粉煤灰陶粒混凝土隔離墻的研究與應(yīng)用

李志勇，辛 民，劉星樂，田向紅

（1.兗州煤業(yè)股份有限公司 興隆莊煤礦，山東 兗州 272000；2.濟(jì)南煤炭科技研究院，山東 濟(jì)南 250100）

由于我國煤礦瓦斯賦存條件較為復(fù)雜，礦井火災(zāi)的發(fā)生嚴(yán)重威脅著煤礦的安全高效生產(chǎn)[1-2]，對井下工作人員的生命及設(shè)備安全帶來了巨大隱患。其中采空區(qū)漏風(fēng)是煤層自燃的主要原因之一，因此有必要對采空區(qū)漏風(fēng)特征進(jìn)行研究，并采取相應(yīng)措施以應(yīng)對對采空區(qū)漏風(fēng)問題[3-7]。

近年來我國研制出了很多種新型充填堵漏材料，在采空區(qū)密閉堵漏風(fēng)、煤層自然發(fā)火等方面取得了較好的應(yīng)用效果[8-11]。目前，采空區(qū)隔離墻根據(jù)材料和方式出現(xiàn)了聚氨酯材料泡沫密閉擋墻、氣囊式快速密閉擋墻、撐傘式密閉擋墻、人工跺砌碎煤袋隔離墻[12-16]。上述采空區(qū)擋墻雖然對解決采空區(qū)漏風(fēng)有一定的作用，但是分別存在諸如成本高昂、人工勞動(dòng)強(qiáng)度大、材料不抗壓等問題。為此，以某礦3302（下）綜放工作面采空區(qū)漏風(fēng)問題為工程背景，提出了采用以粉煤灰為骨料的陶粒混凝土材料和井下移動(dòng)式噴注設(shè)備組成的灌注系統(tǒng)，通過現(xiàn)場應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了工作面兩端頭的快速封堵，減少采空區(qū)的漏風(fēng)，從而降低工作面煤層自然發(fā)火概率，并且解決了上述工藝用時(shí)時(shí)間長，需用人工多、安全隱患多等問題。

1 井下粉煤灰陶粒混凝土隔離墻工程分析

1.1 采空區(qū)漏風(fēng)特點(diǎn)

采空區(qū)漏風(fēng)是采空區(qū)內(nèi)遺煤自燃的主要原因之一，風(fēng)流會(huì)給為自然發(fā)火提供必要的氧氣。一般地，進(jìn)風(fēng)巷入口處是綜采工作面的主要漏風(fēng)地點(diǎn)。

采空區(qū)的漏風(fēng)量與采空區(qū)內(nèi)遺煤自燃氧化有著密不可分的聯(lián)系。當(dāng)漏風(fēng)量越大時(shí)，煤的自燃氧化速度就越快，反之則越慢；其次，漏風(fēng)風(fēng)流的溫度也影響著煤氧化反應(yīng)的位置，當(dāng)風(fēng)流溫度越高時(shí)，煤的氧化地點(diǎn)距離工作面越近；漏風(fēng)現(xiàn)象也會(huì)導(dǎo)致風(fēng)流帶出采空區(qū)內(nèi)部分有毒有害氣體，對礦井井下作業(yè)帶來一定的隱患，引起瓦斯爆炸或工人中毒等重大危害。盡管當(dāng)漏風(fēng)量足夠大時(shí)，風(fēng)流會(huì)帶走更多采空區(qū)內(nèi)煤的熱量，一定程度上抑制煤炭自然發(fā)火，但是為了保證工作面的安全高效生產(chǎn)，必須要減少工作面向采空區(qū)內(nèi)的漏風(fēng)，從而抑制煤層的自然發(fā)火。

3302（下）綜采工作面漏風(fēng)通道模型如圖1。

圖1 工作面漏風(fēng)模型圖Fig.1 Air leakage model diagram of working face

針對3302（下）綜采工作面漏風(fēng)問題進(jìn)行研究，可見減少工作面漏風(fēng)顯得尤為重要，解決此類問題，是礦井在防滅火工作中的重中之重。因此，興隆莊煤礦3302（下）綜采工作面采用粉煤灰陶粒混凝土隔離墻實(shí)現(xiàn)對工作面端頭的封堵漏風(fēng)，在工作面端頭附近每隔一定距離施工1道隔離墻，預(yù)防煤層自燃。

