矿用固化泡沫充填技术在哈拉沟煤矿的应用

2018-07-30赵美成

陕西煤炭 2018年3期

赵美成

(国家能源集团神东煤炭有限责任公司技术研究院，陕西神木 719315)

0 引言

我国煤炭资源丰富，是世界上最大的煤炭生产和消费国。煤炭在我国能源结构中的主体地位未来几十年不会改变。我国许多现代化煤矿，采煤工作面顺槽采用联采机双巷掘进，两巷之间联络巷比较密集(最多每50 m一个)，生产过程中需要及时封堵，以保障安全生产。此外，井下工作面巷道密闭，废旧巷道、松散煤体、漏风裂隙等区域的充填工作量也非常大。施工密闭墙是堵住通往采空区漏风的重要手段。

目前密闭施工大多采用两道砖密闭，中间充填堵漏材料。用于矿井堵漏和充填的材料有：黄泥与水泥等传统的灌浆材料；凝胶类封堵材料；膏体充填材料；聚氨酯硬泡沫和新型的罗克休、马丽散、艾格劳尼、米诺华等有机充填材料等。这些充填材料中，无机固化材料易收缩堵漏风效果不理想；凝胶类封堵材料成本比较高，且防火有效寿命较短。有机泡沫材料充填堵漏性能好、抗动压性好，但其成本较高，并且材料可燃、施工中发热，不利于预防煤层自燃和矿井高温区堵漏防灭火。因此，针对井下发泡充填材料及装备进行研究，开发使用方便、工程量少、能够确保矿井安全生产的无机固化充填封堵发泡材料及装备具有重要意义。

1 矿用固化泡沫充填技术

1.1 无机固化充填剂

无机固化充填剂由胶结材料与增加剂、速凝剂等外加剂组成。胶结材料主料选用水泥类材料，加入一定量的Ca(OH)2使胶结材料活性得到有效激发。Ca(OH)2既提供了破解Si—O、A1—O键的OH-离子，同时又提供了材料胶凝所需的Ca2+：

增强剂主要为硫酸盐，其中的SO2-4，在Ca2+的作用下，与液相的活性A12O3反应生成钙矾石：

部分水化铝酸钙也可与石膏反应生成钙矾石：

选用SM速凝剂调节胶凝时间。通过正交实验表明，随SM速凝剂用量增加，材料初凝时间降低，最短达1.5～2 min。

复合增强剂综合了碱性增强剂和硫酸盐增强剂的功能，并且含有早强功能，早强剂促进胶结材料水化，有利于改善发泡环境。

1.2 发泡剂及其水泡沫

选择细密的水泡沫作为发泡充填材料的泡沫来源。发泡充填材料的骨架为无机胶结材料，泡沫与无机材料的相容性十分重要。

选择多种表面活性剂与稳泡剂进行混合作为发泡剂原浆。通过一系列实验，研究不同泡沫剂所形成的泡沫在无机固化材料浆液内的稳定性，最终确定稳定性好、形成泡沫细密、不连通的复合泡沫剂中表面合性剂、稳泡剂等的组成与配比：SA-O2表面活性剂占90%，SA-12占5%，稳泡剂BS-32占3%，相容剂PS占2%。发泡剂原浆与水按一定比例混合，形成发泡剂混合液。发泡剂混合液通过与风作用，形成细密的泡沫。

进行了发泡剂混合液制备水性泡沫的实验。为了保证实验顺利进行，制做了材料发泡实验机。该实验机电机、泵、空压机和发泡管构成。泡沫混合液由泵自吸并喷入发泡管中，同时空压机向发泡管中注入空气。设备出口就会自动喷出泡沫。通过调整发泡液的流量，空气流量等参数，可以改变发泡倍数，调节制成的泡沫形态。

1.3 发泡固化材料合成及力学性能

将固化充填剂浆液与泡沫按比例混合(1 m3浆液分别与8 m3、10 m3和12 m3泡沫混合，使其发泡倍数分别达到约为8、10和12)，搅拌均匀，静置使之固化。采用加入不同比例速凝剂的原料，使其固化时间从2 min～6 h可调，能够满足现场不同条件需要。

将实验原料按如下比例混合制备试样：复合增强剂2%，胶结材料加至100%。将固体发泡充填材料与水按1∶1左右的比例混合并搅拌均匀，然后注入模具，模具尺寸100 mm×100 mm×100 mm，养护环境湿度95%、温度(20±1)℃，成型后带模养护24 h，到达预定养护龄期3 d后取出试件置入105～110 ℃烘箱连续烘干3 d后测定试件的密度及其抗压强度。密度和强度均取3块试件平均值。材料单轴抗压试验采用YTD-200型电子式压力试验机，采用进口7V07程序控制记录仪。实验结果如图1所示。

