輕質快硬無機泡沫在煤礦冒頂區的應用

韓德強,鄭先軍,解 松

(北京東方雨虹防水技術股份有限公司,北京 101399)

煤礦巷道冒頂事故多發于掘進工作面和巷道交叉處,高冒區內部呈現破碎狀態的煤體具有適宜的漏風供氧通道和蓄熱環境,容易自燃發火[1-2]。如何治理高冒區是許多礦井安全生產的難題。一般礦井采用臨時噴漿封閉、風障引風、風機抽排等方式進行瓦斯治理,雖然解決了環境瓦斯含量超標的問題,但高冒區內部瓦斯依然異常涌出,需要反復處理,不能徹底解決瓦斯根源[3]。數值模擬結果顯示,在風流影響區不會發生瓦斯積聚;環形紊流區中心有較少一部分瓦斯移動,含量較低;瓦斯主要會在無風區積聚,是瓦斯治理的重點區域[4]。在通風技術不能有效解決瓦斯積聚的情況下,工程技術研究與實踐表明,采用空穴充填置換技術是解決瓦斯問題的有效途徑。傳統充填材料如黃土、粉煤灰[5]、矸石等從經濟和技術上已不能滿足空穴充填的要求。我國大部分煤礦礦井主要采用有機高分子類、膏水類、無機泡沫類等幾種空穴充填材料進行空穴充填。有機高分子類充填材料[6],如酚醛泡沫、聚氨酯泡沫、脲醛樹脂泡沫等具有充填速度快、充填倍數高、泡體輕質的特點,常用于巷道冒頂區、上下隅角、工作面冒頂等區域的快速充填密閉。但是,有機高分子充填材料反應溫度高(一般大于90℃),甲醛等有害物質釋放量大,在高瓦斯礦井里使用存在嚴重的安全隱患;高分子充填材料為易燃品,為了達到阻燃性能要求,往往會摻入阻燃劑成分,阻燃劑成分著火會產生煙霧,使自救器失效,容易出現生命危險。膏水類充填材料[7]由于其含水量大、自重大、配套工藝復雜,不適合在高冒區充填。無機泡沫類充填材料[8]具有自重輕、堆積效果明顯、泡體密實、固化后強度高的特點,正逐漸應用于冒頂區充填密封、巷道密閉墻構筑、采空區高溫及著火煤層防滅火等方面。

1 輕質快硬無機泡沫

1.1 輕質快硬無機泡沫性能特點

區別于傳統無機類發泡材料,輕質快硬無機泡沫主要成分包括水硬性膠凝材料、發泡劑、穩泡劑、泵送劑、促凝劑、填料等制成的發泡型干粉,使用時直接與水混合,通過專用施工設備注漿施工即可制得輕質、快硬的無機充填材料。輕質快硬無機泡沫具有優異的性能,在凝固時間、材料強度、充填倍數、泵送操作方面與普通發泡水泥有較大差別。其最大特點是將發泡劑集成在粉體材料中,利用注漿設備實現施工工藝的一致性、連續性和高效性。輕質快硬無機泡沫使用時直接與大量的水混合,發泡倍數可達10倍以上,充填空間用料量小,單方用料量不到100 kg,所形成的充填體不到300 kg,對架棚、頂板、側幫壓力較小。無機泡沫是一種不燃材料,反應溫度低(小于40℃),無任何安全隱患。因此適用于井下較大冒頂空穴、溶腔、冒落區充填密封,以及高溫及著火煤層或區域防滅火使用。無機泡沫成型前是一種泡沫漿體,因此可以在其凝結固化前通過管路遠距離輸送,泵送距離高達300 m,通過調整泵送適應性,亦可設計成超遠距離泵送施工。一般材料凝結時間短,泵送出管口后60 s內不流動,3 min內即具有很好的堆積性,堆積范圍直徑小于5 m;成型速度快,輕質高泡;材料完全硬化后不收縮,形成的泡孔為閉孔,不透氣,受壓下具有承壓密實性,不易開裂,在較大頂板變形情況下亦保證良好的密封性能。輕質快硬無機發泡材料主要性能指標如表1所示。

表1 輕質快硬無機發泡材料主要性能指標Table 1 Main performance indicators of lightweight and fast hardening inorganic foam

