基于電廠固廢的礦井多孔端頭封堵材料研制與應用

張 鋒，張延波，李永恩，熊路長，樊博文

（1.國家能源集團國源電力有限公司，北京 100033；2.中國礦業大學 礦業工程學院，江蘇 徐州 221116；3.深部煤炭資源開采教育部重點實驗室，江蘇 徐州 221116）

作為煤炭大國，我國的粉煤灰產量逐年增加，2015 年達到6.2 億t[1]。據統計，通常每消耗2 t 煤就會產生1 t 粉煤灰；每1 萬t 粉煤灰堆放需占壓地面2 670～3 330 m2。巨量堆放的粉煤灰不僅占壓了大量土地資源，引發了嚴重的環境污染，而且加劇土地利用矛盾[2]。如何使粉煤灰這一工業垃圾商品化，變廢為寶，清除其對環境的影響，受到眾多研究者的關注[3-4]。國內徐俊明等[5]得出了矸石與粉煤灰封堵材料的最佳配比為1∶0.3。國外很早以前用粉煤灰代替沙子用作水泥[6]。A F Hamzah 等深入探究了粉煤灰摻入量對封堵材料性能的影響[7]，并用煤灰轉化為有效吸附劑，用于去除廢水中的重金屬和染料等。Xiong 等[8]研究了粉煤灰的顆粒尺寸效應對于粉煤灰基輕質多孔材料的性能影響，深入探究了超高摻量粉煤灰的基礎性能及其在礦井中的應用。在封堵材料領域，國內外專家研究成果豐富[9-10]，材料及性能的研究都比較詳盡，但應用實例較少。基于此，研究了1 種多孔端頭封堵材料，直接應用到礦井采空區，主要解決采空區端頭CO 體積分數控制以及工作面漏風等問題。采空區端頭的殘煤接觸空氣以后會氧化產生CO 等有害氣體[11]，為了減少采空區內的漏風狀況，防止風流通過端頭進入采空區，使采空區內的氧氣體積分數過高，需要采取一系列的措施對端頭進行封堵。為了使材料封堵的效果更顯著并且可以承擔一定的壓力變化，探索粉煤灰的顆粒尺寸變化對于其制成的封堵材料的各項性能的具體影響便成首要解決的問題。針對該問題進行了基于不同粉煤灰顆粒尺寸的多孔端頭封堵材料配比設計及性能測試，并針對大南湖一礦1305 工作面回風巷道封堵工程進行了模擬和現場實驗。結果表明，使用該材料后，巷道漏風狀況得到了明顯改善，CO 體積分數得到了有效控制。

1 粉煤灰基多孔端頭封堵材料的制備

1.1 材料研制原理

粉煤灰基多孔端頭封堵材料能夠作為膠凝材料的主要原理有3 個：①粉煤灰的化學成分呈弱堿性，在在堿性環境下其活性容易被激發，粉煤灰活性激發的關鍵在于使粉煤灰中結合較強的Si-O 以及Al-O 鍵發生斷裂，OH-濃度越大，對Si-O 和Al-O鍵的破壞作用越強；②硫酸鹽對粉煤灰活性的激發主要是SO42-在Ca2+的作用下，與溶解于液相的活性Al2O3反應生成水化硫鋁酸鈣AFt（鈣礬石），部分水化鋁酸鈣也可與石膏反應生成Aft；③CaO 在整個反應體系中不僅僅為大南湖一礦的低鈣粉煤灰提供Ca2+，同時CaO 水化反應產生的Ca（OH）2也是較好的堿激發劑，可以很好地激發粉煤灰潛在的活性。

氧化鈣的主要作用如下：

整體反應會隨著C－S－H、C－A－H 的不斷生成，不斷朝著正向進行。同時，會發生以下反應：

其中，硬脂酸鈣作為穩泡劑的穩泡機理為：通過攪拌硬脂酸鈣與水泥漿料，使硬脂酸鈣逐漸吸附在水泥顆粒表面，水泥顆粒轉變為部分疏水性顆粒，進而吸附在氣泡的氣液界面上阻止氣泡進一步變大與合并，因此，可以在較長時間內穩定氣泡；隨后，水泥凝結固化，而泡孔結構被保留，形成粉煤灰基多孔封堵材料。實驗表明硬脂酸鈣的添加量越多，材料的孔徑越小。

