泡沫混凝土在礦井中的應(yīng)用初探

　　0 前言

　　泡沫混凝土材料由于具有重量輕、保溫和絕熱性能好、有抗震吸能及減噪等功能，目前在國內(nèi)建筑、地暖、園藝等諸多領(lǐng)域得到了應(yīng)用。泡沫混凝土在我國煤礦中的應(yīng)用剛剛起步，但表現(xiàn)出良好的勢(shì)頭。在不久的將來，泡沫混凝土?xí)诘V井回填材料、支護(hù)材料和堵水材料上有用武之地。

　　1  回填材料

　　1.1 采空區(qū)回填

　　我國是一個(gè)煤炭生產(chǎn)和消費(fèi)大國。但長期的煤炭開采，形成大面積的沉陷區(qū)，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，至2005年全國沉陷面積已達(dá)70萬公頃。開采沉陷導(dǎo)致大量農(nóng)田棄耕，地表水系破壞，造成嚴(yán)重的生態(tài)災(zāi)難。而采空區(qū)回填是根治地表沉陷及采動(dòng)損害的最直接、最有效的方法。煤礦采空區(qū)回填是一項(xiàng)世界性的難題。長期以來，國內(nèi)外主要采用的技術(shù)包括干式充填、水砂充填以及膠結(jié)充填三種方法。膠結(jié)充填采礦法多在金屬礦山應(yīng)用。一般以碎石、河砂或尾砂等為骨料，與水泥或石灰類膠結(jié)材料經(jīng)拌合形成漿體或膏體，再以管道泵輸送或重力自流方式送到充填區(qū)的采礦方法(見圖1，2)。與水砂充填相比，膠結(jié)充填的材料膠結(jié)后強(qiáng)度大，可用于埋藏深、地壓大、圍巖不穩(wěn)固的中厚以上礦體，使用膠結(jié)充填已成為煤礦采空區(qū)回填的必然趨勢(shì)。我國近年來試驗(yàn)成功并推廣應(yīng)用了高濃度膠結(jié)充填和高水速凝全水固化膠結(jié)充填等新技術(shù)。

　　傳統(tǒng)水泥膠結(jié)混凝土充填材料中所用水泥一般為42.5普通硅酸鹽水泥，用量為150～300kg/m3，水灰比約1.2～1.3，28d 混凝土抗壓強(qiáng)度5.0～10.0MPa ,水泥在膠結(jié)充填成本中占30～60%。一般噸煤成本約增加40元/噸。降低水泥用量及成本，是尋找適用于礦山新型充填材料的有效途徑。泡沫混凝土具有輸送方便、流動(dòng)性好、價(jià)格便宜，利用不同級(jí)配的尾礦礦粉和水泥進(jìn)行配比，可以保持一定的強(qiáng)度，完全可以作為一種新型的充填體在煤礦采空區(qū)回填中使用。

　　1.2 冒落空洞充填

　　采掘工作面頂板冒頂后會(huì)形成一定范圍和高度的空洞，若不及時(shí)處理及充填，將會(huì)造成支護(hù)體無法發(fā)揮其支撐作用，可能造成更大范圍的頂板事故及經(jīng)濟(jì)損失，也可能造成瓦斯積聚。

　　傳統(tǒng)的處理這些冒頂空洞的方法是用人工搭設(shè)木垛或采用聚胺脂類材料化學(xué)加固。木垛施工速度慢，材料消耗大，木垛與頂板接觸面小，控制作用差，且作業(yè)十分危險(xiǎn)。化學(xué)加固存在成本高、易發(fā)熱著火等弊端。采用泡沫混凝土充填冒頂空洞可克服這些缺點(diǎn)（見圖3）。通過調(diào)節(jié)發(fā)泡倍數(shù)以及改變水灰比來調(diào)節(jié)泡沫混凝土抗壓強(qiáng)度，最大可以提高到13MPa左右。當(dāng)材料單向受壓達(dá)到屈服極限后，隨著變形的增加，材料仍能保持較高的承載能力。因材料結(jié)構(gòu)是閉孔型的，故具有良好的氣密性。這種利用泡沫水泥充填冒落空洞的方法可使處理冒頂空洞的工作實(shí)現(xiàn)機(jī)械化，施工安全，速度快，能增大對(duì)空洞壁的支撐，防止冒頂范圍繼續(xù)擴(kuò)大，改善支架與圍巖的相互作用，并可防止空洞內(nèi)有害氣體積聚，防止發(fā)火，是一項(xiàng)有許多優(yōu)點(diǎn)的新技術(shù)。

