FRT生物酶新型筑路技術(shù)在井工煤礦應(yīng)用的探討

馬千里　趙凱

摘 要：FRT是一種適用于粘土基土壤的新型筑路材料（以下簡稱“FRT”），該材料中的表面活性劑、電解質(zhì)、催化酶等與土壤中的粘土成分作用，可將土壤中的束縛水轉(zhuǎn)變?yōu)樽杂伤懦觯⑼ㄟ^粘土將土壤顆粒、砂石等緊密粘結(jié)在一起，使粘土不再吸水，從而達(dá)到地面硬化效果。FRT已在露天煤礦成功實踐，實踐效果表明，道路路面平整、強(qiáng)度高、成本低，且節(jié)能環(huán)保。露天煤礦的道路與井工煤礦的地坪在功能上是相同的，文章結(jié)合FRT在露天煤礦的成功應(yīng)用，探討該技術(shù)在井下的應(yīng)用條件及發(fā)展前景。

關(guān)鍵詞：FRT；生物酶；地坪；井下

中圖分類號：TD823 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）36-0140-02

前言

井工煤礦地坪是礦井建設(shè)、生產(chǎn)的重要基礎(chǔ)項目之一，特別是在使用無軌腳輪車輔運(yùn)系統(tǒng)礦井中尤為重要，直接影響到礦井的安全生產(chǎn)與高產(chǎn)高效。而隨著礦井開采技術(shù)的發(fā)展，無軌腳輪車輔運(yùn)系統(tǒng)在煤礦應(yīng)用更加廣泛，如神華寧夏煤業(yè)集團(tuán)公司現(xiàn)有生產(chǎn)礦井15座，其中使用無軌腳輪車輔運(yùn)系統(tǒng)的礦井10座，這對井下地坪如何快速施工、降低成本、同時保證強(qiáng)度等有了更高的要求。

FRT是一種適用于粘土基土壤的生物酶新型筑路材料，材料中的表面活性劑、電解質(zhì)、催化酶等與土壤中的粘土成分作用，可將粘土中的束縛水轉(zhuǎn)變?yōu)樽杂伤懦?，并通過粘土將土壤顆粒、沙石等緊密粘結(jié)在一起，使粘土不再吸水，克服了粘土帶有負(fù)電荷而導(dǎo)致親水性強(qiáng)的缺點(diǎn)，達(dá)到路面硬化的效果。

該技術(shù)已在神華露天煤礦、加拿大哥倫比亞煤礦成功應(yīng)用。

本文詳細(xì)介紹FRT新材料工作原理及在露天煤礦應(yīng)用情況，同時歸納井工煤礦地坪施工及使用的特點(diǎn)，對井工煤礦地坪采用FRT新材料、新工藝進(jìn)行分析和探討。

1 FRT及其施工工藝

1.1 FRT簡介

FRT添加到粘土基土壤中，能夠增加土壤密實性，減少土壤基質(zhì)中的水分。FRT主要由離子溶液、表面活性劑及多種酶的混合物組成，在道路施工中共同作用于土壤中的粘土成分，同未經(jīng)FRT處理過的土壤相比，土壤密度加大。使粘土顆粒排列更整齊，粘結(jié)性更強(qiáng)，進(jìn)而顯著改善道路磨耗性和承受力等指標(biāo)。

1.2 工作原理[1]

粘土顆粒帶負(fù)電，因此極性水分子中帶

圖1 FRT材料對粘土分子的作用

正電的部分會被帶負(fù)電的粘土顆粒吸引，在粘土礦物和極性水之間形成弱離子鍵（即擴(kuò)散雙層），這一機(jī)制使有自由水存在的粘土基土壤發(fā)生膨脹強(qiáng)度降低[2]。擴(kuò)散雙層的厚度取決于粘土礦物和孔隙水之間的化學(xué)作用過程，因此改變兩者間的化學(xué)反應(yīng)過程能夠降低擴(kuò)散雙層的厚度[3]。

FRT中的表面活性劑在土壤穩(wěn)定過程中能發(fā)揮雙重作用。它能暫時降低表面張力和水的粘度，有利于壓實過程。這種潤滑效果有利于土壤的分布，使其孔隙減小。如圖1所示，同時表面張力的減小也降低了土壤達(dá)到最佳壓實效果時對水含量的要求。

高壓實度和分布式土壤結(jié)構(gòu)的聯(lián)合作用降低了土壤的滲透性，極大提高了土壤強(qiáng)度。最終加強(qiáng)壓實土的硬化和固化，從而使處理后的道路表面強(qiáng)度更持久。這一過程大多發(fā)生在前5～7天，持續(xù)一月左右。

孔隙比的降低也有助于提高粘土的膠粘力和粘土分子間的范德華力[3]。這些聯(lián)合作用的可防止粘土顆粒再吸水而導(dǎo)致土壤強(qiáng)度的降低，使壓實土更加穩(wěn)定[4]，如圖2所示，因此路面承載力加強(qiáng)。

