趙美成

(國家能源集團(tuán)神東煤炭有限責(zé)任公司技術(shù)研究院，陜西 神木 719315)

0 引言

我國煤炭資源豐富，是世界上最大的煤炭生產(chǎn)和消費(fèi)國。煤炭在我國能源結(jié)構(gòu)中的主體地位未來幾十年不會(huì)改變。我國許多現(xiàn)代化煤礦，采煤工作面順槽采用聯(lián)采機(jī)雙巷掘進(jìn)，兩巷之間聯(lián)絡(luò)巷比較密集(最多每50 m一個(gè))，生產(chǎn)過程中需要及時(shí)封堵，以保障安全生產(chǎn)。此外，井下工作面巷道密閉，廢舊巷道、松散煤體、漏風(fēng)裂隙等區(qū)域的充填工作量也非常大。施工密閉墻是堵住通往采空區(qū)漏風(fēng)的重要手段。

目前密閉施工大多采用兩道磚密閉，中間充填堵漏材料。用于礦井堵漏和充填的材料有：黃泥與水泥等傳統(tǒng)的灌漿材料；凝膠類封堵材料；膏體充填材料；聚氨酯硬泡沫和新型的羅克休、馬麗散、艾格勞尼、米諾華等有機(jī)充填材料等。這些充填材料中，無機(jī)固化材料易收縮堵漏風(fēng)效果不理想；凝膠類封堵材料成本比較高，且防火有效壽命較短。有機(jī)泡沫材料充填堵漏性能好、抗動(dòng)壓性好，但其成本較高，并且材料可燃、施工中發(fā)熱，不利于預(yù)防煤層自燃和礦井高溫區(qū)堵漏防滅火。因此，針對井下發(fā)泡充填材料及裝備進(jìn)行研究，開發(fā)使用方便、工程量少、能夠確保礦井安全生產(chǎn)的無機(jī)固化充填封堵發(fā)泡材料及裝備具有重要意義。

1 礦用固化泡沫充填技術(shù)

1.1 無機(jī)固化充填劑

無機(jī)固化充填劑由膠結(jié)材料與增加劑、速凝劑等外加劑組成。膠結(jié)材料主料選用水泥類材料，加入一定量的Ca(OH)2使膠結(jié)材料活性得到有效激發(fā)。Ca(OH)2既提供了破解Si—O、A1—O鍵的OH-離子，同時(shí)又提供了材料膠凝所需的Ca2+：

增強(qiáng)劑主要為硫酸鹽，其中的SO2-4，在Ca2+的作用下，與液相的活性A12O3反應(yīng)生成鈣礬石：

部分水化鋁酸鈣也可與石膏反應(yīng)生成鈣礬石：

選用SM速凝劑調(diào)節(jié)膠凝時(shí)間。通過正交實(shí)驗(yàn)表明，隨SM速凝劑用量增加，材料初凝時(shí)間降低，最短達(dá)1.5～2 min。

復(fù)合增強(qiáng)劑綜合了堿性增強(qiáng)劑和硫酸鹽增強(qiáng)劑的功能，并且含有早強(qiáng)功能，早強(qiáng)劑促進(jìn)膠結(jié)材料水化，有利于改善發(fā)泡環(huán)境。

1.2 發(fā)泡劑及其水泡沫

選擇細(xì)密的水泡沫作為發(fā)泡充填材料的泡沫來源。發(fā)泡充填材料的骨架為無機(jī)膠結(jié)材料，泡沫與無機(jī)材料的相容性十分重要。

選擇多種表面活性劑與穩(wěn)泡劑進(jìn)行混合作為發(fā)泡劑原漿。通過一系列實(shí)驗(yàn)，研究不同泡沫劑所形成的泡沫在無機(jī)固化材料漿液內(nèi)的穩(wěn)定性，最終確定穩(wěn)定性好、形成泡沫細(xì)密、不連通的復(fù)合泡沫劑中表面合性劑、穩(wěn)泡劑等的組成與配比：SA-O2表面活性劑占90%，SA-12占5%，穩(wěn)泡劑BS-32占3%，相容劑PS占2%。發(fā)泡劑原漿與水按一定比例混合，形成發(fā)泡劑混合液。發(fā)泡劑混合液通過與風(fēng)作用，形成細(xì)密的泡沫。