1－泡沫水泥 2－充填管 3－編織簾布 4－挑梁 5 錨桿 6－擋板 7－塑料編制袋

　　2 礦山支護(hù)

　　混凝土一直是地下井巷工程中立井井筒、井底車場(chǎng)、各種峒室以及不受采動(dòng)影響巷道的現(xiàn)澆墻體使用。剛性現(xiàn)澆混凝土在圍巖壓力作用下只產(chǎn)生彈性變形，在承受較大剛性位移時(shí)，失效現(xiàn)象較為普遍。

　　泡沫混凝土由于具有一定的柔性、可壓縮性大，具有一定的強(qiáng)度等優(yōu)點(diǎn)，可以作為礦井以下幾種支護(hù)形式中進(jìn)行應(yīng)用：

　　2.1 作為可縮性支護(hù)的墊層

　　減輕和緩和支架的受力，保持支架承載均勻，并能有效釋放圍巖的初始彈性變形能。具體結(jié)構(gòu)如圖4所示。

　　2.2制成泡沫混凝土砌塊，用于巷道砌筑和立即支護(hù)

　　用于構(gòu)筑承重墻體和通風(fēng)密閉墻，近年來，利用泡沫混凝土砌塊構(gòu)筑通風(fēng)密閉的工作，已經(jīng)在我國諸多礦井推廣應(yīng)用，由于具有可縮性好、整體密閉性能優(yōu)越，受到現(xiàn)場(chǎng)工程技術(shù)人員的一致好評(píng)。

　　2.3  罐性墩柱

　　一種名為Can的泡沫混凝土支架在美國、澳大利亞等國家的應(yīng)用已經(jīng)有10余年的歷史，近年來，該墩柱在我國已經(jīng)開始使用。2009年3月，山西亞美大寧煤礦從澳大里亞引進(jìn)一批墩柱，該墩柱由澳大里亞Hanson burrel公司生產(chǎn)，最大載荷達(dá)到200噸。該墩柱在大寧礦井下雙測(cè)回采的402沿空動(dòng)壓巷道中進(jìn)行了科學(xué)試驗(yàn)，試驗(yàn)取得較為滿意的效果，通過和木垛進(jìn)行比較，木垛最大承載力為33.6噸，平均承載力為28.48噸；而墩柱的最大承載力為125.6噸，平均承載力為75.75噸，分別為木垛的3.75倍和2.66倍。從巷道的表面位移量來看，使用木垛支護(hù)的地段，平均頂?shù)灼骄平繛?21.6mm，兩幫平均移近量為154.5mm；而使用墩柱支護(hù)的區(qū)域，頂?shù)装迤骄平繛?5.37mm，兩幫平均移近量為34.2mm，分別為木垛的38.5％和22.1％。墩柱的支護(hù)效率是普通木垛的3－5倍。

　　隨著我國煤礦巷道跨度的增加，以及采掘系統(tǒng)的優(yōu)化，罐型墩柱會(huì)在動(dòng)壓巷道、大跨度切巷、停采維護(hù)、瓦排巷道、窄煤柱巷道、沿空巷道等軟巖和動(dòng)壓巷道的支護(hù)中得到進(jìn)一步的應(yīng)用。

　　3 注漿堵水

　　注漿堵水是礦井水防治的重要技術(shù)。目前煤礦井巷堵水注漿材料大都選用水泥類漿材或水泥-水玻璃類漿體。其主要優(yōu)點(diǎn)是成本低、材料來源廣，但由于其硬化后易收縮而產(chǎn)生細(xì)小裂隙，在水力沖刷下裂隙逐漸擴(kuò)大，堵水效果不理想。采用泡沫混凝土作為堵水材料，由于不受收縮變形的影響，閉孔結(jié)構(gòu)可以有效吸收收縮變形和增加水流路徑，達(dá)到止水的目的。勝利油田采用泡沫水泥堵水取得了一定效果，平均有效期為12.5個(gè)月。

　　4 結(jié)語

　　泡沫混凝土在我國已經(jīng)有幾十年的生產(chǎn)歷史，但主要在建筑行業(yè)的應(yīng)用研究較多，在煤礦領(lǐng)域的應(yīng)用不夠廣泛。今后要在發(fā)泡材料、施工工藝以及施工設(shè)備配套上加強(qiáng)研發(fā)工作，適應(yīng)我國礦井的使用要求，為我國礦山安全、高效生產(chǎn)發(fā)揮更大的作用。