1.2 粉煤灰陶粒混凝土隔離墻的可行性分析

目前，我國使用較多的采空區(qū)堵漏風(fēng)方法有許多種，比如聚氨酯材料泡沫密閉擋墻、氣囊式快速密閉擋墻、撐傘式密閉擋墻、人工跺砌碎煤袋隔離墻等，但是這些防治自然發(fā)火的工藝都存在一定的局限性，我國常見的隔離墻工藝局限性見表1。

表1 我國常見的隔離墻工藝局限性Table 1 The limitation of separation wall technology in our country

針對目前采空區(qū)使用的隔離墻存在的不足，興隆莊煤礦開始采用粉煤灰陶粒混凝土隔離墻封堵采空區(qū)漏風(fēng)，具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1）粉煤灰是一種性能較強(qiáng)的綠色材料，來源廣泛，有效減少工程費(fèi)用，提高經(jīng)濟(jì)效益。

2）工藝簡單，大大降低工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，只需2人即可將用于充填粉煤灰陶粒混凝土的柔性模袋掛設(shè)完畢，每道墻可實(shí)現(xiàn)3人作業(yè)，現(xiàn)場作業(yè)人員可減少4人/班。

3）由于陶粒之間孔隙較多，因此具有良好的保溫隔熱性。

4）粉煤灰陶粒混凝土為圓球狀陶粒，球狀可以讓混凝土之間受力更加均勻，避免出現(xiàn)應(yīng)力集中區(qū)域，當(dāng)受到?jīng)_擊力和擾動(dòng)時(shí)，仍能維持?jǐn)嗝娣舛碌拿芊庑裕瑯O大地保障了礦井的安全高效生產(chǎn)。

通過對現(xiàn)場充填工程實(shí)踐與經(jīng)驗(yàn)，形成如下陶粒混凝土擋墻快速施工方法。具體方法為：首先在需要建設(shè)擋墻的地點(diǎn)，對巷道底板雜物等進(jìn)行清理，讓混凝土落在硬底上，檢查調(diào)試陶粒混凝土輸送設(shè)備后，連接專用膠管；然后掛設(shè)柔性填充模袋，備足水泥、陶粒、膠粉等物料，進(jìn)行充填施工，每次充填的高度在1 m左右。準(zhǔn)備完畢后，連接陶粒混凝土輸送設(shè)備的進(jìn)出口，向柔性模袋內(nèi)充填陶粒混凝土。

2 粉煤灰混凝土力學(xué)參數(shù)測試

2.1 粉煤灰原材料的物理性能

粉煤灰主要從火力電廠、煉鋼廠等用煤時(shí)煤塊燃燒使用后的排放物中捕捉收集下來的較細(xì)的灰塵，是我國較大宗的工業(yè)廢棄物之一。粉煤灰作為天然材料，通過二次回收廢物再利用，可有效地緩解對環(huán)境的污染，同時(shí)具有良好的工程效益和經(jīng)濟(jì)效益。

選用的粉煤灰采自熱電廠生產(chǎn)Ⅱ級低鈣粉煤灰，粉煤灰陶粒的物理性能見表2。

表2 粉煤灰陶粒的物理性能Table 2 Physical properties of powdered coal ash ceramsite

隔離墻填充的混凝土由水泥、粉煤灰陶粒和水，按照一定的比例制的，其中，粉煤灰的比例對混凝土的強(qiáng)度影響較大，因此，需要對粉煤灰的比例進(jìn)行控制。以粉煤灰占物料總量10%、20%、30%比例，制成不同粉煤灰比例的混凝土試樣，并分別測試3、7、28 d的單軸抗壓強(qiáng)度。

2.2 混凝土配合比試驗(yàn)

