煤礦移動(dòng)灌漿及發(fā)泡封堵防滅火技術(shù)

黃興利，周鼎宇

(陜西陜煤黃陵礦業(yè)公司，陜西 延安 727307)

0 引言

我國(guó)煤層自燃災(zāi)害嚴(yán)重，研究表明漏風(fēng)導(dǎo)致的巷道自燃災(zāi)害占礦井火災(zāi)的60%以上，為了減少由于漏風(fēng)引發(fā)的火災(zāi)事故，大多會(huì)在礦井巷道及工作面端頭建造密閉隔離墻，以達(dá)到堵漏隔絕空氣的目的[1-5]。

封堵防滅火技術(shù)就是堵塞通往礦井采空區(qū)的漏風(fēng)通道，減少向采空區(qū)供氧的防滅火技術(shù)[6-9]。目前，我國(guó)用于礦井工作面巷道密閉、廢舊巷道、松散煤體、漏風(fēng)裂隙等充填加固的材料多選擇黃泥與水泥配比而成的傳統(tǒng)的灌漿材料。隨著新型無(wú)機(jī)材料的研發(fā)及試驗(yàn)，凝膠類、氨鹽類料、膏體材料及新型高分子材料(如馬麗散、艾格勞尼、米諾華)，也替代了傳統(tǒng)材料進(jìn)行封堵、加固等相適應(yīng)的安全防范措施[10-15]。各種材料長(zhǎng)期使用呈現(xiàn)特有的副作用。其中無(wú)機(jī)固化材料易收縮封堵效果不理想；有機(jī)泡沫材料使用成本較高，施工過(guò)程中發(fā)熱、高溫時(shí)分解釋放出有害氣體，不宜用于礦井高溫區(qū)堵漏防滅火。凝膠類封堵材料，包括無(wú)機(jī)凝膠(如硅酸凝膠)、高分子膠體、復(fù)合膠體等能起到良好的充填、堵漏風(fēng)和撲滅煤層火災(zāi)問(wèn)題，但抗壓能力差，成本比較高，且防火有效壽命較短。因此，基于以上封堵材料存在的問(wèn)題，亟需研發(fā)一種封堵效果佳且產(chǎn)生副作用少，并能夠確保礦井安全生產(chǎn)的新型無(wú)機(jī)固化封堵材料，對(duì)于礦井采空區(qū)大面積火災(zāi)治理和充填方面具有重要意義。

1 無(wú)機(jī)發(fā)泡封堵材料

1.1 主原料選擇

依據(jù)礦井充填防滅火的實(shí)際需求，無(wú)機(jī)發(fā)泡充填材料必須能夠填塞漏風(fēng)通道，預(yù)防和控制煤層自燃發(fā)生。發(fā)泡后有一定的強(qiáng)度，能夠充填較大的空間，并且應(yīng)用過(guò)程不需加熱源、使用工藝簡(jiǎn)單。結(jié)合礦井需求及無(wú)機(jī)發(fā)泡充填材料的屬性，該材料主要由膠結(jié)、發(fā)泡、增強(qiáng)、速凝劑等材料構(gòu)成。其中發(fā)泡充填材料主要選用52.5硫鋁酸鹽的復(fù)合材料，提高其膨脹倍數(shù)；速凝劑和復(fù)合增強(qiáng)劑提高材料與圍巖結(jié)合下的初凝強(qiáng)度及凝固速度，同時(shí)滿足充填工藝的要求。發(fā)泡充填劑的制作流程如圖1所示。其中要注意膠結(jié)材料、增強(qiáng)劑的配比，速凝劑的選擇，發(fā)泡劑的選擇與配比。因此需要研究發(fā)泡材料的組成、配比與性能的關(guān)系，優(yōu)化其配方，研發(fā)出適合礦井防滅火的封堵材料。

圖1 發(fā)泡充填材料的組成及合成工藝流程Fig.1 Composition and synthesis technology of foam filling material

1.2 無(wú)機(jī)固化充填劑配比分析

1.2.1 膠結(jié)材料

膠結(jié)材料選用水泥類材料，受其活性金屬氧化物少的影響，增加堿含量，達(dá)到激發(fā)膠結(jié)材料活性的目的。其中Ca(OH)2對(duì)膠結(jié)材料起到最終激發(fā)的作用，與水泥發(fā)生的化學(xué)式如式(1)、(2)所示。通過(guò)Ca(OH)2的激發(fā)作用，提供了破解Si—O、Al—O鍵的OH-離子的同時(shí)又使膠結(jié)材料水化生成硬性膠凝材料所需的Ca2+。膠結(jié)材料中活性SiO2、Al2O3與水存在時(shí)，共同與Ca(OH)2反應(yīng)生成水化硅酸鈣(C—S—H)和水化鋁酸鈣(C—A—H)。

(1)

(2)

1.2.2 增強(qiáng)劑作用機(jī)理

(3)

(4)

