粉煤灰在礦井密閉中的應(yīng)用

李 浩

(西山煤電集團(tuán) 杜兒坪礦， 山西 太原 030022)

礦井永久密閉分為瓦斯抽采密閉、采空區(qū)密閉、水永久密閉和一般類型的擋風(fēng)墻密閉。礦井密閉阻止空氣向火區(qū)通道流動(dòng)，是一種對(duì)火區(qū)隔絕氧氣的防火技術(shù)，也是一種阻止煤層發(fā)生自燃的重要方法。傳統(tǒng)的永久密閉墻體主要使用沙子、料石、黃土、水泥等作為施工材料，以磚砌的墻作為表面，中間用水泥、料石及黃土制成的混凝土填充。該施工方法所使用材料成本高，所費(fèi)工時(shí)多，工人勞動(dòng)強(qiáng)度大，效率低。

粉煤灰是煤燃燒后形成的一種粉狀物，化學(xué)性質(zhì)不活潑，與黃土類似。使用粉煤灰作為礦井密閉墻體的填充物，在理論上是可行的。

西山煤電集團(tuán)杜兒坪礦永久密閉因礦井年代久，通風(fēng)系統(tǒng)老舊等原因，存在一定的漏風(fēng)問題。因此，該礦在井下北一輔助運(yùn)輸大巷繞道處的獨(dú)頭巷道口(巷道斷面：寬5.8 m，高4 m)處，利用粉煤灰灌漿的新工藝施工了1道永久密閉墻體，厚度2 m，以此來試驗(yàn)新工藝是否可行。

1 粉煤灰的特性

粉煤灰是發(fā)電廠中煤燃燒產(chǎn)生的一種火山灰質(zhì)礦物外加劑，主要由結(jié)晶體、二氧化硅等玻璃體、三氧化鋁以及少量未燃盡的碳粒所組成。外觀與水泥相似，顏色在乳白到灰黑色之間變化，顏色越深，粉質(zhì)越細(xì)，含碳量越高。粉煤灰的物理性質(zhì)中，細(xì)度和粒度比較重要，直接影響粉煤灰的其他性質(zhì)，粉煤灰越細(xì)，細(xì)粉占的比重越大，其活性也越大[1].

粉煤灰是一種人工火山灰質(zhì)混合材料，它本身略有或沒有水硬膠凝性能，但當(dāng)以粉狀及水存在時(shí)與氫氧化鈣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成具有水硬膠凝性能的化合物，成為一種增加強(qiáng)度和耐久性的材料[2].

2 水泥粉煤灰試塊強(qiáng)度試驗(yàn)

為了解水泥和粉煤灰混合后的抗壓效果，杜兒坪礦委托太原城通工程檢測(cè)有限公司對(duì)應(yīng)用于井巷工程的水泥粉煤灰漿液進(jìn)行檢驗(yàn)。該水泥粉煤灰漿液是用粉煤灰代替沙子、料石、黃土，將其與水泥按一定比例制作的，共制作了5種不同漿液配合比(粉煤灰∶水泥∶速凝劑)的粉煤灰水泥試塊，樣品數(shù)量為每種漿液配合比各3塊，尺寸均為長(zhǎng)70.7 mm×寬70.7 mm×高70.7 mm，并對(duì)其進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)。根據(jù)JGJ/T 70-2009《建筑砂漿基本性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》，分別對(duì)無缺損的試塊進(jìn)行抗壓測(cè)試，抗壓測(cè)試結(jié)果見表1.

由表1可以看出，當(dāng)保持水泥和速凝劑的配合比不變，降低粉煤灰的配合比會(huì)顯著提升粉煤灰、水泥和速凝劑三者混合后試塊的抗壓效果；當(dāng)維持粉煤灰和水泥的配合比不變，提高速凝劑的配合比會(huì)略微提高粉煤灰、水泥和速凝劑混合后試塊的抗壓強(qiáng)度；若保持粉煤灰、水泥和速凝劑配合比不變，增加鋼筋網(wǎng)片則對(duì)試塊的抗壓強(qiáng)度沒有影響；保持粉煤灰和速凝劑配合比不變，提高水泥配合比會(huì)顯著提高水泥、粉煤灰和速凝劑混合后的抗壓強(qiáng)度。

表1 水泥粉煤灰漿液試塊抗壓強(qiáng)度檢驗(yàn)報(bào)告表

綜上所述，水泥粉煤灰漿液中，在滿足抗壓強(qiáng)度的前提下，適當(dāng)?shù)奶岣叻勖夯遗浔仍谝欢ǔ潭壬瞎?jié)約水泥用量。根據(jù)杜兒坪礦施工經(jīng)驗(yàn)，0.4 MPa抗壓強(qiáng)度能滿足該礦巷道支護(hù)要求，故選定粉煤灰、水泥、速凝劑配合比為12∶4∶1.

