采空區高泡充填密閉防沖技術研究與應用

張英超 張漢青

（1.黑龍江科技學院，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泡劑(水溶液)制作成泡沫，再將泡沫混入到硅質材料(砂、粉煤灰)、鈣質材料(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格，經養護而成的含有大量封閉氣孔的輕質混凝土。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點，其中包括：

1）輕質高強。泡沫混凝土具有較低的密度，實際應用中，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，但在建筑工程中尚未得到較大范圍的應用。實際工程中泡沫混凝土的密度可以降至200kg/m3～700kg/m3。

2）密度和強度可調節。與容重的可調節原理一樣，通過改變輕質土中各種成分的比例，其強度可在0.3MPa～7MPa 的范圍內調整。

3）流動性。氣泡混合輕質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，固化后對擋土結構幾乎沒有推擠力，因而可以進行垂直填筑。

5）密度和強度可調節。氣泡混合輕質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，可進行遠距離或在窄小空間內施工。此外，氣泡混合輕質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。氣泡混合輕質土屬于水泥內材料，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異性能外，在制作過程中可以大量摻加工業廢渣，這樣，不僅有效利用資源、變廢為寶、利于環保，而且還大大降低了泡沫混凝土的成本。

2 研究開發內容

2.1 高泡充填密閉防沖材料研究

通過室內試驗，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）的影響規律，提出輕質高強泡沫混凝土配合比；在此基礎上，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，為火災條件下充填密閉效果提供參考。

3 主要經濟技術指標

提出一種高泡充填材料。該材料各項性能可現場要求調節：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備。該設備具有自動發泡，自動計量，自動配比功能，生產效率10～15m3/h，工人勞動強度低、生產效率高，生產安全。

4 現場實施

根據充填材料及施工設備配套的研究結果，決定對我礦93 下01軌順采空區密閉進行充填試驗。充填施工工藝：

水和水泥混合后進行攪拌，水和發泡劑的稀釋溶液發泡后，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 對煤礦安全生產的影響

5.1 對煤礦安全生產的影響

一方面由于泡沫混凝土充填技術能夠很好的解決現在煤礦充填技術中存在的瓶頸問題——原料及時供應，充填效率很高，因此，采用該技術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的采用將能夠提高現有煤礦生產的安全性。

5.2 對煤礦工作環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，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，甚至可以將攪拌設備放在井上，通過管路輸送到施工現場，可以為井下礦工創造了一個良好的工作環境，大大提升了工人的勞動生產率；工作面現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，每年可為企業節約可觀的礦工個體防護、塵肺病治療、防塵管理和技術專項資金。

綜上所述，該研究是對國內外現有煤礦充填技術的一次大膽革新和探索，研究成果將大大提高充填的作業環境和工作效率，并減少產生成本，具有重要的推廣價值和廣泛的應用前景。

6 經濟、社會效益分析

6.1 經濟效益

6.1.1 直接經濟效益。與目前南屯煤礦現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省成本50%左右，密閉墻的構筑技術綜合支護成本平均降低30%以上，還可以避免了后續維修，提高了生產效率，其經濟效益相當可觀。

6.1.2 間接經濟效益

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

6.2 社會效益

巷道施工過程中避免了工程事故的發生。避免了后續翻修，降低了工人勞動強度，改善了巷道通風條件和生產環境，提高了產煤效率。本課題所提出泡沫混凝土應用技術，能有效解決傳統施工的工效低、勞動強度大、安全性差、巷道容易被壓裂、壓垮，需要反復維修等問題。一方面能夠更好的保障了人員設備的安全，另一方面改善了巷道通風條件和生產環境，保證了礦井的安全、高效生產，維護了礦區的和諧、穩定，可取得良好的社會效益。

7 結論

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

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