， Lin Jingxiang， Tang Zhichao
(School of Mining Engineering，Heilongjiang University of Science＆Technology，Harbin 150022，China)

This paper is a response to silt more likely to flow and difficult to treat after coal mine drainage operation in the underground water accident.This paper is concerned with an analysis of the roadway silt，silt composition and water content in water disaster accident tunnel;an investigation into the hydration reaction of the main components of composite cementitious material and the silt in the tunnel; and use of the method of cementation between roadway mud and cementing material to realize the transition of the roadway silt from the flow regime to the plastic state.The experimental results show that false coagulation is more likely to occur when the composite cementitious materials contain sulphoaluminate cement;a proper increase in the sulphoaluminate cement content in composite cementitious materials could provide a significant reduction in the excessive water-binder ratio phenomenon;a proper increase in the alkalinity of composite cementitious materials could provide an effective reduction in the appropriate setting time short tunnel silt;and the origin-based regression analysis of the high speed reaction of the silt in the roadway reveals the relationship between the acidity and alkalinity of the sludge in the composite cementing material and the progress of hydration reaction and the setting time.The study could provide a theoretical basis for the preparation of fast setting material of roadway sludge.

coal mine;rescue passage;condensate blockage;cementing material;hydrates;time of setting

10.3969/j.issn.2095－7262.2017.04.009

TD745

2095－7262(2017)04－0366－05

:A

2017－05－14

黑龍江省雞西市重大科技攻關(guān)項(xiàng)目(KY2013168)

康 健(1973－)，男，蒙古族，內(nèi)蒙古自治區(qū)赤峰人，副教授，博士，研究方向:煤礦水害防治與采礦工程，E-mail kangjian94 @126.com。