無機泡沫的材料性能和工藝技術均可根據工程需求實時調整。例如,在具有較好支護和密閉的條件下,材料強度可提高至2 MPa以上,作為井下密閉承壓支護使用;在采空區,不需要考慮強度、凝結時間時,可將無機泡沫調整到15倍以上發泡,降低單方造價,單獨作為充填、防瓦斯、降溫、防滅火等材料使用。

1.2 不同水灰質量比條件下材料性能試驗及分析

傳統充填材料制泡和制漿工藝分離,充填體發泡倍數取決于制泡的質量,而在此使用的輕質快硬無機泡沫為集成式制備充填泡沫,其性能指標與水的添加量有很大關系。為了滿足不同工況的充填需求,以充填材料的漿液失流時間、硬化時間、發泡倍數及1 d抗壓強度作為考察指標,分析不同水灰質量比條件下充填材料的性能指標關系。

1.2.1試驗材料

試驗采用預先混合好的輕質快硬無機發泡材料粉料,要求材料在保質期內,各組分混合均勻,無受潮、無結塊。試驗用水為生活用水,符合JGJ 63混凝土用水標準要求。

1.2.2試驗方法

根據不同水灰質量比設計試驗。稱取粉料和水置于KENWOOD KVL65廚師機中進行發泡體制備,如圖1所示,攪拌速度700 r/min,攪拌時間40～60 s。攪拌途中可以適當搖動攪拌器,攪拌結束后,迅速將漿料倒入10 cm×10 cm×10 cm的試模中,用鋼板尺刮平試模表面,刮掉四周多余漿料,使漿料與試?？谄烬R,并對漿液性能進行測試?，F場試驗通過使用一體化泡沫制備平臺進行發泡體制備,如圖2所示,在正常運行條件下進行取樣測試。

1)漿液失流時間。將試模緩慢傾斜,直至試模傾斜45°漿液不流動為止,此時間為漿液失流時間。

2)硬化時間。將樣品表面用膠布蓋嚴,帶模靜置于養護箱中進行養護,使用維卡儀測試樣品的終凝時間,此時間為材料的硬化時間。

3)發泡體倍數。測試樣品的質量和體積,得出發泡體的密度。通過計算發泡體的密度與粉體的密度比值,得出材料的發泡倍數。

4)1 d抗壓強度。參考JGJ/T 70 建筑砂漿基本性能試驗方法標準,將養護1 d的樣品使用300 kN的壓力機進行抗壓強度測試。

圖1 實驗室材料攪拌制泡Fig.1 Foam prepared by stirring laboratory materials

圖2 設備平臺制備充填泡沫體Fig.2 Filling foam prepared by equipment

1.2.3試驗結果

不同水灰質量比條件下,充填材料在漿液失流時間、硬化時間、發泡倍數以及1 d抗壓強度上表現出不同的性能指標,試驗結果如表2所示。

表2 不同水灰質量比的充填材料性能Table 2 Performance of filling materials with different water cement ratios

由上述試驗結果可知:

1)漿液失流時間隨水灰質量比增大而延長。當水灰質量比為1.0時,失流時間為48 s,材料表現為快速成型狀態;水灰質量比增加到1.5時,失流時間為65 s,增加了35%左右;水灰質量比增加到2.0時,失流時間為96 s,增加了100%;水灰質量比為2.5時,失流時間為188 s,延長了291%以上。這是因為水灰質量比越大,漿液中促凝成分被大量稀釋,材料凝固時間越長。

2)材料硬化時間也隨水灰質量比增加而延長。水灰質量比為1.0時,硬化時間為72 min;水灰質量比為1.5、2.0、2.5時,硬化時間分別延長了23%、77%、202%。因此,在速凝充填材料凝結時間方面,水越多,時間越長,因此在密封不良條件下,充填漿液順著縫隙大量流淌,難以實現有效充填和接頂。

3)隨著水灰質量比增大,材料發泡倍數也增大。水灰質量比為1.0時,發泡倍數為2倍以上;水灰質量比為2.0時,材料可以達到10倍的發泡。充填材料是一種物理發泡材料,發泡原理是由發泡劑水溶液物理攪拌形成的大量氣泡引發的。水灰質量比越小,漿液越黏稠,發泡效果越差;水灰質量比越大,漿液越稀,發泡劑更容易攪拌形成泡沫,所得漿液成型后發泡倍數越大。

