西銘礦42206沿空留巷巷旁高水充填材料性能研究

＊李磊波

（山西焦煤集團(tuán)西山煤電屯蘭礦 山西 030206）

引言

煤炭行業(yè)對于采空區(qū)和廢棄巷道的傳統(tǒng)處理辦法一直是自然垮落法，近年來，隨著煤炭行業(yè)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，同時為了響應(yīng)國家綠色開采的號召，越來越多的煤礦選擇充填開采處理采空區(qū)和廢棄巷道。沿空留巷是將上一個工作面的運(yùn)輸順槽重復(fù)利用，但是需要高性能的巷旁充填體支撐。

新型高水填料（以下簡稱高水填料）是一種在高水泥系數(shù)條件下能快速凝固的無機(jī)填料。它是中國礦業(yè)大學(xué)“七五”和“八五”國家科技攻關(guān)項(xiàng)目的研究成果。材料本身和相關(guān)技術(shù)得到了改進(jìn)，并在陽泉、徐州、長治、晉中、焦作、呂梁等多個礦務(wù)局現(xiàn)場實(shí)施，現(xiàn)場反饋留巷的效果比較好。

在沿空留巷技術(shù)中應(yīng)用高水充填材料，相比較與矸石沿空留巷和混凝土沿空留巷，有著新的技術(shù)上的優(yōu)勢：施工過程中的工藝系統(tǒng)相對簡單，不需要太多的初始投資；遠(yuǎn)距離傳輸，機(jī)械化的程度比較高；減少礦井水處理和排放的相關(guān)費(fèi)用，符合國家節(jié)能減排優(yōu)惠政策；充填體能適應(yīng)頂板下沉，保持留巷的整體穩(wěn)定性；有效將留巷與采空區(qū)隔離，提高礦井生產(chǎn)安全性[2]。

苗鵬以祥升煤業(yè)6201綜采工作面為背景，分析了高水充填沿空留巷巷旁充填體作用機(jī)理，認(rèn)為巷旁充填體有一定的支護(hù)強(qiáng)度和可縮性，能夠適應(yīng)巷道頂板運(yùn)動規(guī)律；賈海平在同昌煤礦15104工作面的應(yīng)用實(shí)踐表明，高水充填材料在沿空留巷中應(yīng)用，經(jīng)濟(jì)上來說是合理的；黃正棟等實(shí)驗(yàn)室內(nèi)研究了不同配比下改性混凝土的單軸抗壓強(qiáng)度發(fā)現(xiàn)聚合物乙烯-醋酸乙烯共聚物（EVA）改善了巷旁充填體混凝土材料的塑性變形能力，鋼纖維提高了混凝土的延性；西銘礦針對42206沿空留巷工作面開發(fā)研究了一種新型高性能高水充填材料，并在實(shí)驗(yàn)室開展了相關(guān)測試[3]。

1.新型高水充填材料簡介

高水材料被分成甲、乙兩個組分，單純的甲料或者乙料遇水24h內(nèi)不會發(fā)生凝結(jié)，所以在一定的條件下避免了由材料本身原因造成的輸送管路堵塞，但是甲料漿體和乙料漿體一旦相互混合就會快速地硬化。使用時甲、乙兩種料按1:1的比例配合使用，在干燥條件下，材料可以存放3個月不變質(zhì)。與其它的水泥漿體混合充填材料相比，新型高水材料具有著以下的特點(diǎn)：

（1）只要水灰比足夠高，材料的結(jié)石率能達(dá)到100%；

（2）漿體材料的凝結(jié)所需時間短，并且漿體凝結(jié)早期的強(qiáng)度比較高，同時其強(qiáng)度可以根據(jù)工程需要進(jìn)行調(diào)配，1.5:1水灰比的新型高水材料比以前材料強(qiáng)度提高20%以上；

（3）漿體材料的塑性性能比較好，當(dāng)材料單軸施加壓力其應(yīng)變達(dá)到10%時，材料的殘余強(qiáng)度還能基本維持在其峰值強(qiáng)度的65%以上；

（4）凝結(jié)后的漿體具有微膨脹性。高水材料無毒、無害、無腐蝕性。甲料的pH值為9～10，為弱堿性；乙料的pH值為11～12，為堿性。清洗管路時污水具有弱堿性，對礦井水質(zhì)不影響。