图1 试件应力-应变曲线

对容重为250 kg/m3试件，7 d的抗压强度都在1.7 MPa以上。容重较大的充填材料(如图1中容重1 000 kg/m3)抗压强度较大，但达到一定应变后发生屈服。发泡倍较大的充填材料(如图1中容重为250 kg/m3时)，随应变量持续增大，但其承受的应力不增加。根据材料力学分析，无机发泡材料中由于引入了大量的气泡，相当材料中引入无数均匀的缺陷。当材料受到外力时，由于受力通常不均匀，在受力相对较大的边缘部位，材料沿这些缺陷破碎而发生屈服，但材料总体结构不变化，其中部不会产生裂隙。由于周边微泡破裂，但整体上未发生破裂，故材料受力达到最大值后其应变量增加但应力基本不变。用这种材料进行封堵，在受到强大的地压力时不会发生整个材料破裂而产生较大的漏风裂缝。

1.4 材料孔结构容重与发泡倍数

材料容重通过测量其体积与质量计算得到。将材料制成标准试样，在106 ℃的真空干燥箱中干燥6 h，脱除其中的游离水分。待样品冷去后，用游标卡尺测量其尺寸，精确到0.1 mm。据立方体样品的三维尺寸计算其体积。然后，利用天平称量其质量，精确到0.01 g。运用下式计算材料的容重：

(1)

式中：ρ—发泡材料容重，kg/m3；M—发泡材料的质量，kg；V—发泡后的体积，m3。

发泡倍数计算如下：

因为ρ=m/nV固，ρ0=m/V固

故n=ρ0/ρ

(2)

式中：n—发泡倍数；V固—为未发泡的固体材料的体积，m3；ρ0—未发泡材料的密度，kg/m3。

由于未发泡的混凝土类材料比重约2.5，材料的容重正比于发泡倍数，可以确定发泡充填材料设计容重在220～1 000 kg/m3，对应的发泡倍数约为12～2.5。容重为250 kg/m3的材料，发泡倍数约为10。

将制备的试样切割开，表面磨光制成切片，在光学显微镜下观测其孔结构。图2是放大60倍时发泡充填材料孔分布图。由图可知，发泡剂引入的孔在材料内部分布均匀，孔径在1 mm以下，多为封闭的圆形孔，因此有较好的封堵漏风作用。说明发泡充填材料的强度主要是取决于其孔结构和粘结界面。

图2 放大60倍的发泡充填材料孔结构图

由图2可见，生成的发泡材料中的孔隙均为封闭的孔隙，因此材料有较好的气密性，实际测得的气密性指标为0.85×10-6m3·m-2·min-1，故该材料封堵效果良好。

1.5 环保性分析

无机发泡充填材料主要成分为硫铝酸盐，CaO·A12O3·3CaSO4·14H2O，为无机非水溶性材料。材料的泡沫剂为无害的表面活性剂，并且在材料形成过程中被圈闭在无机固体物内部，不会对地下水造成污染。

该材料在400 ℃的高温下不会破坏，不会产生挥发分，不会对大气构成任何污染，材料无放射性，无毒、无害。

材料制备过程中可能会产生粉尘。为防止粉尘污染，充填设备设计为全密封，可避免粉尘对人体危害。

2 无机发泡充填装备与工艺

2.1 无机发泡充填装备

无机发泡充填材料由无机充填剂、水和发泡剂组成。每充填1 m3，需要无机充填剂220～300 kg，水150～200 L，发泡剂1～2 L。材料发泡倍数可以达到8～10倍甚到更高，强度可达到1.6 MPa以上。实际应用中，根据现场实际需要，初凝时间调节为15～30 min。无机固化充填剂与水的配比设定为1∶1左右。据此设计无机发泡充填材料制备和充填装备，其结构原理如图3所示。

首先向矿用无机发泡充填设备进料箱里加入无机固化充填剂，设备将充填剂定量、均匀地送入混合搅拌器，并将发泡液连续制成泡沫送入混合搅拌器，同时根据需要向混合搅拌器加入一定量的水。水与固体粉末的重量比约为1∶1。为了保证制浆的效果、防止堵塞，应保持混合搅拌器内一定的液面高度。