4)輕質快硬充填材料的1 d抗壓強度隨水灰質量比的增大而減小。水灰質量比為1.0時,抗壓強度為2.68 MPa;水灰質量比為1.5時,抗壓強度為1.02 MPa;水灰質量比為2.0時,抗壓強度為0.46 MPa;水灰質量比為2.5時,抗壓強度為0.28 MPa。隨著水灰質量比的增大,抗壓強度分別降低29%、68%、80%。

由此,考慮到現場的實際需求,可以參考表2結果,選擇適當的水灰質量比。如,當冒頂區承壓需求較強時,可采用較小的水灰質量比,使充填材料固化后抗壓強度保持在2 MPa以上;當運輸困難,需要遠距離泵送施工時,可選擇時間較長的水灰質量比;當進行空穴充填、采空區充填,對凝膠時間和強度要求不大時,為了節約成本,降低單方用料量,可采用較大的水灰質量比。

2 施工工藝技術

傳統施工工藝一般將制漿、制泡、注漿等工藝分離,其設備主要包括制漿機、制泡機、潛水泵、注漿機等。首先通過制漿設備將水泥等水硬性材料混合均勻,制成漿體,同時將發泡劑通過發泡機制成泡沫,然后,潛水泵將漿體和泡沫輸送至注漿機,最后通過注漿機的注漿作用將泡沫和漿體混合后注入施工地點[9-10]。傳統施工工藝復雜、操作繁瑣、占用勞動力多、要求操作空間大、所制得充填泡沫質量不穩定、無法實現連續作業、不能滿足井下安全高效生產要求。因此,針對材料特點和工程需求,有必要應用一種一體化泡沫制備輸送平臺,實現連續式的施工工藝。

2.1 一體化泡沫制備輸送平臺

一體化泡沫制備輸送平臺充分利用無機泡沫采用的一次發泡工藝,從施工角度考慮采用連續式泵送施工技術。其基本原理是將無機泡沫粉料通過螺桿式注漿泵進行混合、攪拌制泡、遠距離輸送等,從而實現一體化連續施工、簡化操作工藝、降低勞動力、減少運輸成本、提高生產效率。平臺泵送距離300 m以上,輸送流量可達到40 m3/h,大大減少了材料運輸需求。通過一體化泡沫制備輸送平臺,可以實現無機泡沫粉體材料與水按不同比例定量混合,根據冒落區充填設計的需求,調整泡體性能指標,控制材料用量,提高注漿充填性價比。一體化泡沫制備輸送平臺主要參數指標如表3所示。

表3 平臺主要參數指標Table 3 Main platform parameters

充填材料(如圖3中箭頭所示)被平臺裝置進行制漿、制泡、強制輸送,實現從粉體材料到輕質泡沫體的連續生產與輸送。材料制備工藝及裝置如圖3所示。

圖3 工藝及裝置簡圖Fig.3 Process and device diagram

施工工藝流程如下:

1)將粉料從上料平臺倒入料斗。

2)料斗內通過定量下料,螺桿將粉料推入混料倉。

3)在混料倉位置定量注入混合用水,其水灰質量比可以按設計要求進行調整,料斗位置調整下料速度,混料倉位置調整進水流量,使材料始終滿足預定要求。

4)料與水在混料倉中通過電機帶動攪拌桿充分攪拌均勻形成漿體,攪拌桿加裝螺旋槳,漿液在倉中一邊攪拌,一邊輸送到螺桿泵處。

5)螺桿泵在電機帶動下,將混合好的漿液快速擠壓、輸送。經輸送管路遠距離泵送施工,實現作業區充填。

所有定量下料、混合攪拌、長距離漿液充填的動力均由設備平臺的一臺電機提供,根據礦井下特殊條件需求,實現遠距離作業,減少物料搬運,大大降低勞動成本。施工操作方便快捷,現場施工只需要3人即可完成,其中兩名工人負責操作設備,一名工人負責充填注漿。由于充填材料采用無機材料,設備清洗與維護方便快捷,克服了使用有機類材料設備難清洗,容易污染環境的問題。