進(jìn)行了發(fā)泡劑混合液制備水性泡沫的實(shí)驗(yàn)。為了保證實(shí)驗(yàn)順利進(jìn)行，制做了材料發(fā)泡實(shí)驗(yàn)機(jī)。該實(shí)驗(yàn)機(jī)電機(jī)、泵、空壓機(jī)和發(fā)泡管構(gòu)成。泡沫混合液由泵自吸并噴入發(fā)泡管中，同時(shí)空壓機(jī)向發(fā)泡管中注入空氣。設(shè)備出口就會(huì)自動(dòng)噴出泡沫。通過調(diào)整發(fā)泡液的流量，空氣流量等參數(shù)，可以改變發(fā)泡倍數(shù)，調(diào)節(jié)制成的泡沫形態(tài)。

1.3 發(fā)泡固化材料合成及力學(xué)性能

將固化充填劑漿液與泡沫按比例混合(1 m3漿液分別與8 m3、10 m3和12 m3泡沫混合，使其發(fā)泡倍數(shù)分別達(dá)到約為8、10和12)，攪拌均勻，靜置使之固化。采用加入不同比例速凝劑的原料，使其固化時(shí)間從2 min～6 h可調(diào)，能夠滿足現(xiàn)場不同條件需要。

將實(shí)驗(yàn)原料按如下比例混合制備試樣：復(fù)合增強(qiáng)劑2%，膠結(jié)材料加至100%。將固體發(fā)泡充填材料與水按1∶1左右的比例混合并攪拌均勻，然后注入模具，模具尺寸100 mm×100 mm×100 mm，養(yǎng)護(hù)環(huán)境濕度95%、溫度(20±1)℃，成型后帶模養(yǎng)護(hù)24 h，到達(dá)預(yù)定養(yǎng)護(hù)齡期3 d后取出試件置入105～110 ℃烘箱連續(xù)烘干3 d后測定試件的密度及其抗壓強(qiáng)度。密度和強(qiáng)度均取3塊試件平均值。材料單軸抗壓試驗(yàn)采用YTD-200型電子式壓力試驗(yàn)機(jī)，采用進(jìn)口7V07程序控制記錄儀。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。

圖1 試件應(yīng)力-應(yīng)變曲線

對容重為250 kg/m3試件，7 d的抗壓強(qiáng)度都在1.7 MPa以上。容重較大的充填材料(如圖1中容重1 000 kg/m3)抗壓強(qiáng)度較大，但達(dá)到一定應(yīng)變后發(fā)生屈服。發(fā)泡倍較大的充填材料(如圖1中容重為250 kg/m3時(shí))，隨應(yīng)變量持續(xù)增大，但其承受的應(yīng)力不增加。根據(jù)材料力學(xué)分析，無機(jī)發(fā)泡材料中由于引入了大量的氣泡，相當(dāng)材料中引入無數(shù)均勻的缺陷。當(dāng)材料受到外力時(shí)，由于受力通常不均勻，在受力相對較大的邊緣部位，材料沿這些缺陷破碎而發(fā)生屈服，但材料總體結(jié)構(gòu)不變化，其中部不會(huì)產(chǎn)生裂隙。由于周邊微泡破裂，但整體上未發(fā)生破裂，故材料受力達(dá)到最大值后其應(yīng)變量增加但應(yīng)力基本不變。用這種材料進(jìn)行封堵，在受到強(qiáng)大的地壓力時(shí)不會(huì)發(fā)生整個(gè)材料破裂而產(chǎn)生較大的漏風(fēng)裂縫。

1.4 材料孔結(jié)構(gòu)容重與發(fā)泡倍數(shù)

材料容重通過測量其體積與質(zhì)量計(jì)算得到。將材料制成標(biāo)準(zhǔn)試樣，在106 ℃的真空干燥箱中干燥6 h，脫除其中的游離水分。待樣品冷去后，用游標(biāo)卡尺測量其尺寸，精確到0.1 mm。據(jù)立方體樣品的三維尺寸計(jì)算其體積。然后，利用天平稱量其質(zhì)量，精確到0.01 g。運(yùn)用下式計(jì)算材料的容重：

