煤礦移動灌漿及發泡封堵防滅火技術

黃興利，周鼎宇

(陜西陜煤黃陵礦業公司，陜西 延安 727307)

0 引言

我國煤層自燃災害嚴重，研究表明漏風導致的巷道自燃災害占礦井火災的60%以上，為了減少由于漏風引發的火災事故，大多會在礦井巷道及工作面端頭建造密閉隔離墻，以達到堵漏隔絕空氣的目的[1-5]。

封堵防滅火技術就是堵塞通往礦井采空區的漏風通道，減少向采空區供氧的防滅火技術[6-9]。目前，我國用于礦井工作面巷道密閉、廢舊巷道、松散煤體、漏風裂隙等充填加固的材料多選擇黃泥與水泥配比而成的傳統的灌漿材料。隨著新型無機材料的研發及試驗，凝膠類、氨鹽類料、膏體材料及新型高分子材料(如馬麗散、艾格勞尼、米諾華)，也替代了傳統材料進行封堵、加固等相適應的安全防范措施[10-15]。各種材料長期使用呈現特有的副作用。其中無機固化材料易收縮封堵效果不理想；有機泡沫材料使用成本較高，施工過程中發熱、高溫時分解釋放出有害氣體，不宜用于礦井高溫區堵漏防滅火。凝膠類封堵材料，包括無機凝膠(如硅酸凝膠)、高分子膠體、復合膠體等能起到良好的充填、堵漏風和撲滅煤層火災問題，但抗壓能力差，成本比較高，且防火有效壽命較短。因此，基于以上封堵材料存在的問題，亟需研發一種封堵效果佳且產生副作用少，并能夠確保礦井安全生產的新型無機固化封堵材料，對于礦井采空區大面積火災治理和充填方面具有重要意義。

1 無機發泡封堵材料

1.1 主原料選擇

依據礦井充填防滅火的實際需求，無機發泡充填材料必須能夠填塞漏風通道，預防和控制煤層自燃發生。發泡后有一定的強度，能夠充填較大的空間，并且應用過程不需加熱源、使用工藝簡單。結合礦井需求及無機發泡充填材料的屬性，該材料主要由膠結、發泡、增強、速凝劑等材料構成。其中發泡充填材料主要選用52.5硫鋁酸鹽的復合材料，提高其膨脹倍數；速凝劑和復合增強劑提高材料與圍巖結合下的初凝強度及凝固速度，同時滿足充填工藝的要求。發泡充填劑的制作流程如圖1所示。其中要注意膠結材料、增強劑的配比，速凝劑的選擇，發泡劑的選擇與配比。因此需要研究發泡材料的組成、配比與性能的關系，優化其配方，研發出適合礦井防滅火的封堵材料。

圖1 發泡充填材料的組成及合成工藝流程Fig.1 Composition and synthesis technology of foam filling material

1.2 無機固化充填劑配比分析

1.2.1 膠結材料

膠結材料選用水泥類材料，受其活性金屬氧化物少的影響，增加堿含量，達到激發膠結材料活性的目的。其中Ca(OH)2對膠結材料起到最終激發的作用，與水泥發生的化學式如式(1)、(2)所示。通過Ca(OH)2的激發作用，提供了破解Si—O、Al—O鍵的OH-離子的同時又使膠結材料水化生成硬性膠凝材料所需的Ca2+。膠結材料中活性SiO2、Al2O3與水存在時，共同與Ca(OH)2反應生成水化硅酸鈣(C—S—H)和水化鋁酸鈣(C—A—H)。

(1)

(2)

1.2.2 增強劑作用機理

(3)

(4)

1.2.3 增強劑選取

采用的增強劑為西安科技大學自制復合增強劑，其主要成分以硫酸鈉為主，其添加量為2%。選用SH高效速凝劑為初凝調節劑，在降低成本的同時，提高了初凝時間及抗壓強度。在主料中加入速凝劑后，主料與速凝劑發生水化反應生成水化礦物鈣鞏石，從而提高了初凝強度，使得初終凝時間及抗壓強度更加穩定。通過正交試驗，研究高效速凝劑的用量與初凝時間的關系，從而可確定材料配方。研究表明，速凝劑添加量通常在5%以下，隨著速凝劑添加量的增加，材料初凝時間降低，最短達1.5～2 min。

1.2.4 固化材料

經過試驗，膠結材料與增強劑混合形成的固化材料，其強度可以達到20 MPa以上，加入不同量的速凝劑后，其固化時間可以從2 min以內延長到幾小時以上。主料的漿液經過發泡后仍然可保持較高的強度，能夠滿足性能要求。因此，無機固化充填劑配方為：52.5硫鋁酸鹽水泥約95%，自制復合增強劑2%，SH速凝劑3%。按此配方所制備材料的初凝時間約為10 min。

2 材料性能測試

2.1 試驗設計

2.1.1 試驗裝置

無機發泡充填材料及其配比確定后進行強度測試，檢驗是否能達到實際應用效果。無機發泡充填材料原料與水混合形成膏體的強度是指承受外力(荷載)破壞的能力。發泡充填材料性能測試主要關注初凝時間和抗壓強度。本次試驗采用自行設計的小球下落試驗裝置，分析材料與水混合形成膏體的強度及其影響因素，試驗裝置如圖2所示。

圖2 小球下落測強度裝置示意Fig.2 Strength measuring device of falling ball method

2.1.2 試驗方法

用一個直徑為14 cm的小鋼珠測試樣品強度。試樣倒入150 mL的燒杯中，質量約200 g，小球下落高度設置為20 cm；小球固定在凹槽處，讓小球做自由落體運動。通過小球沖擊進入尚未完全硬化的試件中，測定小球下落的深度，用其來表征試樣的強度。

