采空區(qū)高泡充填密閉防沖技術(shù)研究與應(yīng)用

張英超 張漢青

（1.黑龍江科技學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150000；2.兗礦集團南屯煤礦，山東 鄒城 273500）

1 泡沫混凝土特點

泡沫混凝土是利用機械方式將發(fā)泡劑(水溶液)制作成泡沫，再將泡沫混入到硅質(zhì)材料(砂、粉煤灰)、鈣質(zhì)材料(水泥、石灰)等以及各種外摻料和水組成的混合料中，攪拌均勻澆筑成各種所需的規(guī)格，經(jīng)養(yǎng)護而成的含有大量封閉氣孔的輕質(zhì)混凝土。由于具有大量封閉的細小孔隙，所以采用泡沫混凝土充填具有許多獨特優(yōu)點，其中包括：

1）輕質(zhì)高強。泡沫混凝土具有較低的密度，實際應(yīng)用中，常見泡沫混凝土的密度等級為300kg/m3～1200 kg/m3，近年來，密度更低的超輕泡沫混凝土也開始出現(xiàn)，但在建筑工程中尚未得到較大范圍的應(yīng)用。實際工程中泡沫混凝土的密度可以降至200kg/m3～700kg/m3。

2）密度和強度可調(diào)節(jié)。與容重的可調(diào)節(jié)原理一樣，通過改變輕質(zhì)土中各種成分的比例，其強度可在0.3MPa～7MPa 的范圍內(nèi)調(diào)整。

3）流動性。氣泡混合輕質(zhì)土具有良好的流動性，可通過泵送，其最大輸送距離可達500m，如果通過中繼泵，還可輸送更遠的距離，最大泵送高度可達240m。

4）固化后的自立性。氣泡混合輕質(zhì)土由于使用水泥作為固化劑，通常在澆筑4h 后就會開始固化自立，固化后對擋土結(jié)構(gòu)幾乎沒有推擠力，因而可以進行垂直填筑。

5）密度和強度可調(diào)節(jié)。氣泡混合輕質(zhì)土由于具有良好的流動性和固化后的自立性，且澆筑時不需要振搗和碾壓作業(yè)，可進行遠距離或在窄小空間內(nèi)施工。此外，氣泡混合輕質(zhì)土混有大量的氣泡群，成品的體積可達到原材料體積的3 倍以上，提高了施工材料的運送效率。

6）耐久性。氣泡混合輕質(zhì)土屬于水泥內(nèi)材料，與高分子材料相比，其耐久性、耐熱及抗油污能力強，具有水泥混凝土材料同等的耐久性。

7）其他性能。泡沫混凝土除了具備以上的多種優(yōu)異性能外，在制作過程中可以大量摻加工業(yè)廢渣，這樣，不僅有效利用資源、變廢為寶、利于環(huán)保，而且還大大降低了泡沫混凝土的成本。

2 研究開發(fā)內(nèi)容

2.1 高泡充填密閉防沖材料研究

通過室內(nèi)試驗，揭示原材料組成對高泡充填材料強度（抗壓強度和抗折強度）的影響規(guī)律，提出輕質(zhì)高強泡沫混凝土配合比；在此基礎(chǔ)上，對不同密度泡沫混凝土材料（300kg/m3、400kg/m3、500kg/m3、600kg/m3、700kg/m3、800kg/m3）的高溫性能進行測試，通過不同溫度（600℃、800℃和1000℃）條件下材料質(zhì)量及強度損失率，揭示泡沫混凝土充填材料的耐高溫性能，為火災(zāi)條件下充填密閉效果提供參考。

3 主要經(jīng)濟技術(shù)指標(biāo)

提出一種高泡充填材料。該材料各項性能可現(xiàn)場要求調(diào)節(jié)：密度范圍：250～600kg/m3，單軸抗壓強度范圍：0.4～2.5MPa；充填成本控制在185～260 元/方。提供一套完善的高泡充填密閉配套設(shè)備。該設(shè)備具有自動發(fā)泡，自動計量，自動配比功能，生產(chǎn)效率10～15m3/h，工人勞動強度低、生產(chǎn)效率高，生產(chǎn)安全。