3 施工粉煤灰永久密閉

3.1 施工工藝

在施工永久密閉處打設(shè)2道臨時(shí)板閉，間距為2 m，臨時(shí)板閉內(nèi)側(cè)鋪設(shè)防水布(防止灌入的漿液流出)，首先把粉煤灰、水泥、速凝劑按照質(zhì)量配比12∶4∶1加入水進(jìn)行攪拌，將攪拌后的漿液利用風(fēng)泵抽排，通過專用管路灌入臨時(shí)密閉墻內(nèi)，每天早班進(jìn)行作業(yè)，施工高度0.5 m. 采用新施工工藝后由攪拌機(jī)和風(fēng)泵代替人工上料，填充。機(jī)械化程度提高，人工行走路程縮短。

3.2 施工效果

抗沖擊性和氣體密閉性是檢測(cè)礦井密閉墻是否可靠的主要指標(biāo)。采用新工藝施工后，墻體經(jīng)檢測(cè)：嚴(yán)密不漏風(fēng)(以手觸無感覺、耳聽無聲音為準(zhǔn))；墻體平整(1 m內(nèi)凸凹不大于10 mm)；無裂縫(用雷管腳線不能插入)、重縫和空縫。在半年的巡查結(jié)果中并沒有發(fā)現(xiàn)該粉煤灰永久密閉出現(xiàn)墻體變形、漏風(fēng)、破損等情況，說明該設(shè)施施工工藝及施工質(zhì)量完全符合《煤礦安全規(guī)程》中對(duì)永久設(shè)施的質(zhì)量要求。

3.3 效益對(duì)比

使用粉煤灰施工永久密閉，每天一個(gè)班2人同時(shí)作業(yè)，墻體灌漿時(shí)間10天，每天作業(yè)3 h，總計(jì)灌漿30 h，合計(jì)60工時(shí)，以335元/工時(shí)計(jì)算，人工成本約為20 100元。斷面23.2 m2，厚度2 m，共46.4 m3，共計(jì)使用物料40粉煤灰(10元/ m3)、10 m3水泥(430元/ m3)、3 m3速凝劑(600元/ m3)，材料費(fèi)共計(jì)6 500元。使用粉煤灰施工永久閉總計(jì)成本26 600元，密閉墻成本573元/m3.

施工傳統(tǒng)料石永久密閉，每天一個(gè)班需要6人同時(shí)作業(yè)，施工同樣尺寸的永久密閉需要10天，每天作業(yè)3 h，總計(jì)作業(yè)時(shí)間30 h，合計(jì)180工時(shí)，人工成本約為63 000元。使用料石8.4 m3(305元/ m3)，水泥2 m3(430元/ m3)、沙子9 m3(140元/ m3)，黃土17 m3(13元/ m3)，材料成本共計(jì)4 903元。施工傳統(tǒng)料石永久閉總計(jì)成本65 203元，密閉墻成本1 405元/m3.

綜合對(duì)比，使用傳統(tǒng)料石施工永久密閉是使用粉煤灰施工永久閉總成本的2.45倍。

3.4 粉煤灰作為填充材料的優(yōu)點(diǎn)以及缺點(diǎn)

使用粉煤灰作為主要的填充材料，只需用泵送混合物及噴漿機(jī)噴漿，可遠(yuǎn)距離施工，減少因材料運(yùn)輸而造成的人力浪費(fèi)。泵送施工節(jié)省了勞動(dòng)力，每班兩人即可作業(yè)，施工簡(jiǎn)單，勞動(dòng)強(qiáng)度低。且泵送施工機(jī)械化程度高，適應(yīng)性強(qiáng)，作業(yè)范圍廣，泵送管道可以鋪設(shè)到人力施工難以到達(dá)的地方，滿足各種施工要求；輸送和噴漿作業(yè)是連續(xù)的，提高了工作效率，減少了工時(shí)，使工程進(jìn)度加快。而且施工途中減少了工人的參與量，降低了施工風(fēng)險(xiǎn)，保證了作業(yè)安全。

粉煤灰作為填充材料存在墻體凝固時(shí)間較長(zhǎng)，在使用前應(yīng)進(jìn)行試驗(yàn)，確定合適的配合比；在施工過程中由于使用電氣設(shè)備，需要嚴(yán)格把關(guān)現(xiàn)場(chǎng)安全及管理，每天工作結(jié)束后需要對(duì)管路用水進(jìn)行沖洗，確保管路在下一次使用前不會(huì)發(fā)生堵管等影響施工進(jìn)度的故障。

4 結(jié) 語

粉煤灰做為燃煤電廠排出的主要固體廢物，將其用于永久密閉墻體中，形成新型粉煤灰填充密閉墻。相比傳統(tǒng)的永久密閉墻而言，采用泵送混凝土更加均勻、緊密、可塑，提高了密閉墻體的耐久性、抗壓性、整體密封性，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了粉煤灰的資源化利用。