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新型矿用泡沫混凝土充填材料及配套技术在煤矿中的应用项目
发布日期:2018-7-24 10:07:33 点击数:60新闻来源:

 1.引言

众所周知,煤炭是我国的主要能源。在我国生产和消费的一次性能源中煤炭约占74%,此外,70%的化工原料和60%的民用商品能源来自煤炭。在未来的50~60年内,随着新能源和可再生能源、水电和核电的发展,煤炭在一次能源中的消费比重会有所下降,但煤炭在我国能源消费结构中的主体地位仍不会改变。
我国是世界上的水泥生产大国,全国累计每年水泥产量9.7亿吨,估算的混凝土产量在26亿立方米,占世界总产量的40%。在今后100-200年内,混凝土仍将是主要的建筑材料。煤矿日常生产中的巷道支护、采空区充填、堵水和通风密闭等工程使用了大量的膏体材料,这些材料主要分为两类,包括有机化学材料和以水泥为基质的无机材料。
以水泥为基质的无机材料具有易脆、易裂、抗拉强度低,无法适应煤矿巷道的大变形和冲击荷载,且自重大,性能单一,施工质量难以保证。而且, 水泥消耗量大,造价高,增加了工程投入。
采用新型的充填和堵水材料主要为化学有机材料,具有成本高、具有环境污染性和发热易着火的特点。
泡沫混凝土具有轻质、抗震、吸能、可缩等优点,在未来的煤矿生产建设中,会有用武之地。 
2.新型矿用蜂窝状膏体充填材料的技术特点
以微粒水泥、矿渣材料为基质,通过特殊工艺加入特定比例的气泡生成的一种无机材料。使用广慧系列泡沫生成添加剂,可以制成具有不同膨胀倍数、不同密度的轻质矿用充填材料。
新型材料特殊的强力气孔结构可以适应满足不同酸碱水地区的要求。适应大容量和长距离(2km)运输。根据需要,该新型材料的密度较普通混凝土可以减小10%-90%。
由于新型矿用蜂窝状膏体材料特殊的结构和成分设计,该材料中可以加入粉煤灰、木灰、 碎砂、窑灰以及其他的粉末状的煤炭工业生产的副产品,例如矸石、尾矿、淤泥和矿尘。该矿用产品可以和我公司生产的胶体状的产品混合,也可与特种添加剂和泡沫生产剂混合后使用。图1为泡沫混凝土及设备制备过程。
新型矿用泡沫混凝土充填材料及设备
                              新型矿用泡沫混凝土充填材料及设备
采用不同工艺制成的系列密度的矿用新型充填材料具有良好的机械特性、和隔热、隔水和隔气的优点。
①该产品的主要优点如下:
●制作简单快速、流动性好
●成本大大低于同类产品和建筑上使用的常规泡沫混凝土
●制作成本和运输费用低
●操作和设备维护费用低
●根据客户需求制作不同的制浆设备
●膏体状产品,没有反水现象
●特制配套充填泵可以满足不同距离的输送要求和不同环境的使用要求
●由于特殊的空隙结构,用水量小
●可以预制成块状和柱状体
●通过减小混合物中含水量实现自稳和自成形
●长距离运输,实现对矿井、巷道、沉陷区、冒落空洞的充填
●利用矿井及工业废弃物进行掺和,极大降低用户终级产品的费用
●可以代替惰性气体对矿井下的火源从地面进行封闭
●减小井下构筑物如隔离墙、顶板支护墩柱和充填采空区的劳动强度
●不同类型的充填设备满足井下现场使用要求
②主要技术指标及工艺特点:
●水灰比配置
●泡沫生成剂研制
●运输和泵送方式
●材料的处置和使用方法
●材料的养护
●材料的强度性能主要取决于特种添加剂、混合方式、加工工艺和养护方式。
强度:单轴抗压强度3-5MPa,在连续12个月内连续增加。抗拉强度为抗压强度的30%。抗剪强度为抗压强度的0.2-7倍。
●收缩性:由于超大空隙泡沫以及超微细添加剂的胶体状材料,收缩率一般很小或没有干缩现象。由于其低廉的价格可以减小水泥的用量,采用泡沫水泥在美国、澳大利亚等先进采煤国家的矿井已经有十多年的历史。
3.新型矿用膏体充填材料的技术应用领域
3.1 墩柱支护
罐式墩柱是用特种蜂窝状水泥材料制成的一种支护体。墩柱的直径一般在600-2000mm之间,高度一般为巷道的高度,在2.5-3.5m之间,单件重量在1.7吨左右。由于具有重量相对较轻、承载能力大、支护面积大、具有较大的柔性等优点,在美国、澳大利亚等先进采煤国家,由于受巷道断面、井下辅助运输条件、安装机具以及我国煤矿的特殊地质条件的限制,此前,罐式墩柱在我国没有应用的先例。作为具有柔性和高承载能力的支护体,该产品可以预制和井下现场浇筑。       
主要应用于:
●沿空留巷的巷旁支护
●窄煤柱护巷
●工作停采维护
●交岔点补强支护
●动压巷道维护
●回收煤柱采空区支护
罐式墩柱具有以下几个主要力学特性:
高承载力:当墩柱直径为915mm时,最大垂直承载能力可达250t。在垂直变形量达到原高度的50%时,仍能保持该承载能力,不发生大的降低。
恒阻让压特性:墩柱在支护过程中,当巷道围岩的压力超过墩柱的极限载荷时,墩柱产生压缩变形,由于受内部材料的吸能和墩柱铁质外皮产生的约束围压,墩柱在压缩的同时,能够继续保持较高的承载能力。由于墩柱的恒阻作用,支护体对顶板围岩的承载一直保持在一个较高的数量级。这样,不仅可以有效减小顶板的下沉量,同时由于墩柱的压缩,有效地保护墩柱自身的稳定,不至于发生墩柱由于过载而爆裂失效或插入顶底板失去支护能力。图3给出墩柱在受垂直压力:水平推力=2:1的状态下的载荷-位移曲线,从中可以看到,墩柱在0-1.5cm位移期间,支承载荷急剧升高,达到110吨,随着压缩量增加,其承载能力保持恒定,在1.5-70cm的范围,承载力一直保持在90-150吨之间。图2给出墩柱垂直加载的力学性能测试结果。
墩柱垂直及水平承载能力测试结果
 
