新型無機發(fā)泡充填材料的研究及應用

于維雨 王繼勇 郭建明 陳 楊 馬 磊

(1.煤炭科學技術(shù)研究院有限公司礦用油品分院，北京市朝陽區(qū)， 100013；2.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點實驗室，北京市朝陽區(qū)， 100013；3.國家能源煤炭高效利用與節(jié)能減排技術(shù)裝備重點實驗室，北京市朝陽區(qū)， 100013)

隨著我國煤礦井下開采深度的逐漸增加，普遍存在圍巖地壓大、斷層構(gòu)造多、巖層松散易破碎和遇水膨脹等惡劣條件，巷道掘進過程中發(fā)生大范圍冒頂事故比例逐步上升。冒頂事故處理不當，不僅影響掘進施工速度，還會引發(fā)二次冒頂和瓦斯等有害氣體積聚，嚴重危害煤礦安全。傳統(tǒng)治理巷道冒頂?shù)姆椒òń饘僦Ъ苣径夥?、錨網(wǎng)噴法以及鉆注法等，均存在操作不便且無法保障施工安全的問題；聚氨酯和酚醛樹脂等有機高分子發(fā)泡材料，施工過程中釋放刺激性有害氣體，產(chǎn)生大量的熱量而引起燒芯現(xiàn)象，已造成多起火災事故，該類產(chǎn)品已被明令禁止使用；無機發(fā)泡材料具有不燃性和環(huán)保特性，但目前國內(nèi)無機發(fā)泡材料均存在性能低、發(fā)泡倍數(shù)為2～5倍、凝結(jié)時間長、難以有效接頂并且多為兩種組分，施工過程中一種組分制漿，另一種組分發(fā)泡，再將泡沫與漿體均勻混合形成泡沫材料，存在操作工藝復雜、設備體積大、輸出量低和輸送距離短等眾多不足。

針對目前國內(nèi)無機發(fā)泡充填材料發(fā)泡倍數(shù)低、施工操作復雜的難題，研究開發(fā)了單一粉體無機材料，實現(xiàn)發(fā)泡材料性能高、施工工藝簡便且能夠快速有效地解決高瓦斯礦井巷道高冒區(qū)充填密閉的難題。

1 無機發(fā)泡充填密閉材料性能研究

新型無機充填密閉材料為單一無機粉料，按水灰比2∶1混合后，經(jīng)高速攪拌裝置攪拌即可快速發(fā)泡。根據(jù)現(xiàn)場使用的要求，對無機發(fā)泡充填密閉材料的發(fā)泡性能、反應溫度、阻燃性能和抗壓性能等關(guān)鍵指標進行了研究。

1.1 發(fā)泡性能

無機充填密閉材料的干粉灰漿料堆積密度為0.95 g/cm3，干粉料與水按水料比(重量比)2∶1混合后，經(jīng)專用高速混合器快速攪拌，10 s即可起泡，40 s泡沫攪拌均勻結(jié)束。發(fā)泡過程為純物理攪拌發(fā)泡，不產(chǎn)生任何有毒有害氣體。泡沫穩(wěn)定后測定泡沫體濕密度為0.236 g/cm3，1 kg干粉灰漿料能夠形成12.7 L無機泡沫體。無機泡沫體14 d齡期外觀如圖1所示。

1.2 反應溫度

測量方法如下：攪拌發(fā)泡結(jié)束后，迅速將泡沫體放入內(nèi)徑規(guī)格為100 mm×100 mm×100 mm的試模中，2 min后泡沫體不流動，用精度為±0.1℃的電子溫度計測定泡沫體中心溫度。初始溫度為26.4℃，最高反應溫度出現(xiàn)在1～1.5 h，為34.1℃。

圖1 無機泡沫體14 d齡期外觀

1.3 阻燃性能

采用《煤礦井下用聚合物制品阻燃抗靜電性通用試驗方法和判定規(guī)則》(MT113-1995)，檢測泡沫體阻燃性能。泡沫體齡期為14 d，酒精噴燈、酒精燈的有焰燃燒、無焰燃燒、火焰擴展長度均為0，無機充填泡沫體阻燃等級為不燃。

1.4 抗壓性能

試件尺寸為100 mm×100 mm×100 mm，養(yǎng)護環(huán)境溫度為20℃±3℃,濕度為90%以上。養(yǎng)護至齡期進行測試，24 h齡期抗壓強度為0.11 MPa，14 d齡期抗壓強度為0.238 MPa。14 d齡期試驗力與位移之間曲線關(guān)系如圖2所示。