2.速凝早強(qiáng)測試

高水材料的甲、乙兩種組份單獨(dú)加水?dāng)嚢韬螅胖瞄L時間也不會凝固，但只要當(dāng)兩種漿體發(fā)生混合后，在20min內(nèi)即可實(shí)現(xiàn)初凝。實(shí)驗(yàn)室標(biāo)準(zhǔn)測試條件下（配制水灰比為1.5:1），材料的初凝時間可人為控制在15min以內(nèi)，在2h以后，其抗壓強(qiáng)度能達(dá)到2.1MPa，在24h以后，其抗壓強(qiáng)度能達(dá)到5.6MPa，放置一周，其抗壓強(qiáng)度能達(dá)到10.36MPa，一個月左右，其抗壓強(qiáng)度基本穩(wěn)定在10.82MPa。在兩種漿體混合一天之后，其抗壓強(qiáng)度已經(jīng)達(dá)到其最終強(qiáng)度的50%以上，一周之后的抗壓強(qiáng)度可達(dá)到其最終強(qiáng)度的90%以上[4]。

高水漿體充填材料的強(qiáng)度隨時間變化關(guān)系詳見圖1。

圖1 高水材料各齡期強(qiáng)度

3.抗壓強(qiáng)度與水灰比的關(guān)系

圖2為7d齡期時高水材料的配制水灰比和配制完成之后的單軸抗壓強(qiáng)度關(guān)系圖。從圖2中可以明顯看出，高水材料的配制水灰比和單軸抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)出非線性的反比關(guān)系，配制的水灰比越小，配置時水的用量越少，凝結(jié)之后的強(qiáng)度就越高。相反水灰比越大，用水量越多，凝結(jié)體強(qiáng)度就越小，單位體積充填需要使用的高水材料越少[5]。

圖2 高水材料單軸抗壓強(qiáng)度與配制水灰比的關(guān)系

對于普通的水泥和混凝土來說，經(jīng)常使用的配制水灰比的范圍在0.5:1～0.75:1之間，在這種配制條件下，材料的抗壓強(qiáng)度一般在30MPa～50MPa。

我們可以根據(jù)圖中得到的配置水灰比和強(qiáng)度的關(guān)系，在不同限制條件下，采用不同的水灰比來控制其強(qiáng)度的范圍。

4.高水漿體充填材料的形變性能

在默認(rèn)的配置水灰比比例為1.5:1的前提條件下，實(shí)驗(yàn)室內(nèi)利用MTS815剛性伺服機(jī)測試得出材料的全應(yīng)力應(yīng)變曲線，同時可以看出材料的變形特點(diǎn)。

圖3告訴我們，高水材料不僅具有一般材料的彈性階段，同時還有能夠維持的塑性強(qiáng)度特征。也就是說，在外部施加的載荷達(dá)到一定值時，漿體材料本身并沒有完全的喪失其承載能力。而是隨著其本身應(yīng)變的不斷增加，漿體材料的承載能力表現(xiàn)出一種較為緩慢的下降趨勢，同時隨著漿體材料自身應(yīng)變的增加，其承載能力的下降速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)要小于一般的混凝土或者是巖石材料。

圖3 高水材料全應(yīng)力應(yīng)變曲線

高水漿體充填材料在配制的水灰比比例為1.5:1時，其最大抗壓強(qiáng)度大約為10.36MPa，當(dāng)材料由于外部載荷使得應(yīng)變達(dá)到0.1時，材料本身的殘余強(qiáng)度依然能夠維持在最大抗壓強(qiáng)度的65%以上，當(dāng)最大應(yīng)變達(dá)到0.18時，材料的殘余應(yīng)力還能維持在峰值應(yīng)力的59%，由此可見：材料在試驗(yàn)過程中顯現(xiàn)出了較為明顯的塑性特征[6]。在高應(yīng)力大變形的情況下，高水漿體充填材料還可以允許其本身發(fā)生一定程度的塑性形變，在這個階段，漿體材料的塑性強(qiáng)度衰減的相對緩慢，所以能夠維持較高的殘余強(qiáng)度。

5.高水漿體充填材料的反應(yīng)熱

測量各種過程中所涉及的熱量和熱容量的方法被稱為量熱法。在實(shí)際測量熱量和熱容量的過程中，大多是測量外部系統(tǒng)吸收熱量后溫度的變化。常溫下的測量用等溫量熱計(jì)或非等溫量熱計(jì)。測量溫度不同的物體相互接觸時吸收或放出的熱量，用非等溫量熱計(jì)量出其溫度變化的數(shù)值[8]。

圖4是由量熱法測得的高水漿體充填材料在水化時的放熱曲線。

圖4 高水漿體充填材料的放熱曲線

由圖4可知，當(dāng)高水材料混合后開始放熱反應(yīng)，在25min左右后出現(xiàn)放熱高峰，放熱最高溫度為63℃，放熱原因主要是礦物的Ca-O與O-H鍵重新排列組合，以后穩(wěn)定持續(xù)一段時間后，然后溫度逐漸降低。