2.2 試驗結果

2.2.1 試驗結果記錄方法

將按照前述方法制備的固體發泡充填材料與水按2∶1左右的比例混合并攪拌均勻。隨后向上述材料形成的膏體中加入泡沫，然后注入模具，出現混合物變稠跡象后，開始落球強度測定試驗，記錄不同時刻不同比例落球強度。鑒于試驗樣品固化前為發泡倍數較大的膏體材料，其強度較低，在膠凝初期容易發生小球掉入材料內，導致進一步試驗困難。由于膏體材料的主要骨架的強度變化規律是相同的，故本試驗采用發泡倍數約為8的材料進行試驗。試驗過程為：將膠結材料主體與水按2∶1混合形成漿狀材料，根據膠結材料主體體積，向其中混入8倍的泡沫，混合均勻并開始記時，待混合材料失去流動性后開始用落球法測定其強度。

2.2.2 試驗結果分析

根據需要，開展了一系列的試驗，測定SH高效速凝劑比例不同時其落球強度隨時間變化規律。SH型高效速凝劑加入量分別為2%、2.5%、3%、3.5%、5%，用落球法測定發泡充填體的強度隨時間的變化曲線如圖3所示。由圖3可知，隨時間的延長落球深度降低。一段時間后，下落高度已基本不變，達到初凝狀態。隨著速凝劑加入量的增加，落球深度穩定的時間減少，說明凝固時間減少。以落球深度接近1 mm且隨時間延長變化不明顯的時間節點為初凝時間。速凝劑加入量分別為5%、3.5%、3%、2.5%、2%時，配制的發泡充填材料的初凝時間分別約為1.5 min、5 min、10 min、15 min、25 min。這幾種配方的無機發泡充填材料的凝固時間，可在1.5～25 min范圍內變化，滿足了現場應用的需要。

圖3 充填材料強度與時間變化曲線Fig.3 Relationship between filling material strength and time

3 工程應用

3.1 設備工藝系統構成

研究發現該氣動設備工藝不連續，工人勞動強度相對較高。因此決定對其進行改進，設計出連續工作的無機發泡固化充填工藝裝備。實際應用過程中，將發泡劑與水按1∶30的比例混合制成發泡劑溶液。該溶液制成泡沫，并與無機發泡充填劑、水混合成發泡漿液，然后輸送到充填地點，其應用工藝如圖4所示。發泡充填設備包括主機和配套泵，主機由風動馬達、發泡液箱、螺旋送料裝置、發泡液泵、泡沫發生器、混合攪拌器組成，結構如圖5所示。

3.2 充填方案

3.2.1 充填設備及位置

充填設備連接如圖6所示。發泡充填設備接通水、氣，并與泵相連，輸送泵出口至分流器段按管徑為DN50的高壓管，混合器至充填材料灌注管外口為DN38高壓軟管，通往閉墻內的充填充料預埋管為DN38鋼管。聯巷閉墻頂部大量充填施工時，聯絡巷采用2道磚墻封閉，磚墻間距為1 m，內部空間下部用黃土充填，上部采用無機發泡充填材料充填，具體施工位置如圖7所示。

圖4 注無機發泡材料流程Fig.4 Filling process of inorganic foaming material

圖5 發泡充填設備組成Fig.5 Composition of foam filling equipment

圖6 設備管路及鉆孔布置方式Fig.6 Equipment pipeline and drilling layout

圖7 充填位置確定Fig.7 Determination of filling position

3.2.2 充填方法

根據實際情況，全斷面密閉內層為磚混結構，外層為木板密閉，即用五合板接起，用鋼梁從外側加固。閉墻內預埋注充填材料管，管出口設計位于聯絡巷頂部2道磚墻之間，距離磚墻50 cm緊貼巷道頂板處。共設二個鉆孔，一個位于左幫側，另一個位于右幫(距離巷幫小于50 cm)。用無機發泡充填材料充填的位置為2道磚密閉之間黃土充填區上部，充填高度計劃為2 m，充填巷道寬5.6 m，則每道密閉需要充填的體積約為12 m3。充填設備設置在需要充填位置的順槽中的巷幫位置，所需無機發泡充填劑、發泡液等設備接通水和氣，將充填材料直接注入灌注口，開啟設備，進行試驗。全斷面巷道充填與按日常進行的頂部充填，管道布置及充填過程與巷道頂部大范圍空區充填完全相同。

3.3 應用效果

按上述方案設計對聯絡巷進行充填試驗，充填量約為12 m3。充填過程很順利，3 t材料很快充入密閉，并且實現了接頂。3天后打開密閉，發現頂部接頂效果良好，從發泡充填材料與下部黃土之間界面上看，充填材料已經浸入黃土，使黃土得到加固，并且其中的漏風空隙被充填，但仍可明顯看見黃土與發泡材料間的界面，充填效果如圖8、9所示。

圖8 充填密閉上半部分效果Fig.8 Effect of filling and sealing

圖9 充填材料與下部黃土間界面Fig.9 Interface between filling material and lower loess

4 結論

(1)研發了礦用無機固化充填材料，其配比為52.5硫鋁酸鹽水泥約95%、自制復合增強劑2%、SH速凝劑3%，按此配方所制備材料的初凝時間約為10 min。

(2)采用落球法測定發泡充填體的強度可知，隨著速凝劑增加，材料凝固時間不斷縮短并且初凝強度不斷增加。

(3)充填過程中，材料能夠充滿四周，并可有效接頂，不收縮、不坍塌；材料在預先加氣的條件后，還會發生20%的膨脹，從而保證了密閉墻內充填過程中的有效接頂。