2.2 不同工藝參數對漿液性能的影響

一體化泡沫制備輸送平臺所采用的工藝是一個連續施工的過程,漿料在攪拌倉和輸送管路中分別經歷了初次發泡和再次發泡過程,逐漸與內部空氣混合、發泡、凝膠,由此可以通過調整管路長度、大小和泵送速度控制漿料充填的發泡倍數、凝膠時間、堆積性能等技術參數。為了更好了解充填材料的性能,在水灰質量比2∶1的基礎上,通過正交試驗,測試漿液失流時間和發泡倍數等性能參數,對充填材料進行應用性能研究。

綜合考慮平臺的工藝參數及發泡材料性能,選定攪拌速度、輸入水量、輸送距離3個因素,設計三因素三水平的正交試驗方案(如表4所示);并以充填材料的漿液失流時間、發泡倍數作為考察指標。正交試驗結果如表5所示。

表4 正交試驗設計表Table 4 Orthogonal test design table

表5 正交試驗結果Table 5 Orthogonal test results

通過對上述正交試驗結果進行綜合比較分析,各因素R值如表6所示。

表6 各因素R值Table 6 R-values of each factor

從表6可知,各因素對漿液失流時間的影響程度為C>B>A,即輸送距離>輸入水量>攪拌速度。C因素輸入距離的極差最大,為35.33 m,說明輸送距離對漿液失流時間影響最大,輸送距離越長,漿液在管路中的時間越長,漿液從管口流出后,材料凝膠越快。A因素攪拌速度的極差最小,為9.33,說明平臺攪拌速度對漿液的失流時間影響最小,攪拌速度為400 r/min也能達到良好效果。

各因素對發泡倍數的影響程度為C>A>B,即輸送距離>攪拌速度>輸入水量。C因素輸入距離的極差最大值為314.33 m,說明管路越長,漿液在管路中更能充分攪拌發泡,其發泡倍數越大。A因素和B因素的極差幾乎一致,說明攪拌速度和輸入水量對材料發泡性能影響保持一致。

正交試驗方案A3,B1,C3,即攪拌速度600 r/min,輸入水量40 L/min,輸送距離220 m時,漿液失流時間為43 s,發泡倍數為1 200%,所得材料性能表現為快凝高發泡狀態。方案A2,B3,C1,即攪拌速度為500 r/min,輸入水量為80 L/min,輸送距離為100 m時,漿液失流時間為102 s,發泡倍數為580%,所得材料性能表現為低發泡慢凝膠長流動狀態。

由此可知,現場實際應用時應充分考慮設備攪拌速度、輸入水量、輸送距離的影響,適當調整各因素的技術參數,如需要漿液具有較好的流動性,可犧牲少量發泡倍數,適當加大輸入水量,減少輸送管路長度,提高漿液在冒頂區矸石、碎煤堆中的充填密實度;如對于空間較大的冒頂區,對材料凝膠時間要求快,發泡倍數要求高,單方用量要求少,對支護結構減少承壓性的需求,可適當減少輸入水量,提高設備攪拌速度,增加部分輸入管路長度,實現充填漿液快速凝固,快速成型,提高發泡體倍數,降低單方材料用量。

3 現場應用

3.1 應用試驗方案

某礦Ⅱ32主運石門巷為拱形巷道,斷面尺寸為4 000 mm×3 600 mm,拱頂最高處4 500 mm。其中,該巷道約70 m長度范圍內,由于巷道頂部出現不同程度的變形和U型鋼棚上部有松散冒落現象,冒落深度不一,據測量分析,冒落區最高處可達11 m,最低處3.5 m。為保證巷道正常使用,該段區域采用U型鋼棚支護,棚頂及兩幫噴漿處理,在最高處冒落空間位置,棚頂局部地方被壓彎,可見矸石碎塊。整個冒落區棚頂有多處開裂,有滲漏水,水量小。冒頂區在巷道頂板兩側壓力較大,兩幫有變形。為了該巷道的安全運行,需要對此段巷道進行冒落區頂部充填和換棚修復,以恢復巷道的設計斷面和整體支護能力。