使用前 使用后

圖2 使用FRT前后土壤結(jié)構(gòu)對比

2 FRT在露天煤礦應(yīng)用案例[4]

2014年神華北電勝利露天煤礦成功將FRT筑路技術(shù)應(yīng)用到礦山道路上。該段道路長度為10km，利用“就地取土筑路”的方法，即通過筑路設(shè)備就地將矸石道路底板翻松，翻松深度為400mm，同時將矸石粒度破碎至30mm以下，再將FRT筑路材料和水按比例混合后的溶液噴灑至路面，按照噴灑、翻松、再噴灑的順序反復(fù)施工3遍，最后使用筑路機(jī)械進(jìn)行道路平整壓實，讓路面達(dá)到最佳的壓實程度。經(jīng)過1年的使用，該道路運(yùn)行效果良好，路面平整度、強(qiáng)度等指標(biāo)均滿足220噸級卡車滿載通過，道路抑塵效果良好。

2.1 成本

勝利煤礦采用“就地取土筑路”法，路面寬度10m，矸石鋪設(shè)厚度400mm，每公里道路成本為71.48萬元。

表1 每立方成本

2.2 FRT道路路面強(qiáng)度

達(dá)到C25混凝土同等強(qiáng)度。

2.3 FRT道路使用壽命

一般為7年左右。

該道路就地取材，降低成本，路面強(qiáng)度滿足車輛通行，保證了行車安全，對控本降耗、節(jié)能環(huán)保等工作有著重大意義。

3 井下應(yīng)用FRT分析

3.1 地坪材料（矸石）

神華寧煤集團(tuán)寧東礦區(qū)主要為礫巖、泥巖、粉砂巖、細(xì)砂巖、粗砂巖為主，各項指標(biāo)符合FRT 筑路技術(shù)指標(biāo)要求。礦井可將掘進(jìn)矸石破碎后，與FRT溶液攪拌形成混合料，用于井下鋪設(shè)地坪。此方法可大大提高矸石利用率，減少矸石外排量，降低對環(huán)境的影響。

3.2 適用的巷道類型

（1）主要開拓巷道

主要開拓巷道為全礦井服務(wù)，服務(wù)年限均在10年以上，F(xiàn)RT道路的使用平均壽命僅7年，因此無法使用。

（2）回采巷道及臨時巷道

回采巷道，即工作面運(yùn)輸順槽和回風(fēng)順槽，該巷道僅為工作面服務(wù)，最多可服務(wù)2個工作面，平均服務(wù)時間僅有幾個月，符合FRT道路的服務(wù)年限。回采巷道內(nèi)行駛的膠輪車：一是專用車輛，此類車輛噸位大，運(yùn)行時間短，使用頻率低，僅在工作面安裝、回撤期間運(yùn)送液壓支架、采煤機(jī)等大型設(shè)備；二是日常運(yùn)送人員、材料車輛，車輛噸位小，使用頻繁。FRT強(qiáng)度可達(dá)到C25混凝土強(qiáng)度，可滿足車輛行駛。endprint

3.3 使用成本

參考神華寧夏煤業(yè)集團(tuán)無軌腳輪車運(yùn)行礦井的巷道平均寬度，按巷道寬度為4.5m，鋪設(shè)混凝土厚度為300mm計算，每公里成本為42.61萬元，每立方米成本為316.63元，見表2。若與混凝土地坪相比較，同等混凝土鋪設(shè)地坪，混凝土強(qiáng)度等級C25，地坪厚度200mm，則成本為75萬元，同比節(jié)約32.39萬元。

3.4 存在不足

（1）受井下環(huán)境制約，“就地取土筑路”法無法采用，只能采用“場拌筑路”，即在地面將矸石破碎后，與FRT溶液利用攪拌站進(jìn)行拌合，再經(jīng)車輛運(yùn)至施工地點(diǎn)。此方法將矸石從井下運(yùn)至地面，再回運(yùn)至井下，增加車輛運(yùn)行距離和使用頻率。若建設(shè)井下攪拌站可減少運(yùn)輸距離，但增加了井下攪拌站等建設(shè)費(fèi)用。

（2）井下巷道頂板淋水、底板滲水普遍存在，在此情況下，F(xiàn)RT道路表面會形成一層5～8mm厚的薄泥層，導(dǎo)致路面嚴(yán)重濕滑，車輛無法安全行駛。若進(jìn)行巷道防水治理，則會增加施工成本。

（3）無軌腳輪車行駛巷道坡度在7°以下，地坪防滑尤為重要，F(xiàn)RT地坪無法像混凝土地坪施工防滑槽，特別是車輛輪胎上夾帶大量泥水后，更無法保證行駛安全。

4 結(jié)束語

（1）與混凝土地坪相比，井下采用FRT材料施工地坪，可節(jié)約近一半成本。

（2）FRT技術(shù)利用井下矸石作為原材料，提高矸石的利用率，減輕矸石外排、治理的壓力，對節(jié)能環(huán)保發(fā)揮良好作用。

（3）根據(jù)井下環(huán)境的應(yīng)用條件，F(xiàn)RT技術(shù)在頂板無淋水、底板無滲水的平巷中會有良好的應(yīng)用效果。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉樹德，任宏旺，黃月軍，等.FRT生物酶新型筑路技術(shù)在勝利露天煤礦的應(yīng)用[J].煤礦安全，2015，46（5）：238-240.

[2]Das，B.Fundamentals of Geotechnical Engineering[M].2008 by Stamford， CT： Cengage Learning Incorporated.

[3]Mitchell， J.& Soga， K.Fundamentals of Soil Behavior[M].2005 by New Jersey， NY： John Wiley & sons， Incorporated.

[4]Bowles， J.Engineering properties of soils and their measuremen[M].1992 by New York， NY： Tata McGraw-Hill Education Private Limited.endprint