(1)

式中：ρ—發(fā)泡材料容重，kg/m3；M—發(fā)泡材料的質(zhì)量，kg；V—發(fā)泡后的體積，m3。

發(fā)泡倍數(shù)計(jì)算如下：

因?yàn)棣?m/nV固，ρ0=m/V固

故n=ρ0/ρ

(2)

式中：n—發(fā)泡倍數(shù)；V固—為未發(fā)泡的固體材料的體積，m3；ρ0—未發(fā)泡材料的密度，kg/m3。

由于未發(fā)泡的混凝土類材料比重約2.5，材料的容重正比于發(fā)泡倍數(shù)，可以確定發(fā)泡充填材料設(shè)計(jì)容重在220～1 000 kg/m3，對應(yīng)的發(fā)泡倍數(shù)約為12～2.5。容重為250 kg/m3的材料，發(fā)泡倍數(shù)約為10。

將制備的試樣切割開，表面磨光制成切片，在光學(xué)顯微鏡下觀測其孔結(jié)構(gòu)。圖2是放大60倍時(shí)發(fā)泡充填材料孔分布圖。由圖可知，發(fā)泡劑引入的孔在材料內(nèi)部分布均勻，孔徑在1 mm以下，多為封閉的圓形孔，因此有較好的封堵漏風(fēng)作用。說明發(fā)泡充填材料的強(qiáng)度主要是取決于其孔結(jié)構(gòu)和粘結(jié)界面。

圖2 放大60倍的發(fā)泡充填材料孔結(jié)構(gòu)圖

由圖2可見，生成的發(fā)泡材料中的孔隙均為封閉的孔隙，因此材料有較好的氣密性，實(shí)際測得的氣密性指標(biāo)為0.85×10-6m3·m-2·min-1，故該材料封堵效果良好。

1.5 環(huán)保性分析

無機(jī)發(fā)泡充填材料主要成分為硫鋁酸鹽，CaO·A12O3·3CaSO4·14H2O，為無機(jī)非水溶性材料。材料的泡沫劑為無害的表面活性劑，并且在材料形成過程中被圈閉在無機(jī)固體物內(nèi)部，不會(huì)對地下水造成污染。

該材料在400 ℃的高溫下不會(huì)破壞，不會(huì)產(chǎn)生揮發(fā)分，不會(huì)對大氣構(gòu)成任何污染，材料無放射性，無毒、無害。

材料制備過程中可能會(huì)產(chǎn)生粉塵。為防止粉塵污染，充填設(shè)備設(shè)計(jì)為全密封，可避免粉塵對人體危害。

2 無機(jī)發(fā)泡充填裝備與工藝

2.1 無機(jī)發(fā)泡充填裝備

無機(jī)發(fā)泡充填材料由無機(jī)充填劑、水和發(fā)泡劑組成。每充填1 m3，需要無機(jī)充填劑220～300 kg，水150～200 L，發(fā)泡劑1～2 L。材料發(fā)泡倍數(shù)可以達(dá)到8～10倍甚到更高，強(qiáng)度可達(dá)到1.6 MPa以上。實(shí)際應(yīng)用中，根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際需要，初凝時(shí)間調(diào)節(jié)為15～30 min。無機(jī)固化充填劑與水的配比設(shè)定為1∶1左右。據(jù)此設(shè)計(jì)無機(jī)發(fā)泡充填材料制備和充填裝備，其結(jié)構(gòu)原理如圖3所示。

首先向礦用無機(jī)發(fā)泡充填設(shè)備進(jìn)料箱里加入無機(jī)固化充填劑，設(shè)備將充填劑定量、均勻地送入混合攪拌器，并將發(fā)泡液連續(xù)制成泡沫送入混合攪拌器，同時(shí)根據(jù)需要向混合攪拌器加入一定量的水。水與固體粉末的重量比約為1∶1。為了保證制漿的效果、防止堵塞，應(yīng)保持混合攪拌器內(nèi)一定的液面高度。

