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泡沫混凝土在矿井中的运用

泡沫混凝土材料由于具有重量轻、保温和绝热性能好、有抗震吸能及减噪等功能,目前在国内建筑、地暖、园艺等诸多领域得到了应用。泡沫混凝土在我国煤矿中的应用刚刚起步,但表现出良好的势头。在不久的将来,泡沫混凝土会在矿井回填材料、支护材料和堵水材料上有用武之地。

一 回填材料

1 采空区回填

我国是一个煤炭生产和消费大国。但长期的煤炭开采,形成大面积的沉陷区,据不完全统计,至2005年全国沉陷面积已达70万公顷。开采沉陷导致大量农田弃耕,地表水系破坏,造成严重的生态灾难。而采空区回填是根治地表沉陷及采动损害的最直接、最有效的方法。煤矿采空区回填是一项世界性的难题。长期以来,国内外主要采用的技术包括干式充填、水砂充填以及胶结充填三种方法。胶结充填采矿法多在金属矿山应用。一般以碎石、河砂或尾砂等为骨料,与水泥或石灰类胶结材料经拌合形成浆体或膏体,再以管道泵输送或重力自流方式送到充填区的采矿方法(见图1,2)。与水砂充填相比,胶结充填的材料胶结后强度大,可用于埋藏深、地压大、围岩不稳固的中厚以上矿体,使用胶结充填已成为煤矿采空区回填的必然趋势。我国近年来试验成功并推广应用了高浓度胶结充填和高水速凝全水固化胶结充填等新技术。

传统水泥胶结混凝土充填材料中所用水泥一般为42.5普通硅酸盐水泥,用量为150~300kg/m3,水灰比约1.2~1.3,28d 混凝土抗压强度5.0~10.0MPa ,水泥在胶结充填成本中占30~60%。一般吨煤成本约增加40元/吨。降低水泥用量及成本,是寻找适用于矿山新型充填材料的有效途径。泡沫混凝土具有输送方便、流动性好、价格便宜,利用不同级配的尾矿矿粉和水泥进行配比,可以保持一定的强度,完全可以作为一种新型的充填体在煤矿采空区回填中使用。

2 冒落空洞充填

采掘工作面顶板冒顶后会形成一定范围和高度的空洞,若不及时处理及充填,将会造成支护体无法发挥其支撑作用,可能造成更大范围的顶板事故及经济损失,也可能造成瓦斯积聚。

传统的处理这些冒顶空洞的方法是用人工搭设木垛或采用聚胺脂类材料化学加固。木垛施工速度慢,材料消耗大,木垛与顶板接触面小,控制作用差,且作业十分危险。化学加固存在成本高、易发热着火等弊端。采用泡沫混凝土充填冒顶空洞可克服这些缺点(见图3)。通过调节发泡倍数以及改变水灰比来调节泡沫混凝土抗压强度,最大可以提高到13MPa左右。当材料单向受压达到屈服极限后,随着变形的增加,材料仍能保持较高的承载能力。因材料结构是闭孔型的,故具有良好的气密性。这种利用泡沫水泥充填冒落空洞的方法可使处理冒顶空洞的工作实现机械化,施工安全,速度快,能增大对空洞壁的支撑,防止冒顶范围继续扩大,改善支架与围岩的相互作用,并可防止空洞内有害气体积聚,防止发火,是一项有许多优点的新技术。

1-泡沫水泥 2-充填管 3-编织帘布 4-挑梁 5 锚杆 6-挡板 7-塑料编制袋

二、矿山支护

混凝土一直是地下井巷工程中立井井筒、井底车场、各种峒室以及不受采动影响巷道的现浇墙体使用。刚性现浇混凝土在围岩压力作用下只产生弹性变形,在承受较大刚性位移时,失效现象较为普遍。

泡沫混凝土由于具有一定的柔性、可压缩性大,具有一定的强度等优点,可以作为矿井以下几种支护形式中进行应用:

1 作为可缩性支护的垫层

减轻和缓和支架的受力,保持支架承载均匀,并能有效释放围岩的初始弹性变形能。具体结构如图4所示。

2制成泡沫混凝土砌块,用于巷道砌筑和立即支护

用于构筑承重墙体和通风密闭墙,近年来,利用泡沫混凝土砌块构筑通风密闭的工作,已经在我国诸多矿井推广应用,由于具有可缩性好、整体密闭性能优越,受到现场工程技术人员的一致好评。

3  罐性墩柱

一种名为Can的泡沫混凝土支架在美国、澳大利亚等国家的应用已经有10余年的历史,近年来,该墩柱在我国已经开始使用。2009年3月,山西亚美大宁煤矿从澳大里亚引进一批墩柱,该墩柱由澳大里亚Hanson burrel公司生产,最大载荷达到200吨。该墩柱在大宁矿井下双测回采的402沿空动压巷道中进行了科学试验,试验取得较为满意的效果,通过和木垛进行比较,木垛最大承载力为33.6吨,平均承载力为28.48吨;而墩柱的最大承载力为125.6吨,平均承载力为75.75吨,分别为木垛的3.75倍和2.66倍。从巷道的表面位移量来看,使用木垛支护的地段,平均顶底平均移近量为221.6mm,两帮平均移近量为154.5mm;而使用墩柱支护的区域,顶底板平均移近量为85.37mm,两帮平均移近量为34.2mm,分别为木垛的38.5%和22.1%。墩柱的支护效率是普通木垛的3-5倍。

随着我国煤矿巷道跨度的增加,以及采掘系统的优化,罐型墩柱会在动压巷道、大跨度切巷、停采维护、瓦排巷道、窄煤柱巷道、沿空巷道等软岩和动压巷道的支护中得到进一步的应用。

三、注浆堵水

注浆堵水是矿井水防治的重要技术。目前煤矿井巷堵水注浆材料大都选用水泥类浆材或水泥-水玻璃类浆体。其主要优点是成本低、材料来源广,但由于其硬化后易收缩而产生细小裂隙,在水力冲刷下裂隙逐渐扩大,堵水效果不理想。采用泡沫混凝土作为堵水材料,由于不受收缩变形的影响,闭孔结构可以有效吸收收缩变形和增加水流路径,达到止水的目的。胜利油田采用泡沫水泥堵水取得了一定效果,平均有效期为12.5个月。

四、 结语

泡沫混凝土在我国已经有几十年的生产历史,但主要在建筑行业的应用研究较多,在煤矿领域的应用不够广泛。今后要在发泡材料、施工工艺以及施工设备配套上加强研发工作,适应我国矿井的使用要求,为我国矿山安全、高效生产发挥更大的作用。