FRT生物酶新型筑路技術在井工煤礦應用的探討

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、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變為自由水排出，并通過粘土將土壤顆粒、砂石等緊密粘結在一起，使粘土不再吸水，從而達到地面硬化效果。FRT已在露天煤礦成功實踐，實踐效果表明，道路路面平整、強度高、成本低，且節能環保。露天煤礦的道路與井工煤礦的地坪在功能上是相同的，文章結合FRT在露天煤礦的成功應用，探討該技術在井下的應用條件及發展前景。

關鍵詞：FRT；生物酶；地坪；井下

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

前言

井工煤礦地坪是礦井建設、生產的重要基礎項目之一，特別是在使用無軌腳輪車輔運系統礦井中尤為重要，直接影響到礦井的安全生產與高產高效。而隨著礦井開采技術的發展，無軌腳輪車輔運系統在煤礦應用更加廣泛，如神華寧夏煤業集團公司現有生產礦井15座，其中使用無軌腳輪車輔運系統的礦井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、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變為自由水排出，并通過粘土將土壤顆粒、沙石等緊密粘結在一起，使粘土不再吸水，克服了粘土帶有負電荷而導致親水性強的缺點，達到路面硬化的效果。

該技術已在神華露天煤礦、加拿大哥倫比亞煤礦成功應用。

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

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，粘結性更強，進而顯著改善道路磨耗性和承受力等指標。

1.2 工作原理[1]

粘土顆粒帶負電，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（即擴散雙層），這一機制使有自由水存在的粘土基土壤發生膨脹強度降低[2]。擴散雙層的厚度取決于粘土礦物和孔隙水之間的化學作用過程，因此改變兩者間的化學反應過程能夠降低擴散雙層的厚度[3]。

FRT中的表面活性劑在土壤穩定過程中能發揮雙重作用。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構的聯合作用降低了土壤的滲透性，極大提高了土壤強度。最終加強壓實土的硬化和固化，從而使處理后的道路表面強度更持久。這一過程大多發生在前5～7天，持續一月左右。

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]。這些聯合作用的可防止粘土顆粒再吸水而導致土壤強度的降低，使壓實土更加穩定[4]，如圖2所示，因此路面承載力加強。

使用前 使用后

圖2 使用FRT前后土壤結構對比

2 FRT在露天煤礦應用案例[4]

2014年神華北電勝利露天煤礦成功將FRT筑路技術應用到礦山道路上。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、再噴灑的順序反復施工3遍，最后使用筑路機械進行道路平整壓實，讓路面達到最佳的壓實程度。經過1年的使用，該道路運行效果良好，路面平整度、強度等指標均滿足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道路路面強度

達到C25混凝土同等強度。

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，路面強度滿足車輛通行，保證了行車安全，對控本降耗、節能環保等工作有著重大意義。

3 井下應用FRT分析

3.1 地坪材料（矸石）

神華寧煤集團寧東礦區主要為礫巖、泥巖、粉砂巖、細砂巖、粗砂巖為主，各項指標符合FRT 筑路技術指標要求。礦井可將掘進矸石破碎后，與FRT溶液攪拌形成混合料，用于井下鋪設地坪。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，服務年限均在10年以上，FRT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，即工作面運輸順槽和回風順槽，該巷道僅為工作面服務，最多可服務2個工作面，平均服務時間僅有幾個月，符合FRT道路的服務年限。回采巷道內行駛的膠輪車：一是專用車輛，此類車輛噸位大，運行時間短，使用頻率低，僅在工作面安裝、回撤期間運送液壓支架、采煤機等大型設備；二是日常運送人員、材料車輛，車輛噸位小，使用頻繁。FRT強度可達到C25混凝土強度，可滿足車輛行駛。endprint

3.3 使用成本

參考神華寧夏煤業集團無軌腳輪車運行礦井的巷道平均寬度，按巷道寬度為4.5m，鋪設混凝土厚度為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，同等混凝土鋪設地坪，混凝土強度等級C25，地坪厚度200mm，則成本為75萬元，同比節約32.39萬元。

3.4 存在不足

（1）受井下環境制約，“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溶液利用攪拌站進行拌合，再經車輛運至施工地點。此方法將矸石從井下運至地面，再回運至井下，增加車輛運行距離和使用頻率。若建設井下攪拌站可減少運輸距離，但增加了井下攪拌站等建設費用。

（2）井下巷道頂板淋水、底板滲水普遍存在，在此情況下，FRT道路表面會形成一層5～8mm厚的薄泥層，導致路面嚴重濕滑，車輛無法安全行駛。若進行巷道防水治理，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，FRT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 結束語

（1）與混凝土地坪相比，井下采用FRT材料施工地坪，可節約近一半成本。

（2）FRT技術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，對節能環保發揮良好作用。

（3）根據井下環境的應用條件，FRT技術在頂板無淋水、底板無滲水的平巷中會有良好的應用效果。

參考文獻：

[1]劉樹德，任宏旺，黃月軍，等.FRT生物酶新型筑路技術在勝利露天煤礦的應用[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