通過對井下巷道矸石冒落區特點進行分析,冒落區U型鋼棚內部有松散矸石,頂部空間不一,采用輕質、快硬無機泡沫充填,降低了對頂板鋼棚的壓力。冒落區深度不一,內部空間情況不明,為保證充填材料充填密實,設計從最高處開始進行多點充填、每隔2～5 m鉆一個注漿孔,整個冒落區鉆5～8個孔。鋼棚上有較多矸石冒落,充填材料具有一定的流動性,一方面冒落區較小空間能夠被充填密實,另一方面,可以適當滲透冒落的矸石層,材料固化后膠結矸石形成一體,提高充填空間整體密實性和承壓能力。

為減輕注漿過程中對現有鋼棚的壓力,一方面局部補打單體,提高鋼棚支撐力;另一方面,充填材料設計成輕質速凝、高泡快硬的類型,單方濕重量不大于300 kg/m3。同時,為保證充填施工順利進行,頂部注漿充填孔須從最頂部進行布孔注漿,注漿管采用3.33 cm管,深度為4～5 m,管口外漏部分套上A32快接頭。注漿孔以巷道斷面傾斜約60°向上深入到巷道拱頂位置,孔間距以2～4 m為宜。高冒區充填設置如圖4所示。根據正交試驗結果,選擇一體化泡沫制備及輸送平臺施工參數為攪拌速度500 r/min,輸入水量40 L/min,輸送距離180 m。

圖4 高冒區充填設置簡圖Fig.4 Filling diagram in top coal caving zone

3.2 現場注漿充填工藝

現場注漿充填工藝如下:

1)準備現場所需材料,等待設備到位,布置注漿鋼管。

2)連接注漿管、電源、水源,調試設備準備注漿。

3)注漿開始應有專人負責加料(2人),專人負責觀測,一人負責指揮聯絡。

4)注漿時注意進料速度,進水速度,嚴格控制水料質量比,平均1.5 t/h。

5)注漿開始后3 min時測量漿液的比重,觀測出料情況,如發現配比不正確及時進行調整。

6)注漿過程應通過觀察孔隨時觀測出料情況。當有大量漿料從頂部流出時,更換注漿方向。

7)最后接頂時應連續注壓一定時間,當漿液從頂板大量流出無法進行封堵時方可停泵注漿,以保證充填效果。

3.3 現場試驗效果評測

1)現場充填過程中,通過對高冒區進行觀測,充填空間填滿率達95%以上。通過電視探孔觀察,冒頂區在預定最高點處,還存在少量未接頂情況。由于無機發泡材料屬于物理發泡,漿液在成型完畢后基本上不再發泡,材料對冒頂空間最高點的充填效果依賴于整體模板的密封程度和充填壓力。因此,由于重力原因,無機發泡材料還存在一定的接頂問題。

2)現場工藝參數調整后,漿液失流時間為45 s,發泡倍數為1 020%;充填后,發泡體能快速凝固,對空間兩幫的側壓力比較小,現場觀測兩邊擋板未見明顯變形。

3)充填后第二天打開,觀察材料固化情況,充填材料泡沫密實性好,發泡體1 d抗壓強度為0.4 MPa,泡沫整體均勻性保持一致,表明連續充填施工運行穩定,材料配合比無變化,能充分發揮充填泡沫的優異性能。

4 結論

1)無機泡沫充填材料快硬、輕質、不燃、低溫等特殊性質可以取代目前有機高分子泡沫充填材料在采空區、高冒區、上下隅角等區域的應用。材料為單一粉體,優化了性能指標,集合了發泡充填工藝,同時提高了泡沫質量。

2)不同水灰質量比條件下,充填材料在漿液失流時間、硬化時間、發泡倍數以及1 d抗壓強度上表現出不同的性能指標。水灰質量比越大,漿液失流時間和硬化時間越長,材料發泡倍數越大,但1 d抗壓強度降低。施工現場可根據對充填泡沫質量的實際需求選取不同的水灰質量比。

3)一體化泡沫制備及輸送平臺可根據實際工程需求,通過調整攪拌速度、輸入水量、輸送距離等因素對失流時間、發泡倍數等性能指標進行及時調整。

4)輕質快硬泡沫注漿充填工藝可實現連續式注漿,在冒頂區充填密封、巷道密閉墻構筑、采空區高溫及著火煤層防滅火等方面能夠大大提高勞動效率,節約人力物力。