1.2 材料配比設計

基于大量實驗研究，得出結論：不同顆粒尺度的粉煤灰原料里各種成分含量不同，導致不同顆粒尺度的粉煤灰化學活性也存在一定差異。為了更精準地確定粉煤灰粒徑對整個多孔端頭封堵材料性能的影響，于是以粉煤灰粒徑為唯一變量，按照相同的配比方案配制出5 組粉煤灰輕質多孔端頭封堵材料，以研究不同顆粒尺度的粉煤灰對于材料孔隙結構以及強度等參數的影響。每組配方以粉煤灰及水泥熟料為基料，按照1∶1 的比例各準備750 g，每組加入360 g 的水，同時根據前期實驗經驗加入相對應比例的添加劑（NaOH-堿激發劑、CaO-增強劑、Na2SO4-鹽激發劑、硬脂酸鈣-穩泡劑、H2O2-發泡劑等），粉煤灰輕質多孔端頭封堵材料質量配比見表1。

表1 粉煤灰輕質多孔端頭封堵材料質量配比Table 1 Ratio quality of fly ash light porous endplugging materials

1.3 材料制備流程

配比方案設計好以后，按照表1 的配比設計進行材料準備。配制材料的過程中值得注意的是各個步驟時間的準確性以及攪拌程度的均勻性，以此來避免配制流程對實驗結果的影響。

首先在水中加入片狀氫氧化鈉均勻攪拌直至完全溶解，隨后將混合好的干料與氫氧化鈉溶液充分混合攪拌1 min，其次加入的過氧化氫快速攪拌30 s，然后等待發泡過程，該過程約在10 min 左右結束。因此入模20 min 后即可放入100 ℃的烘箱養護2 h，最終取出室溫養護至對應齡期，并且切割成70.7 mm 見方的標準試樣進行單軸抗壓強度測試。

2 多孔封堵材料不同粒徑性能測試

2.1 密度測量

參照GB/T 50080—2002 普通混凝土拌合物性能實驗方法標準，對未發泡材料的實心密度及多孔材料的發泡密度進行測量。根據2 種材料密度可以計算出多孔端頭封堵材料的孔隙率P：

式中：P 為材料的孔隙率；ρ1為發泡后材料密度；ρ2為未發泡材料密度。

粉煤灰輕質多孔端頭封堵材料孔隙參數見表2。

表2 粉煤灰輕質多孔端頭封堵材料孔隙參數Table 2 Pore parameters of fly ash light weight porous end plugging materials

2.2 強度測試

粉煤灰基多孔封堵材料在端頭封堵過程中主要起到封堵作用，但其單軸抗壓強度也是較為重要的參數。因此，參照GB/T 50081—2002 普通混凝土力學性能實驗方法標準，對5 種不同粒徑的粉煤灰輕質多孔端頭封堵材料進行強度測試實驗。多孔封堵材料的單軸抗壓強度由中國礦業大學礦業工程學院的WDW-300 型萬能實驗機測試得到。不同粒徑粉煤灰多孔封堵材料強度及孔隙率曲線如圖1。

圖1 不同粒徑粉煤灰多孔封堵材料強度及孔隙率曲線Fig.1 Strength and porosity curves of light weight porous end plugging materials with fly ash of different particle sizes

2.3 塑性讓壓特征

粉煤灰基輕質多孔端頭封堵材料在承載過程中表現出了異于常規地聚物的彈性受力狀態，更傾向于多孔材料典型的塑性特性，對于該材料在承載過程中的應力應變表現可以形象地稱之為塑性讓壓特征。發泡/未發泡粉煤灰封堵材料典型應力位移曲線如圖2。由圖2 可知，材料有較為明顯的彈性階段，經歷了應力峰值之后呈現出急劇的應力下降現象。但是對于粉煤灰基輕質多孔端頭封堵材料，其應力位移曲線在經歷短暫的彈性階段之后，材料的應力隨應變的變化卻呈現出較為穩定的平緩變化階段。

圖2 發泡/未發泡粉煤灰封堵材料典型應力位移曲線Fig.2 Typical stress displacement curves of foamed/unfoamed end plugging materials