隨后攪拌器將水、固化充填器和泡沫混合，制成一定濃度的發(fā)泡漿液；發(fā)泡劑的效果直接影響充填材料的質(zhì)量。新型復(fù)合發(fā)泡劑使用時(shí)添加量約為1 kg/m3，其穩(wěn)泡性能非常優(yōu)秀，可以產(chǎn)生細(xì)密的泡沫，并且在攪拌過程中不會(huì)破泡。發(fā)泡劑使用工藝為：①將發(fā)泡劑原液與水按1∶30的比例混合，并用空壓機(jī)壓入空氣，使之形成泡沫，為了保證生成泡沫為細(xì)密的泡沫，發(fā)泡劑應(yīng)先穿過多孔材料的碎泡發(fā)生器；②將固化充填劑的漿液與泡沫液混合攪拌均勻；③用輸送泵將泡沫液與固化充填劑漿液的混合液輸送至井下充填地點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)充填功能。

圖3 無機(jī)發(fā)泡充填設(shè)備結(jié)構(gòu)原理圖

礦用無機(jī)發(fā)泡充填設(shè)備通常置于巷幫附近，其前端約1 m處放置輸送泵。所使用的材料、原料等也要從地面運(yùn)至井下。充填設(shè)備出漿口連接輸送泵進(jìn)液口，泵出口管路通往充填地點(diǎn)。

2.2 無機(jī)發(fā)泡合成工藝

根據(jù)材料性能與結(jié)構(gòu)的關(guān)系，選用膠結(jié)材料外加速凝劑和增強(qiáng)劑構(gòu)成的無機(jī)固化充填劑，以及復(fù)合發(fā)泡劑的空氣-水泡沫混合制備而成，如圖4所示。

3 無機(jī)發(fā)泡封堵技術(shù)應(yīng)用

神東公司安排在哈拉溝煤礦部分地點(diǎn)進(jìn)行推廣應(yīng)用。2015年4～12月共充填密閉12道，充填體積達(dá)到200 m3，經(jīng)濟(jì)、安全效益十分明顯，完全滿足密閉施工要求。

根據(jù)應(yīng)用效果，2016年已在神東公司所屬井工礦全面推廣應(yīng)用，截止2016年3月末，累計(jì)施工密閉38道密閉，充填體積630 m3。

圖4 發(fā)泡充填材料的配比及合成工藝

3.1 充填方案及過程

無機(jī)發(fā)泡充填技術(shù)工業(yè)試驗(yàn)地點(diǎn)為哈拉溝煤礦，該礦位于陜西省神木市大柳塔鎮(zhèn)境內(nèi)，是神東煤炭集團(tuán)的一座特大型現(xiàn)代化煤礦，其巷道掘進(jìn)采用最先進(jìn)的雙巷掘進(jìn)技術(shù)，每50 m一個(gè)聯(lián)絡(luò)巷，當(dāng)工作面推過這些聯(lián)絡(luò)巷后，需要對其進(jìn)行充填封閉。充填位置及充填設(shè)備連接如圖5所示。

圖5 注無機(jī)發(fā)泡材料設(shè)備管路及鉆孔布置剖示圖

發(fā)泡充填設(shè)備接通水、氣，并與泵相連，輸送泵出口至分流器段按管徑為DN50的高壓管，混合器至充填材料灌注管外口為DN38高壓軟管，通往閉墻內(nèi)的充填充料預(yù)埋管為DN38鋼管。

閉墻內(nèi)預(yù)埋注充填材料管，管出口設(shè)計(jì)位于聯(lián)絡(luò)巷頂部兩道磚墻之間，距離磚墻50 cm緊貼巷道項(xiàng)板處。共設(shè)2個(gè)鉆孔，一個(gè)位于左幫側(cè)，另一個(gè)位于右?guī)?距離巷幫<50 cm)。充填設(shè)備放置在需充填聯(lián)絡(luò)巷附近的順槽巷道中，位于3個(gè)需充填聯(lián)巷中，中間聯(lián)巷口附近。將設(shè)備靠近巷幫布置，所需無機(jī)發(fā)泡充填劑、發(fā)泡液均運(yùn)到設(shè)備位置附近。設(shè)備接通水和氣，并將出漿口與輸漿管相連，直通往充填材料灌注口，打開設(shè)備供水，開啟設(shè)備，即可進(jìn)行充填試驗(yàn)。