圖2 14 d齡期試驗力與位移之間曲線關(guān)系

由圖2可以看出，位移在0～3.00 mm時試驗力迅速增加，位移為1.00 mm時，變形試驗力為410 N；位移為2.00 mm時，變形試驗力為1130 N；位移為3.00 mm時，變形試驗力為1580 N；位移為3.00 mm～6.00 mm時，試驗力平緩增加；位移為6.00 mm時，變形力值為2012 N，在井下可以很好抵抗冒落區(qū)初次來壓；位移為6.00 mm以上時，隨著位移的增大試驗力緩慢增加且趨于平穩(wěn)；位移達到30.00 mm時變形力值不再降低，泡沫體受壓變形好、不開裂，在煤礦冒落區(qū)充填密閉工程中能起到承壓和讓壓的作用。

1.5 其它性能

材料初凝時間為120 s，可一次性堆積8 m以上不坍塌，水灰比(質(zhì)量比)為2∶1，不含有害物質(zhì)。

2 無機充填密閉技術(shù)

2.1 無機充填設備

無機充填密閉材料為單一粉體，采用專用注漿泵實現(xiàn)與水混合、發(fā)泡、泵送一體化；施工用水需要清潔水，供水流量不小于100 L/min；專用注漿泵進水接口尺寸為A25型，出漿管路接口尺寸為A32型，漿料泵送距離為100 m；專用注漿泵設備的電機功率為11 kW，額定電壓為1140 V,輸出流量為100～150 L/min，漿料輸出壓力為1.2 MPa，最大泵送距離不低于300 m。

2.2 發(fā)泡泵送工藝

無機粉料倒入專用注漿泵加料口，水由進水口進入注漿泵，注漿泵將無機粉料和水快速攪拌數(shù)秒即可發(fā)泡，然后泵送至施工地點，實現(xiàn)混合發(fā)泡泵送一體化，泵送最大距離超過300 m，工人注漿操作時可以遠離冒落危險區(qū)，同時可以克服掘進工作面水源和電源不足的困難。無機充填密閉材料泵送流程圖如圖3所示。

圖3 無機充填密閉材料泵送流程圖

3 工程應用

3.1 工程概況

淮北礦業(yè)臨渙煤礦為高瓦斯礦井，Ⅱ1031機巷巷道寬度為4 m，高度為3 m。2013年7月2日早班，綜掘一區(qū)2隊施工過程中遇斷層，迎頭發(fā)生冒落，冒落長度約為8 m，最大冒頂高度約為8 m，空頂體積約為200 m3，事故發(fā)生后掘進工作面已經(jīng)無法施工。

3.2 施工技術(shù)難點分析

冒落區(qū)礦壓不穩(wěn)定，冒落區(qū)域較大，若采取清矸處理，則有再次冒落造成人員傷亡的危險；冒落區(qū)有瓦斯涌出，一方面應當盡早進行充填，防止瓦斯泄漏造成更大損失，另一方面應當使用低溫不燃充填材料，施工過程中盡量遠離冒落區(qū)；充填密閉后，不影響巷道的后續(xù)掘進施工。

3.3 施工工藝

2013年7月3日上午，進行充填施工。充填區(qū)共布置6根充填管，4根長度為4 m，1根為6 m，1根為8 m，均撞至巷道頂板。將專用泵安裝在掘進機后，距迎頭約為30 m，充填管與專用泵之間用出漿管連接。施工過程中，冒落區(qū)瓦斯被無機充填密閉材料擠出，巷道瓦斯有增大趨勢，回風流瓦斯從0.1%增至0.3%。一個中班即施工完畢，共使用無機充填材料20 t，Ⅱ1031機巷冒落區(qū)充填剖面布置如圖4所示。

圖4 Ⅱ1031機巷冒落區(qū)充填剖面布置圖

3.4 施工效果檢測

2013年7月4日上午，施工區(qū)隊按方案要求打撞楔超前護頂恢復施工，順利進入掘進區(qū)，瓦斯?jié)舛忍幱谡Ｋ剑瑹o掉頂現(xiàn)象發(fā)生。經(jīng)過1 a的觀測表明，無機充填密閉材料有效充填高冒區(qū)，防止了冒落區(qū)頂板繼續(xù)垮落，冒頂區(qū)無瓦斯積聚，未發(fā)生再次冒落的事故。

4 結(jié)論

新型無機充填密閉材料為單一粉料,與水混合攪拌10 s即可起泡，泡沫體濕密度為0.236 g/cm3，1 kg干粉灰漿料能夠形成12.7 L泡沫，泡沫體受壓變形30%抗壓強度不降低，在冒落區(qū)充填密閉工程中能起到讓壓的作用。

新型無機充填工藝技術(shù)實現(xiàn)攪拌、發(fā)泡、泵送一體化操作，可以產(chǎn)生30 m3/h的泡沫體，最大輸送距離超過300 m，工人注漿操作時可以遠離冒落危險區(qū)，同時可以克服掘進工作面水源和電源不足的困難。

新型無機充填密閉材料現(xiàn)場應用表明，能夠?qū)Ω咄咚沟V井巷道高冒區(qū)進行快速有效的充填密閉。

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