從圖4也可以看出，高水材料發(fā)生放熱反應(yīng)最高溫度沒有超過65℃，其反應(yīng)最高溫度遠(yuǎn)低于《煤礦加固煤巖體用高分子材料（AQ 1089-2011）》要求的140℃，材料使用能夠滿足煤礦要求。

6.高水漿體充填材料巷旁充填沿空留巷技術(shù)

相對于較為傳統(tǒng)的矸石沿空留巷技術(shù)以及混凝土沿空留巷技術(shù)來說，新型高水漿體充填材料沿空留巷技術(shù)顯現(xiàn)出以下明顯優(yōu)勢：

(1)施工過程中的工藝系統(tǒng)相對簡單，不需要太多的初始投資

高水漿體充填材料沿空留巷技術(shù)基本上不需要相對太多的施工設(shè)備，其主要的設(shè)備是地面上的攪拌桶和雙液泵以及輸送充填材料的相應(yīng)尺寸的管路而已。相比于其他的沿空留巷技術(shù)，工藝系統(tǒng)非常簡單，設(shè)備初期投資很少，能夠?yàn)槠髽I(yè)節(jié)省出一大部分的人力物力。

(2)遠(yuǎn)距離傳輸，機(jī)械化的程度比較高

高水漿體充填材料應(yīng)用于沿空留巷工藝，用水量比較大、所以其流動性比較好，能夠容易地通過管路進(jìn)而直接輸送到工作面后方的采空區(qū)，單漿液在長時間內(nèi)也不會凝結(jié)，所以能夠?qū)崿F(xiàn)漿體的長距離泵送運(yùn)輸，可以做到“只要管路能到達(dá)的地方，充填漿液就能到達(dá)”，所以高水材料巷旁充填沿空留巷技術(shù)能夠很好地適應(yīng)復(fù)雜的井下生產(chǎn)環(huán)境，機(jī)械化程度高，構(gòu)筑充填體的勞動強(qiáng)度低。

(3)能夠有效控制礦井水的排放，響應(yīng)國家相應(yīng)的節(jié)能減排優(yōu)惠政策

高水漿體充填材料沿空留巷技術(shù)能夠大量地循環(huán)利用礦井水，減少了礦井水的處理與排放及其相關(guān)的費(fèi)用，同時又能夠切實(shí)地提高煤炭資源回采率，符合國家節(jié)能減排和提高資源回收率的相關(guān)鼓勵政策，能夠獲得相關(guān)支持和獎勵，社會和生態(tài)效益顯著。

(4)有效將留巷與采空區(qū)隔離，提高礦井生產(chǎn)安全性

采用具有自主知識產(chǎn)權(quán)的阻燃抗靜電充填袋，將充填袋的富余量留在頂板上，利用泵壓將充填漿液與頂板緊貼，凝固后的充填體能夠很好地把采空區(qū)與巷道隔離開，形成一個厚厚的障壁，有效地防止礦井瓦斯爆炸和礦井火災(zāi)等事故的發(fā)生，保障礦井開采過程中的安全。

7.結(jié)論

（1）新型高水材料在20min內(nèi)即可實(shí)現(xiàn)初凝，若水灰比控制恰當(dāng)，初凝時間可控制在15min之內(nèi)，1d強(qiáng)度可以達(dá)到最終強(qiáng)度的50%以上，7d強(qiáng)度可達(dá)到總強(qiáng)度的85%。

（2）高水材料的配制水灰比和單軸抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)出非線性的反比關(guān)系，配制的水灰比越小，配置時水的用量越少，凝結(jié)之后的強(qiáng)度就越高。在水泥混凝土常用的水灰比范圍內(nèi)，新型高水材料的強(qiáng)度可達(dá)30MPa～50MPa。

（3）在水灰比1.5:1的條件下，高水材料不僅具有一般材料的彈性階段，同時還有著能夠維持的塑性強(qiáng)度特征。也就是說，在外部施加的載荷達(dá)到一定值時，漿體材料本身并沒有完全地喪失其承載能力。在材料變形達(dá)到10%時，抗壓強(qiáng)度還可以維持在峰值強(qiáng)度的59%左右[7]。

（4）高水材料反應(yīng)放熱低，高水材料發(fā)生放熱反應(yīng)最高溫度沒有超過65℃，反應(yīng)溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于煤礦安全生產(chǎn)要求的140℃。