粉煤灰陶粒混凝土的配合比參照J(rèn)GJ 51—2006《輕骨料混凝土技術(shù)規(guī)程》，設(shè)計(jì)粉煤灰陶粒混凝土強(qiáng)度等級為LC30，混凝土配置采用P.O32.5R水泥。為了使噴射混凝土回彈率較低，造成原材料浪費(fèi)，降低生產(chǎn)成本，適當(dāng)減小陶粒量。結(jié)合現(xiàn)場施工實(shí)踐與經(jīng)驗(yàn)，制定的粉煤灰陶粒混凝土方案見表3，表中的用水量為凈用水量。

表3 粉煤灰陶粒混凝土方案Table 3 The scheme of spraying powdered coal ash ceramsite concrete

2.3 粉煤灰陶粒混凝土的力學(xué)性能測試

本次試驗(yàn)采用WAW-600C型微機(jī)控制電液伺服萬能試驗(yàn)機(jī)，用于對粉煤灰陶粒混凝土試件進(jìn)行抗壓試驗(yàn)。其中，抗壓試驗(yàn)與劈裂抗拉試驗(yàn)所用試樣均加工成100 mm×100 mm×100 mm的標(biāo)準(zhǔn)立方體試件。試驗(yàn)過程應(yīng)連續(xù)且均勻的施加載荷，由于設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級高于或者等于C30，立方體抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)的加荷速率取0.05 MPa/s。

混凝土立方體抗壓強(qiáng)度計(jì)算方式為：

式中：fcs為混凝土試件抗壓強(qiáng)度，MPa；p為試件破壞載荷，N；S為試件承壓面積，mm2。

由于立方體試件非標(biāo)準(zhǔn)試件，因此測得強(qiáng)度應(yīng)乘以尺寸換算系數(shù)0.95。

粉煤灰陶粒混凝土立方體的抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度見表4。

表4 粉煤灰陶粒混凝土的力學(xué)參數(shù)Table 4 Mechanical parameters of powdered coal ash ceramsite concrete

由表4可以看出，方案A3中的混凝土的抗壓強(qiáng)度最大，粉煤灰陶粒混凝土對應(yīng)的在3、7、28 d測得的抗壓強(qiáng)度分別為14.1、24.2、32.4 MPa，滿足設(shè)計(jì)混凝土強(qiáng)度等級LC30。由于陶粒混凝土受力較均勻，且抗壓強(qiáng)度足夠大，因此還可以對頂板及兩幫起到一定的支護(hù)作用，抑制巷道變形。粉煤灰陶粒混凝土隔離墻與煤壁的充分接觸，也進(jìn)一步增加了堵漏風(fēng)的密封性。

3 現(xiàn)場工業(yè)性試驗(yàn)

3.1 工作面概況

施工地點(diǎn)選在兗州煤業(yè)股份有限公司興隆莊煤礦，目前礦開采水平為-350 m水平，工作面標(biāo)高：-257.9～-328.8 m，埋藏深度：308.4～379.6 m。工作面位于三采區(qū)下部，西南部為東風(fēng)井，南部為5303-1與5302-1采空區(qū)，西部為3303（下）采空區(qū)，北部為3302采空區(qū)。根據(jù)礦井生產(chǎn)實(shí)際情況，在3302（下）綜采工作面進(jìn)回風(fēng)側(cè)施工陶粒混凝土擋墻。

3.2 采空區(qū)防漏風(fēng)測定

在施工隔離墻的過程中在井下建立觀測孔，每3 d對采空區(qū)密閉墻內(nèi)的O2體積分?jǐn)?shù)進(jìn)行1次測定。采空區(qū)O2體積分?jǐn)?shù)變化曲線如圖2。

圖2 采空區(qū)O2體積分?jǐn)?shù)變化曲線Fig.2 Change curve of O2 volume fraction in goaf

從圖2可以看出，隔離墻施工完畢后，O2體積分?jǐn)?shù)呈現(xiàn)出逐漸下降的趨勢，最終穩(wěn)定在10%左右。O2體積分?jǐn)?shù)的降低也說明粉煤灰陶粒混凝土隔離墻的堵漏風(fēng)的密封性好，減少進(jìn)回風(fēng)側(cè)向采空區(qū)的漏風(fēng)，可有效地抑制采空區(qū)煤層自燃。