                                墩柱垂直及水平承载能力测试结果
抗水平推力:由于墩柱的整体性比较好,具有很强的水平变形承载能力,当巷道顶底板产生水平移动导致墩柱重心位置偏移量达50%时,仍能保持垂直方向的重心,保持较高的承载力和结构稳定性。
对底臌的控制:通过使用墩柱对巷道的二次支护,减小了巷道的跨度,同时对顶、底板的水平推力产生较强的抑制作用,能够有效地限制巷道的底臌变形。
图3给出罐式墩柱在山西亚美大宁煤矿的使用情况。图4为澳大利亚墩柱使用。
墩柱在无煤柱护巷中的应用
            图3  墩柱在无煤柱护巷中的应用         图4为澳大利亚墩柱使用
3.2 通风密闭墙
煤矿传统使用水泥砌块或现水泥浇筑的密闭墙具有施工费工、费时,而且,密闭墙在受到工作面强烈的动压影响后出现开裂、漏风,甚至整体失稳。如果采用化学材料注浆材料如传统的洛克修、玻璃因等进行充填,由于该材料成本高,还会出现发热和着火等隐患,现在一些矿区禁止使用的产品。
采用新型矿用蜂巢状泡沫混凝土具有以下主要优点:
①无机填料具有不燃、成本低;
②闭孔结构具有阻水、隔热的优点;
③高强性能具有一定的支承能力;
④蜂窝材料具有极大的柔性和让压,受力后保持完整性;
3.3 注浆挡水
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,可以达到止水的目的。
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。主要用途是密封注射,尤其防止水流和承压水的逸出;在掘进时密封水流;密封断层带水流;
对矿用蜂巢膏体材料的要求:
①快速凝固和膨胀效果好; 
②加入一定剂量的催化剂控制反应和凝固时间;
③高膨胀系数,膨胀2-3倍最佳;
④裂缝和断层可被完全封闭;
⑤保持较高的早期强度,阻止承压水流出; 
3.4 综采工作面冒落空洞充填
采掘工作面顶板冒顶后会形成一定范围和高度的空洞 ,传统的处理方法为木垛充填。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,积聚瓦斯,且操作十分危险。还有化学充填,主要为聚胺树脂(成本:3万/吨),存在成本高、易发热着火等弊端 。
采用矿用蜂巢状膏体充填材料,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10MPa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。
图5为新型充填材料充填工作面冒落空洞的示意图。
膏体材料充填架前冒顶
                                           泡沫混凝土充填架前冒顶
采用新型蜂巢膏体材料进行的充填,能增大对空洞壁的支撑,防止冒顶范围继续扩大,具有受力均匀,改善支架与围岩的相互作用,防止空洞内有害气体积聚。采用无机材料具有安全,不发火,不污染环境。
3.5 空区回填
传统水泥胶结混凝土充填材料中,一般采用42.5普通硅酸盐水泥,用量为150~300kg/m3 ,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。泡沫混凝土的优势在于输送方便,流动性好,价格便宜,利用不同级配的尾矿矿粉,可以保持较高的强度。图6 为新型膏体充填材料在充填采空区的示意图。
 矿用蜂巢混凝土充填采空区
                              矿用蜂巢混凝土充填采空区膏体充填由于具有流动性好、充填快速以及占用设备少等特点,在我国的许多煤矿投入使用。使用充填技术,可以有效地控制地表下沉外,增加了巷道的稳定性和降低了煤与瓦斯突出的风险,最大限度地利用了工业废矸和尾矿。
新型矿用充填泡沫混凝土中可以包含50-70%的固体废料,这些固体废料主要来自矿井废弃矸石、尾矿、淤泥、沙石以及工业废弃料。泡沫技术是生物可降解的高强微孔结构采用广慧超高泡沫浓缩料、水和高压气体生成物。
3.5.1采用矿用泡沫充填技术还有以下几个优点:
①高流动性
高比例的固体混合物添加了蜂巢状泡沫,浆料的粘度可以大幅度提高。在填料中的水、尾矿以及其他轻重集料层间的运移阻力极大减小。在运输之前混合材料的屈服应力降为零。从而降低了对泡沫密度、固体颗粒粒径、形状和限制,有利于长距离大容量泵送。
试验研究表明,采空区的回填料沉降量一般在8-10英寸的范围,在高速泵送的过程中可以减小消除沉淀和堵塞。
传统的膏体填料一般需要大于25%的水。由于特种泡沫材料可以消除细微颗粒表面的张力,用水量急剧减小。由于水灰比的减小,在调整合理的颗粒粒径。空隙度和湿度、温度等条件后,单轴抗压强度可以保持在2-7Mpa。
②重量轻
由于特殊的蜂巢状结构,充填材料的密度是一般膏体的30-40%。减小浆液的一个百分比可以极大减小横向压力并增加可泵性。该产品扩散渗透性好,可以保证均匀充填。
③成本低
由于矿用泡沫水泥低水泥掺量,和传统的混凝土节约了大量成本。由于采用了规模生产的泡沫技术,不需要增加太多投资,可以大大降低成本。
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