深究其原因，這和粉煤灰基輕質多孔端頭封堵材料的獨特蜂窩孔狀結構密切相關。材料的加載過程可以分為3 個主要的階段：第1 階段為表面殘孔破損階段，該階段中材料表面開始與實驗機壓頭接觸，表面殘孔開始受壓破碎，式樣整體受力進入短暫的彈性階段；第2 階段中為弱面缺陷受力階段，該階段中式樣中存在的結構弱面及孔隙缺陷破壞，導致式樣產生主要貫穿裂隙；隨著加載的繼續，第2 階段產生的裂隙開始壓合，材料中的氣孔開始由表至里逐漸閉合，因此第3 階段稱為完整多孔結構承載壓合階段，該階段中材料的氣孔壓縮，材料變形逐漸增大，但是壓力值卻變化極小，近乎平穩變形。同時式樣與實驗機接觸的部分即頂部及底部的邊緣由于應力集中而破壞。

2.4 測試結果

從不同粉煤灰顆粒制成的粉煤灰基多孔封堵材料的主要性能參數：密度、孔隙率、強度來看，粉煤灰顆粒尺寸對于這些參數均產生較為直觀的影響。從表2 可以看出，隨著粉煤灰顆粒尺寸的增加，多孔封堵材料的密度逐漸減小，而材料的孔隙率與發泡材料的密度呈負相關關系。而通過圖1 也可以看出，材料的強度與孔隙率整體也呈負相關關系。材料的不同性能參數均隨著粉煤灰粒徑的變化而產生相對較有規律的變化，但在0.25～0.5 mm 范圍時卻出現了較為明顯的轉折。這種現象整體上符合原材料的顆粒尺寸效應，球狀顆粒越小，材料的比表面積越大，潛在化學活性越強，經過相同的活化處理后的反應程度越高，材料強度越高；同時由于材料顆粒越小，發泡過程中氣泡產生受到的不均質集料影響較小，能夠使得相同發泡條件下的氣泡分布更為均勻。而0.25～0.5 mm 范圍的多孔材料性能與整體規律表現出一定的差異，這可能是由于材料的顆粒尺寸主要受上述的顆粒尺寸影響，但更為深層次的影響機理還需要通過相應的化學表征及分析方法來輔助剖析，這也是今后需要進一步開展的工作。

在實際生產過程中，粉煤灰用作封堵材料可以封堵礦井采空區，防止漏風，降低CO 體積分數，減小氧氣泄露使煤自燃而發生火災的幾率。由于端頭封堵主要考慮的是材料的抗變形能力并不著重于材料的承載能力，因此這種塑性讓壓的受力變形特性十分有利于材料在端頭封堵中的應用。端頭封堵材料不會產生脆性破壞而形成較大的裂隙導致漏風，而是只隨著頂板的逐步下沉緩慢變形，能夠達到較好的封堵效果。同時，為了得到更好地封堵效果，要求多孔封堵材料的孔隙率不能太大，孔隙分布需要更為均勻，并且要具有一定的承載能力。因此在制作多孔端頭輕質封堵材料的時候，可以選擇粉煤灰粒徑偏小的，或者在制作時先進行機械研磨、篩分獲得更小粒徑的粉煤灰，從而制得符合條件的封堵材料。

3 多孔封堵材料井下端頭封堵效果測試

3.1 湍頭封堵效果數值模擬

在大南湖一礦進行實地考察，發現井下工作面采用的通風方式主要為“U”型通風，因此需要建立1個符合條件的整體“U”型模型。其中，模型中的進風巷、回風巷的長度為50 m，工作面長度為150 m，采空區長度為190 m，巷道寬度為5 m。同時使用ANSYS 本身的網格化軟件ICEM 進行整個模型的網格劃分，在巷道壁面和采空區的巖壁周圍對網格進行了加密處理，使計算迭代次數更多，更加準確。

將生成的二維網格導入fluent 中進行參數設置，設置多孔介質區域的孔隙率以及黏性阻力等參數。模型進風風量為1.73 m3/s，即為進風巷的邊界條件，并將其選擇為velocity-inlet 邊界，相應的回風巷的邊界條件選擇為pressure-outlet 邊界，其余的巷道壁面除了工作面與采空區的交匯線設置為interior 外，都設置為wall。設置完成點擊Initialization 進行初始化，風流在采空區中壓力分布圖如圖3。