2015年2月開始充填試驗(yàn)。試驗(yàn)時(shí)將設(shè)備放在車上，便于移動(dòng)和運(yùn)輸。同時(shí)，充填材料也置于另一輛車上，兩車處于同一高度，便于充填材料添加。充填過程中，設(shè)備一直運(yùn)行正常，未發(fā)生堵塞設(shè)備及管路現(xiàn)象。充填過程中發(fā)現(xiàn)材料有膨脹現(xiàn)象，大致判斷膨脹率在20%左右，這有利于材料接頂。經(jīng)過多次試驗(yàn)，每次試驗(yàn)過程經(jīng)歷8 h以上，設(shè)備連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)沒有出現(xiàn)故障，說明設(shè)備性能穩(wěn)定，達(dá)到了預(yù)期要求。向密閉內(nèi)灌注充填材料經(jīng)過幾小時(shí)時(shí)間，材料漿液從頂板漏出，可以判斷充滿了整個(gè)密閉空間。由于材料有一定的膨脹性，使其頂板位置封堵嚴(yán)密，巷道漏風(fēng)得到了根本的控制。

3.2 充填效果檢驗(yàn)

密閉的充填結(jié)束后，4月9日打開所有密閉檢驗(yàn)，效果如圖6所示。

圖6 無機(jī)發(fā)泡充填材料充填效果圖

可以看出，充填效果總體良好。全斷面密閉充填情況下，大部分地點(diǎn)充填可以達(dá)到接頂，但閉墻下側(cè)(巷道進(jìn)風(fēng)側(cè))由于管道堵塞未實(shí)現(xiàn)完全接頂。充填后第3天打開閉墻可以看到材料固化效果良好，強(qiáng)度較大也比較穩(wěn)定，材料性能達(dá)到要求；充填材料與下部黃土接觸面清晰可見，但充填材料有浸漬到黃土內(nèi)的情況，加固了黃土充填，提高了堵漏效果。充填材料完全封堵了漏風(fēng)通道，在受壓時(shí)不會(huì)產(chǎn)生裂縫，材料不存在收縮、坍塌現(xiàn)象；充填材料接頂良好，頂部無任何縫隙，并且頂部裂隙內(nèi)也充滿了無機(jī)發(fā)泡材料，堵漏效果良好。

3.3 經(jīng)濟(jì)效益分析

2015年哈拉溝煤礦共計(jì)充填密閉12道，充填量為200 m3，成本為0.045萬元/m3，相對有機(jī)充填材料的0.3萬元/m3，可節(jié)支0.25萬元/m3，則2015年份共節(jié)支51.0萬元。

年節(jié)支額=充填量×相對節(jié)支成本=200 m3×(0.3萬元/m3-0.045 0萬元/m3)=51.0萬元。

2016～2017年在公司所屬礦井施工密閉76道，充填量為1 260 m3。

節(jié)省資金額=充填量×相對節(jié)支成本=1 260 m3×(0.3萬元/ m3-0.045萬元/m3)=321.3萬元。

4 結(jié)論

(1)開發(fā)出無機(jī)發(fā)泡充填材料，其發(fā)泡倍數(shù)可達(dá)到10倍以上，另外在充填過程中體積膨脹20%以上，抗壓強(qiáng)度可達(dá)1.6 MPa以上，密封性良好，可達(dá)到密閉、裂隙、采空區(qū)等空間充填堵漏的效果。

(2)開發(fā)的無機(jī)發(fā)泡充填設(shè)備，可實(shí)現(xiàn)無機(jī)發(fā)泡充填材料制備、輸送和充填功能，設(shè)備采用氣動(dòng)，自動(dòng)化程度高，其流量可達(dá)10 m3/h以上，滿足了礦井快速充填堵漏的功能。

(3)無機(jī)發(fā)泡充填材料和技術(shù)在哈拉溝煤礦應(yīng)用，取得了良好的堵漏效果，表明該材料、裝備與技術(shù)能夠滿足礦井堵漏防滅火需要，具有廣闊的推廣應(yīng)用前景。

(4)該技術(shù)可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的兩道磚，內(nèi)填有機(jī)發(fā)泡材料或黃土的密閉工藝，可在神東礦區(qū)其他礦井推廣應(yīng)用。