4 現(xiàn)場實施

根據(jù)充填材料及施工設(shè)備配套的研究結(jié)果，決定對我礦93 下01軌順采空區(qū)密閉進行充填試驗。充填施工工藝：

水和水泥混合后進行攪拌，水和發(fā)泡劑的稀釋溶液發(fā)泡后，共同通過高壓泵進行高壓輸送，最終澆注成型進行充填

根據(jù)煤礦巷道特點，實施分段、分成施工方案，每段填充又個分為四步進行：

第一步：木板壁施工；

第二步：巷道下部填充；

第三步：巷道中部填充；

第四步：巷道上部填充。

5 對煤礦安全生產(chǎn)的影響

5.1 對煤礦安全生產(chǎn)的影響

一方面由于泡沫混凝土充填技術(shù)能夠很好的解決現(xiàn)在煤礦充填技術(shù)中存在的瓶頸問題——原料及時供應(yīng)，充填效率很高，因此，采用該技術(shù)能很好的保證巷道在第一時間得到及時充填。另一方面，泡沫混凝土具有良好的延性，整體性好，抗震性能高。因此，能夠在圍巖有一定變形條件下依然能夠起到封閉支護的作用，并且能很好的吸收變能，有效緩解礦震的發(fā)生。鑒于以上兩方面的原因，泡沫混凝土充填、巷旁支護及抗震密閉墻修筑技術(shù)的采用將能夠提高現(xiàn)有煤礦生產(chǎn)的安全性。

5.2 對煤礦工作環(huán)境和人員健康的影響

本課題所提出的泡沫混凝土充填工藝及技術(shù)，主要原材料為水泥和泡沫劑，水泥為普通袋裝硅酸鹽水泥，泡沫劑為松香、動物蛋白質(zhì)提純得到，無色無味，無毒無害。由于泡沫混凝土本身特點，在試驗取得初步成功以后，甚至可以將攪拌設(shè)備放在井上，通過管路輸送到施工現(xiàn)場，可以為井下礦工創(chuàng)造了一個良好的工作環(huán)境，大大提升了工人的勞動生產(chǎn)率；工作面現(xiàn)場粉塵含量大為降低，一方面可以更好的保護礦工的安全健康，降低防護成本，每年可為企業(yè)節(jié)約可觀的礦工個體防護、塵肺病治療、防塵管理和技術(shù)專項資金。

綜上所述，該研究是對國內(nèi)外現(xiàn)有煤礦充填技術(shù)的一次大膽革新和探索，研究成果將大大提高充填的作業(yè)環(huán)境和工作效率，并減少產(chǎn)生成本，具有重要的推廣價值和廣泛的應(yīng)用前景。

6 經(jīng)濟、社會效益分析

6.1 經(jīng)濟效益

6.1.1 直接經(jīng)濟效益。與目前南屯煤礦現(xiàn)有的充填和支護措施相比，泡沫混凝土充填將較以往充填成本降低25%～40%，支護費用較木垛支護節(jié)省成本50%左右，密閉墻的構(gòu)筑技術(shù)綜合支護成本平均降低30%以上，還可以避免了后續(xù)維修，提高了生產(chǎn)效率，其經(jīng)濟效益相當(dāng)可觀。

6.1.2 間接經(jīng)濟效益

包括減少巷道二次支護工作量、縮短采準(zhǔn)系統(tǒng)形成時間周期以提高效率、提高采場生產(chǎn)能力、增加出煤量、提高作業(yè)安全程度和改善工人勞動條件等方面。綜合考慮，每年產(chǎn)生間接經(jīng)濟效益應(yīng)遠大于所產(chǎn)生的直接經(jīng)濟效益。

6.2 社會效益

巷道施工過程中避免了工程事故的發(fā)生。避免了后續(xù)翻修，降低了工人勞動強度，改善了巷道通風(fēng)條件和生產(chǎn)環(huán)境，提高了產(chǎn)煤效率。本課題所提出泡沫混凝土應(yīng)用技術(shù)，能有效解決傳統(tǒng)施工的工效低、勞動強度大、安全性差、巷道容易被壓裂、壓垮，需要反復(fù)維修等問題。一方面能夠更好的保障了人員設(shè)備的安全，另一方面改善了巷道通風(fēng)條件和生產(chǎn)環(huán)境，保證了礦井的安全、高效生產(chǎn)，維護了礦區(qū)的和諧、穩(wěn)定，可取得良好的社會效益。

7 結(jié)論

通過對南屯煤礦泡沫混凝土技術(shù)的研究，驗證了該技術(shù)的可靠性、有效性和合理性。該研究成果提高采場生產(chǎn)能力、增加出煤量、提高作業(yè)安全程度和改善工人勞動條件，為礦井的安全生產(chǎn)和井下人員的生命安全提供了技術(shù)保障。

［1］王德明.礦用新型耐爆防火墻[J].煤礦安全,1993，5.

［2］張國樞.通風(fēng)安全學(xué)[M].徐州:中國礦業(yè)大學(xué)出版社,2004.

［3］賈學(xué)勤，周軍民.礦井封閉火災(zāi)的滅火治理[M].中州煤炭,2002

［4］崔洪義,王振平,等.煤層自然發(fā)火早期預(yù)報技術(shù)與應(yīng)用[J].煤礦安全,2001,32(12).