3.3 SF6示蹤氣體檢測漏風(fēng)

利用標(biāo)記氣體對采空區(qū)漏風(fēng)情況進(jìn)行測定是目前常用的手段。SF6化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，不溶于水且不會(huì)被煤體吸附，在煤礦井下空氣中不存在，可作為標(biāo)記氣體。具體方法是，在工作面進(jìn)風(fēng)側(cè)巷道釋放SF6，并進(jìn)行采樣，同時(shí)在回風(fēng)巷道處測對氣體進(jìn)行采樣，分析不同時(shí)間內(nèi)SF6的體積分?jǐn)?shù)變化，并以此對采空區(qū)漏風(fēng)進(jìn)行估算[17]：

式中，Q為風(fēng)量，m3/min；v為風(fēng)速，m/s；A為巷道斷面積，m2；VSF6為SF6體積，m3；ρSF6為SF6密度，kg/m3；ω為SF6體積分?jǐn)?shù)，10-6；m為SF6質(zhì)量，kg；K為漏風(fēng)率；m1為釋放的SF6總質(zhì)量，kg；m2為回風(fēng)巷道收集的SF6總質(zhì)量，kg；△m為SF6質(zhì)量變換值，kg；t為時(shí)間。

分別在構(gòu)建柔性模袋粉煤灰混凝土隔離墻前后進(jìn)行SF6標(biāo)記法試驗(yàn)，并對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄，SF6體積分?jǐn)?shù)變化曲線如圖3。

圖3 SF6體積分?jǐn)?shù)變化曲線Fig.3 SF6 volume fraction change curve

圖3為構(gòu)建隔離墻前后，在工作面進(jìn)風(fēng)、回風(fēng)兩側(cè)測定的SF6體積分?jǐn)?shù)隨時(shí)間變化的曲線，為了計(jì)算SF6的體積，需解出式（2）中的積分，其中不定積分的在數(shù)值上等于圖3中曲線與橫軸圍成的面積。進(jìn)風(fēng)巷道風(fēng)速約為1.53 m/s，回風(fēng)巷道風(fēng)速約1.67 m/s，巷道斷面積為16 m2。

根據(jù)上述條件可以算出，未構(gòu)建隔離墻前，釋放的SF6總質(zhì)量約為19.93 kg，在回風(fēng)巷道收集到了SF6總質(zhì)量約為15.82 kg；構(gòu)建隔離墻后，釋放的SF6總質(zhì)量約為19.38 kg，在回風(fēng)巷道收集到了SF6總質(zhì)量約為18.43 kg。

因此，未構(gòu)建隔離墻前，采空區(qū)漏風(fēng)率為20.6%，構(gòu)建隔離墻后，采空區(qū)漏風(fēng)率為4.9%。可以看出，構(gòu)建混凝土隔離墻后，采空區(qū)漏風(fēng)率明顯減小，降低了采空區(qū)煤層自然的可能性，保證了生產(chǎn)安全。

4 結(jié)語

1）粉煤灰陶粒混凝土隔離墻具有成本低、安裝簡單、強(qiáng)度高、高耐火性等特點(diǎn)，適用于工作面端頭的封堵，有效保證了工作的安全高效生產(chǎn)。

2）粉煤灰陶粒混凝土在粉煤灰比例為30%時(shí)強(qiáng)度最高，對應(yīng)的3、7、28 d單軸抗壓強(qiáng)度分別為14.1、24.2、32.4 MPa。

3）現(xiàn)場實(shí)踐表明，采用粉煤灰陶粒混凝土隔離墻后，采空區(qū)內(nèi)O2體積分?jǐn)?shù)明顯降低，采空區(qū)漏風(fēng)率由20.4%減小至4.9%，減小了采空區(qū)遺煤自燃的可能性，保證了生產(chǎn)安全。