泡沫混凝土在礦井中的應用初探

0 前言

泡沫混凝土材料由于具有重量輕、保溫和絕熱性能好、有抗震吸能及減噪等功能，目前在國內建筑、地暖、園藝等諸多領域得到了應用。泡沫混凝土在我國煤礦中的應用剛剛起步，但表現(xiàn)出良好的勢頭。在不久的將來，泡沫混凝土會在礦井回填材料、支護材料和堵水材料上有用武之地。

1 回填材料

1.1 采空區(qū)回填

我國是一個煤炭生產和消費大國。但長期的煤炭開采，形成大面積的沉陷區(qū)，據不完全統(tǒng)計，至2005年全國沉陷面積已達70萬公頃。開采沉陷導致大量農田棄耕，地表水系破壞，造成嚴重的生態(tài)災難。而采空區(qū)回填是根治地表沉陷及采動損害的最直接、最有效的方法。煤礦采空區(qū)回填是一項世界性的難題。長期以來，國內外主要采用的技術包括干式充填、水砂充填以及膠結充填三種方法。膠結充填采礦法多在金屬礦山應用。一般以碎石、河砂或尾砂等為骨料，與水泥或石灰類膠結材料經拌合形成漿體或膏體，再以管道泵輸送或重力自流方式送到充填區(qū)的采礦方法(見圖1，2)。與水砂充填相比，膠結充填的材料膠結后強度大，可用于埋藏深、地壓大、圍巖不穩(wěn)固的中厚以上礦體，使用膠結充填已成為煤礦采空區(qū)回填的必然趨勢。我國近年來試驗成功并推廣應用了高濃度膠結充填和高水速凝全水固化膠結充填等新技術。

傳統(tǒng)水泥膠結混凝土充填材料中所用水泥一般為42.5普通硅酸鹽水泥，用量為150～300kg/m3，水灰比約1.2～1.3，28d 混凝土抗壓強度5.0～10.0MPa ,水泥在膠結充填成本中占30～60%。一般噸煤成本約增加40元/噸。降低水泥用量及成本，是尋找適用于礦山新型充填材料的有效途徑。泡沫混凝土具有輸送方便、流動性好、價格便宜，利用不同級配的尾礦礦粉和水泥進行配比，可以保持一定的強度，完全可以作為一種新型的充填體在煤礦采空區(qū)回填中使用。

1.2 冒落空洞充填

采掘工作面頂板冒頂后會形成一定范圍和高度的空洞，若不及時處理及充填，將會造成支護體無法發(fā)揮其支撐作用，可能造成更大范圍的頂板事故及經濟損失，也可能造成瓦斯積聚。

傳統(tǒng)的處理這些冒頂空洞的方法是用人工搭設木垛或采用聚胺脂類材料化學加固。木垛施工速度慢，材料消耗大，木垛與頂板接觸面小，控制作用差，且作業(yè)十分危險?；瘜W加固存在成本高、易發(fā)熱著火等弊端。采用泡沫混凝土充填冒頂空洞可克服這些缺點。通過調節(jié)發(fā)泡倍數以及改變水灰比來調節(jié)泡沫混凝土抗壓強度，最大可以提高到13MPa左右。當材料單向受壓達到屈服極限后，隨著變形的增加，材料仍能保持較高的承載能力。因材料結構是閉孔型的，故具有良好的氣密性。這種利用泡沫水泥充填冒落空洞的方法可使處理冒頂空洞的工作實現(xiàn)機械化，施工安全，速度快，能增大對空洞壁的支撐，防止冒頂范圍繼續(xù)擴大，改善支架與圍巖的相互作用，并可防止空洞內有害氣體積聚，防止發(fā)火，是一項有許多優(yōu)點的新技術。

1－泡沫水泥 2－充填管 3－編織簾布 4－挑梁 5 錨桿 6－擋板 7－塑料編制袋

2 礦山支護

混凝土一直是地下井巷工程中立井井筒、井底車場、各種峒室以及不受采動影響巷道的現(xiàn)澆墻體使用。剛性現(xiàn)澆混凝土在圍巖壓力作用下只產生彈性變形，在承受較大剛性位移時，失效現(xiàn)象較為普遍。

泡沫混凝土由于具有一定的柔性、可壓縮性大，具有一定的強度等優(yōu)點，可以作為礦井以下幾種支護形式中進行應用：

2.1 作為可縮性支護的墊層

減輕和緩和支架的受力，保持支架承載均勻，并能有效釋放圍巖的初始彈性變形能。具體結構如圖4所示。

2.2制成泡沫混凝土砌塊，用于巷道砌筑和立即支護

用于構筑承重墻體和通風密閉墻，近年來，利用泡沫混凝土砌塊構筑通風密閉的工作，已經在我國諸多礦井推廣應用，由于具有可縮性好、整體密閉性能優(yōu)越，受到現(xiàn)場工程技術人員的一致好評。

2.3 罐性墩柱

一種名為Can的泡沫混凝土支架在美國、澳大利亞等國家的應用已經有10余年的歷史，近年來，該墩柱在我國已經開始使用。2009年3月，山西亞美大寧煤礦從澳大里亞引進一批墩柱，該墩柱由澳大里亞Hanson burrel公司生產，最大載荷達到200噸。該墩柱在大寧礦井下雙測回采的402沿空動壓巷道中進行了科學試驗，試驗取得較為滿意的效果，通過和木垛進行比較，木垛最大承載力為33.6噸，平均承載力為28.48噸；而墩柱的最大承載力為125.6噸，平均承載力為75.75噸，分別為木垛的3.75倍和2.66倍。從巷道的表面位移量來看，使用木垛支護的地段，平均頂底平均移近量為221.6mm，兩幫平均移近量為154.5mm；而使用墩柱支護的區(qū)域，頂底板平均移近量為85.37mm，兩幫平均移近量為34.2mm，分別為木垛的38.5％和22.1％。墩柱的支護效率是普通木垛的3－5倍。

隨著我國煤礦巷道跨度的增加，以及采掘系統(tǒng)的優(yōu)化，罐型墩柱會在動壓巷道、大跨度切巷、停采維護、瓦排巷道、窄煤柱巷道、沿空巷道等軟巖和動壓巷道的支護中得到進一步的應用。

3 注漿堵水

注漿堵水是礦井水防治的重要技術。目前煤礦井巷堵水注漿材料大都選用水泥類漿材或水泥-水玻璃類漿體。其主要優(yōu)點是成本低、材料來源廣，但由于其硬化后易收縮而產生細小裂隙，在水力沖刷下裂隙逐漸擴大，堵水效果不理想。采用泡沫混凝土作為堵水材料，由于不受收縮變形的影響，閉孔結構可以有效吸收收縮變形和增加水流路徑，達到止水的目的。勝利油田采用泡沫水泥堵水取得了一定效果，平均有效期為12.5個月。

4 結語

泡沫混凝土在我國已經有幾十年的生產歷史，但主要在建筑行業(yè)的應用研究較多，在煤礦領域的應用不夠廣泛。今后要在發(fā)泡材料、施工工藝以及施工設備配套上加強研發(fā)工作，適應我國礦井的使用要求，為我國礦山安全、高效生產發(fā)揮更大的作用。