1.2.3 增強(qiáng)劑選取

采用的增強(qiáng)劑為西安科技大學(xué)自制復(fù)合增強(qiáng)劑，其主要成分以硫酸鈉為主，其添加量為2%。選用SH高效速凝劑為初凝調(diào)節(jié)劑，在降低成本的同時(shí)，提高了初凝時(shí)間及抗壓強(qiáng)度。在主料中加入速凝劑后，主料與速凝劑發(fā)生水化反應(yīng)生成水化礦物鈣鞏石，從而提高了初凝強(qiáng)度，使得初終凝時(shí)間及抗壓強(qiáng)度更加穩(wěn)定。通過(guò)正交試驗(yàn)，研究高效速凝劑的用量與初凝時(shí)間的關(guān)系，從而可確定材料配方。研究表明，速凝劑添加量通常在5%以下，隨著速凝劑添加量的增加，材料初凝時(shí)間降低，最短達(dá)1.5～2 min。

1.2.4 固化材料

經(jīng)過(guò)試驗(yàn)，膠結(jié)材料與增強(qiáng)劑混合形成的固化材料，其強(qiáng)度可以達(dá)到20 MPa以上，加入不同量的速凝劑后，其固化時(shí)間可以從2 min以內(nèi)延長(zhǎng)到幾小時(shí)以上。主料的漿液經(jīng)過(guò)發(fā)泡后仍然可保持較高的強(qiáng)度，能夠滿足性能要求。因此，無(wú)機(jī)固化充填劑配方為：52.5硫鋁酸鹽水泥約95%，自制復(fù)合增強(qiáng)劑2%，SH速凝劑3%。按此配方所制備材料的初凝時(shí)間約為10 min。

2 材料性能測(cè)試

2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1.1 試驗(yàn)裝置

無(wú)機(jī)發(fā)泡充填材料及其配比確定后進(jìn)行強(qiáng)度測(cè)試，檢驗(yàn)是否能達(dá)到實(shí)際應(yīng)用效果。無(wú)機(jī)發(fā)泡充填材料原料與水混合形成膏體的強(qiáng)度是指承受外力(荷載)破壞的能力。發(fā)泡充填材料性能測(cè)試主要關(guān)注初凝時(shí)間和抗壓強(qiáng)度。本次試驗(yàn)采用自行設(shè)計(jì)的小球下落試驗(yàn)裝置，分析材料與水混合形成膏體的強(qiáng)度及其影響因素，試驗(yàn)裝置如圖2所示。

圖2 小球下落測(cè)強(qiáng)度裝置示意Fig.2 Strength measuring device of falling ball method

2.1.2 試驗(yàn)方法

用一個(gè)直徑為14 cm的小鋼珠測(cè)試樣品強(qiáng)度。試樣倒入150 mL的燒杯中，質(zhì)量約200 g，小球下落高度設(shè)置為20 cm；小球固定在凹槽處，讓小球做自由落體運(yùn)動(dòng)。通過(guò)小球沖擊進(jìn)入尚未完全硬化的試件中，測(cè)定小球下落的深度，用其來(lái)表征試樣的強(qiáng)度。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果

2.2.1 試驗(yàn)結(jié)果記錄方法

將按照前述方法制備的固體發(fā)泡充填材料與水按2∶1左右的比例混合并攪拌均勻。隨后向上述材料形成的膏體中加入泡沫，然后注入模具，出現(xiàn)混合物變稠跡象后，開(kāi)始落球強(qiáng)度測(cè)定試驗(yàn)，記錄不同時(shí)刻不同比例落球強(qiáng)度。鑒于試驗(yàn)樣品固化前為發(fā)泡倍數(shù)較大的膏體材料，其強(qiáng)度較低，在膠凝初期容易發(fā)生小球掉入材料內(nèi)，導(dǎo)致進(jìn)一步試驗(yàn)困難。由于膏體材料的主要骨架的強(qiáng)度變化規(guī)律是相同的，故本試驗(yàn)采用發(fā)泡倍數(shù)約為8的材料進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)過(guò)程為：將膠結(jié)材料主體與水按2∶1混合形成漿狀材料，根據(jù)膠結(jié)材料主體體積，向其中混入8倍的泡沫，混合均勻并開(kāi)始記時(shí)，待混合材料失去流動(dòng)性后開(kāi)始用落球法測(cè)定其強(qiáng)度。

2.2.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)需要，開(kāi)展了一系列的試驗(yàn)，測(cè)定SH高效速凝劑比例不同時(shí)其落球強(qiáng)度隨時(shí)間變化規(guī)律。SH型高效速凝劑加入量分別為2%、2.5%、3%、3.5%、5%，用落球法測(cè)定發(fā)泡充填體的強(qiáng)度隨時(shí)間的變化曲線如圖3所示。由圖3可知，隨時(shí)間的延長(zhǎng)落球深度降低。一段時(shí)間后，下落高度已基本不變，達(dá)到初凝狀態(tài)。隨著速凝劑加入量的增加，落球深度穩(wěn)定的時(shí)間減少，說(shuō)明凝固時(shí)間減少。以落球深度接近1 mm且隨時(shí)間延長(zhǎng)變化不明顯的時(shí)間節(jié)點(diǎn)為初凝時(shí)間。速凝劑加入量分別為5%、3.5%、3%、2.5%、2%時(shí)，配制的發(fā)泡充填材料的初凝時(shí)間分別約為1.5 min、5 min、10 min、15 min、25 min。這幾種配方的無(wú)機(jī)發(fā)泡充填材料的凝固時(shí)間，可在1.5～25 min范圍內(nèi)變化，滿足了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的需要。