圖3 風流在采空區中壓力分布圖Fig.3 Pressure distribution diagram of wind flow in goaf

端頭未封堵前，風流從采空區流入，會沖擊在端頭，端頭會形成風流聚集的現象，漏風情況也因此發生，造成采空區內部空氣壓力升高、氧氣體積分數升高，產生安全隱患。端頭封堵后，封堵完成后風流在采空區中壓力分布圖如圖4。相對于未封堵時，整個端頭的空氣壓力降低，并且采空區向內延深的空間內空氣壓力十分小，說明封堵效果顯著。

圖4 封堵完成后風流在采空區中壓力分布圖Fig.4 Pressure distribution diagram of air flow in goaf after completion of plugging

3.2 湍頭封堵材料井下應用

數值模擬井下采空區端頭封堵效果十分良好，因此可以應用到實際井下進一步進行效果測試。巷道封堵體位置及測點位置如圖5。在大南湖一礦的采空區前進行封堵，使用袋式封堵[12]。針對大南湖一礦1305 工作面的實際現場情況和端頭封堵工程的實施情況，考慮到該礦井主要有害氣體為CO 氣體，故對于該項目的效果檢測主要關注在工作面端頭的CO 體積分數。在測點1、測點2 布置CD-4 便攜式多參數測定器，其中測點1 主要測量封堵前后支架下方以及煤壁前礦井工人作業區的CO 體積分數，測點2 主要測量封堵前后回風巷道內CO 體積分數，用測定器多次檢測取平均值并記錄。

圖5 巷道封堵體位置及測點位置Fig.5 Plugging work and measuring point setting

因為封堵完畢后整個平面被封閉，所以在測點3、測點4 提前埋下束管，使用JSG-7 束管監測系統[13]監測封堵前后CO 體積分數。

3.3 井下應用效果測試

對大南湖一礦1305 封堵工作面內具有代表性的位置進行了CO 體積分數的測量，封堵前后CO 體積分數對比圖如圖6。《煤礦安全規程》規定：礦井內允許CO 安全體積分數為24×10-6。經過井下測量得出，未封堵前支架下方和巷道處測量的CO 體積分數分別為74×10-6、78×10-6，遠遠超過了井下規定的體積分數，增大了安全隱患。經過封堵處理以后，上下端頭處的CO 體積分數有了明顯降低，達到了安全范圍之內。該結果也驗證了端頭封堵前后巷道處、支架下方、端頭處CO 體積分數降低效果，明顯地改善了作業環境，排除了安全隱患。

圖6 封堵前后CO 體積分數對比圖Fig.6 Comparison diagram of CO volume fraction before and after plugging

封堵前后端頭處CO 體積分數檢測結果圖如圖7。由圖7 可以看出，在前6 h 內，端頭封堵形成密閉空間后，端頭處CO 體積分數的增長速率比未封堵端頭處CO 體積分數增長速率快，但在9 h 之后，封堵后端頭處的CO 體積分數增長速率大幅降低，CO體積分數也基本趨于定值。分析產生這種變化的原因主要應為：封堵后短時間內，端頭處密閉空間內氧氣較為充足，且沒有新鮮風流帶走氧化產生的CO氣體，所以導致CO 體積分數以較快速率上升，但隨著氧化反應的進行，端頭密閉空間內的氧氣含量降低，缺少反應物，從而抑制了CO 氣體的產生，使有害體積分數保持在安全范圍內。

圖7 封堵前后端頭處CO 體積分數檢測結果圖Fig.7 CO volume fraction test results at the ends before and after plugging

4 結 語

1）隨著粉煤灰粒徑的增大，該多孔端頭封堵材料的實心密度不變，發泡密度減小，同時孔隙率增大，強度和材料密封性減小。實驗得出其孔隙率和單軸抗壓強度呈負相關，因此使用時應盡量減小粉煤灰的粒徑。可以機械研磨或者級配選出顆粒粒徑較小的粉煤灰，提高輕質端頭封堵材料的強度，使其適應壓力變化的能力增強，從而增強密閉性，提升封堵效果。

2）在采空區進行封堵后，支架下方和煤壁前方礦井工人作業區以及采空區后方的CO 體積分數發生了極大變化，得到有效地控制，減小了安全隱患。該封堵材料可以有效減少漏風狀況，并且使用粉煤灰作為主要材料，可以減少成本，將固體廢物重新利用，綠色經濟且高效。

3）研究的多孔端頭封堵材料還可以繼續完善，例如材料內的氣孔的分布等可以增大材料強度的因素無法確定，后續可以深入研究探討。