随后搅拌器将水、固化充填器和泡沫混合，制成一定浓度的发泡浆液；发泡剂的效果直接影响充填材料的质量。新型复合发泡剂使用时添加量约为1 kg/m3，其稳泡性能非常优秀，可以产生细密的泡沫，并且在搅拌过程中不会破泡。发泡剂使用工艺为：①将发泡剂原液与水按1∶30的比例混合，并用空压机压入空气，使之形成泡沫，为了保证生成泡沫为细密的泡沫，发泡剂应先穿过多孔材料的碎泡发生器；②将固化充填剂的浆液与泡沫液混合搅拌均匀；③用输送泵将泡沫液与固化充填剂浆液的混合液输送至井下充填地点，实现充填功能。

图3 无机发泡充填设备结构原理图

矿用无机发泡充填设备通常置于巷帮附近，其前端约1 m处放置输送泵。所使用的材料、原料等也要从地面运至井下。充填设备出浆口连接输送泵进液口，泵出口管路通往充填地点。

2.2 无机发泡合成工艺

根据材料性能与结构的关系，选用胶结材料外加速凝剂和增强剂构成的无机固化充填剂，以及复合发泡剂的空气-水泡沫混合制备而成，如图4所示。

3 无机发泡封堵技术应用

神东公司安排在哈拉沟煤矿部分地点进行推广应用。2015年4～12月共充填密闭12道，充填体积达到200 m3，经济、安全效益十分明显，完全满足密闭施工要求。

根据应用效果，2016年已在神东公司所属井工矿全面推广应用，截止2016年3月末，累计施工密闭38道密闭，充填体积630 m3。

图4 发泡充填材料的配比及合成工艺

3.1 充填方案及过程

无机发泡充填技术工业试验地点为哈拉沟煤矿，该矿位于陕西省神木市大柳塔镇境内，是神东煤炭集团的一座特大型现代化煤矿，其巷道掘进采用最先进的双巷掘进技术，每50 m一个联络巷，当工作面推过这些联络巷后，需要对其进行充填封闭。充填位置及充填设备连接如图5所示。

图5 注无机发泡材料设备管路及钻孔布置剖示图

发泡充填设备接通水、气，并与泵相连，输送泵出口至分流器段按管径为DN50的高压管，混合器至充填材料灌注管外口为DN38高压软管，通往闭墙内的充填充料预埋管为DN38钢管。

闭墙内预埋注充填材料管，管出口设计位于联络巷顶部两道砖墙之间，距离砖墙50 cm紧贴巷道项板处。共设2个钻孔，一个位于左帮侧，另一个位于右帮(距离巷帮<50 cm)。充填设备放置在需充填联络巷附近的顺槽巷道中，位于3个需充填联巷中，中间联巷口附近。将设备靠近巷帮布置，所需无机发泡充填剂、发泡液均运到设备位置附近。设备接通水和气，并将出浆口与输浆管相连，直通往充填材料灌注口，打开设备供水，开启设备，即可进行充填试验。

2015年2月开始充填试验。试验时将设备放在车上，便于移动和运输。同时，充填材料也置于另一辆车上，两车处于同一高度，便于充填材料添加。充填过程中，设备一直运行正常，未发生堵塞设备及管路现象。充填过程中发现材料有膨胀现象，大致判断膨胀率在20%左右，这有利于材料接顶。经过多次试验，每次试验过程经历8 h以上，设备连续运转没有出现故障，说明设备性能稳定，达到了预期要求。向密闭内灌注充填材料经过几小时时间，材料浆液从顶板漏出，可以判断充满了整个密闭空间。由于材料有一定的膨胀性，使其顶板位置封堵严密，巷道漏风得到了根本的控制。

3.2 充填效果检验

密闭的充填结束后，4月9日打开所有密闭检验，效果如图6所示。

图6 无机发泡充填材料充填效果图

可以看出，充填效果总体良好。全断面密闭充填情况下，大部分地点充填可以达到接顶，但闭墙下侧(巷道进风侧)由于管道堵塞未实现完全接顶。充填后第3天打开闭墙可以看到材料固化效果良好，强度较大也比较稳定，材料性能达到要求；充填材料与下部黄土接触面清晰可见，但充填材料有浸渍到黄土内的情况，加固了黄土充填，提高了堵漏效果。充填材料完全封堵了漏风通道，在受压时不会产生裂缝，材料不存在收缩、坍塌现象；充填材料接顶良好，顶部无任何缝隙，并且顶部裂隙内也充满了无机发泡材料，堵漏效果良好。