圖3 充填材料強(qiáng)度與時(shí)間變化曲線Fig.3 Relationship between filling material strength and time

3 工程應(yīng)用

3.1 設(shè)備工藝系統(tǒng)構(gòu)成

研究發(fā)現(xiàn)該氣動(dòng)設(shè)備工藝不連續(xù)，工人勞動(dòng)強(qiáng)度相對(duì)較高。因此決定對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)，設(shè)計(jì)出連續(xù)工作的無(wú)機(jī)發(fā)泡固化充填工藝裝備。實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，將發(fā)泡劑與水按1∶30的比例混合制成發(fā)泡劑溶液。該溶液制成泡沫，并與無(wú)機(jī)發(fā)泡充填劑、水混合成發(fā)泡漿液，然后輸送到充填地點(diǎn)，其應(yīng)用工藝如圖4所示。發(fā)泡充填設(shè)備包括主機(jī)和配套泵，主機(jī)由風(fēng)動(dòng)馬達(dá)、發(fā)泡液箱、螺旋送料裝置、發(fā)泡液泵、泡沫發(fā)生器、混合攪拌器組成，結(jié)構(gòu)如圖5所示。

3.2 充填方案

3.2.1 充填設(shè)備及位置

充填設(shè)備連接如圖6所示。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。聯(lián)巷閉墻頂部大量充填施工時(shí)，聯(lián)絡(luò)巷采用2道磚墻封閉，磚墻間距為1 m，內(nèi)部空間下部用黃土充填，上部采用無(wú)機(jī)發(fā)泡充填材料充填，具體施工位置如圖7所示。

圖4 注無(wú)機(jī)發(fā)泡材料流程Fig.4 Filling process of inorganic foaming material

圖5 發(fā)泡充填設(shè)備組成Fig.5 Composition of foam filling equipment

圖6 設(shè)備管路及鉆孔布置方式Fig.6 Equipment pipeline and drilling layout

圖7 充填位置確定Fig.7 Determination of filling position

3.2.2 充填方法

根據(jù)實(shí)際情況，全斷面密閉內(nèi)層為磚混結(jié)構(gòu)，外層為木板密閉，即用五合板接起，用鋼梁從外側(cè)加固。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2道磚墻之間，距離磚墻50 cm緊貼巷道頂板處。共設(shè)二個(gè)鉆孔，一個(gè)位于左幫側(cè)，另一個(gè)位于右?guī)?距離巷幫小于50 cm)。用無(wú)機(jī)發(fā)泡充填材料充填的位置為2道磚密閉之間黃土充填區(qū)上部，充填高度計(jì)劃為2 m，充填巷道寬5.6 m，則每道密閉需要充填的體積約為12 m3。充填設(shè)備設(shè)置在需要充填位置的順槽中的巷幫位置，所需無(wú)機(jī)發(fā)泡充填劑、發(fā)泡液等設(shè)備接通水和氣，將充填材料直接注入灌注口，開(kāi)啟設(shè)備，進(jìn)行試驗(yàn)。全斷面巷道充填與按日常進(jìn)行的頂部充填，管道布置及充填過(guò)程與巷道頂部大范圍空區(qū)充填完全相同。

3.3 應(yīng)用效果

按上述方案設(shè)計(jì)對(duì)聯(lián)絡(luò)巷進(jìn)行充填試驗(yàn)，充填量約為12 m3。充填過(guò)程很順利，3 t材料很快充入密閉，并且實(shí)現(xiàn)了接頂。3天后打開(kāi)密閉，發(fā)現(xiàn)頂部接頂效果良好，從發(fā)泡充填材料與下部黃土之間界面上看，充填材料已經(jīng)浸入黃土，使黃土得到加固，并且其中的漏風(fēng)空隙被充填，但仍可明顯看見(jiàn)黃土與發(fā)泡材料間的界面，充填效果如圖8、9所示。

圖8 充填密閉上半部分效果Fig.8 Effect of filling and sealing

圖9 充填材料與下部黃土間界面Fig.9 Interface between filling material and lower loess

4 結(jié)論

(1)研發(fā)了礦用無(wú)機(jī)固化充填材料，其配比為52.5硫鋁酸鹽水泥約95%、自制復(fù)合增強(qiáng)劑2%、SH速凝劑3%，按此配方所制備材料的初凝時(shí)間約為10 min。

(2)采用落球法測(cè)定發(fā)泡充填體的強(qiáng)度可知，隨著速凝劑增加，材料凝固時(shí)間不斷縮短并且初凝強(qiáng)度不斷增加。

(3)充填過(guò)程中，材料能夠充滿四周，并可有效接頂，不收縮、不坍塌；材料在預(yù)先加氣的條件后，還會(huì)發(fā)生20%的膨脹，從而保證了密閉墻內(nèi)充填過(guò)程中的有效接頂。