新型無機發泡充填材料的研究及應用

于維雨 王繼勇 郭建明 陳 楊 馬 磊

(1.煤炭科學技術研究院有限公司礦用油品分院，北京市朝陽區， 100013；2.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點實驗室，北京市朝陽區， 100013；3.國家能源煤炭高效利用與節能減排技術裝備重點實驗室，北京市朝陽區， 100013)

隨著我國煤礦井下開采深度的逐漸增加，普遍存在圍巖地壓大、斷層構造多、巖層松散易破碎和遇水膨脹等惡劣條件，巷道掘進過程中發生大范圍冒頂事故比例逐步上升。冒頂事故處理不當，不僅影響掘進施工速度，還會引發二次冒頂和瓦斯等有害氣體積聚，嚴重危害煤礦安全。傳統治理巷道冒頂的方法包括金屬支架木垛法、錨網噴法以及鉆注法等，均存在操作不便且無法保障施工安全的問題；聚氨酯和酚醛樹脂等有機高分子發泡材料，施工過程中釋放刺激性有害氣體，產生大量的熱量而引起燒芯現象，已造成多起火災事故，該類產品已被明令禁止使用；無機發泡材料具有不燃性和環保特性，但目前國內無機發泡材料均存在性能低、發泡倍數為2～5倍、凝結時間長、難以有效接頂并且多為兩種組分，施工過程中一種組分制漿，另一種組分發泡，再將泡沫與漿體均勻混合形成泡沫材料，存在操作工藝復雜、設備體積大、輸出量低和輸送距離短等眾多不足。

針對目前國內無機發泡充填材料發泡倍數低、施工操作復雜的難題，研究開發了單一粉體無機材料，實現發泡材料性能高、施工工藝簡便且能夠快速有效地解決高瓦斯礦井巷道高冒區充填密閉的難題。

1 無機發泡充填密閉材料性能研究

新型無機充填密閉材料為單一無機粉料，按水灰比2∶1混合后，經高速攪拌裝置攪拌即可快速發泡。根據現場使用的要求，對無機發泡充填密閉材料的發泡性能、反應溫度、阻燃性能和抗壓性能等關鍵指標進行了研究。

1.1 發泡性能

無機充填密閉材料的干粉灰漿料堆積密度為0.95 g/cm3，干粉料與水按水料比(重量比)2∶1混合后，經專用高速混合器快速攪拌，10 s即可起泡，40 s泡沫攪拌均勻結束。發泡過程為純物理攪拌發泡，不產生任何有毒有害氣體。泡沫穩定后測定泡沫體濕密度為0.236 g/cm3，1 kg干粉灰漿料能夠形成12.7 L無機泡沫體。無機泡沫體14 d齡期外觀如圖1所示。

1.2 反應溫度

測量方法如下：攪拌發泡結束后，迅速將泡沫體放入內徑規格為100 mm×100 mm×100 mm的試模中，2 min后泡沫體不流動，用精度為±0.1℃的電子溫度計測定泡沫體中心溫度。初始溫度為26.4℃，最高反應溫度出現在1～1.5 h，為34.1℃。

圖1 無機泡沫體14 d齡期外觀

1.3 阻燃性能

采用《煤礦井下用聚合物制品阻燃抗靜電性通用試驗方法和判定規則》(MT113-1995)，檢測泡沫體阻燃性能。泡沫體齡期為14 d，酒精噴燈、酒精燈的有焰燃燒、無焰燃燒、火焰擴展長度均為0，無機充填泡沫體阻燃等級為不燃。

1.4 抗壓性能

試件尺寸為100 mm×100 mm×100 mm，養護環境溫度為20℃±3℃,濕度為90%以上。養護至齡期進行測試，24 h齡期抗壓強度為0.11 MPa，14 d齡期抗壓強度為0.238 MPa。14 d齡期試驗力與位移之間曲線關系如圖2所示。

圖2 14 d齡期試驗力與位移之間曲線關系

由圖2可以看出，位移在0～3.00 mm時試驗力迅速增加，位移為1.00 mm時，變形試驗力為410 N；位移為2.00 mm時，變形試驗力為1130 N；位移為3.00 mm時，變形試驗力為1580 N；位移為3.00 mm～6.00 mm時，試驗力平緩增加；位移為6.00 mm時，變形力值為2012 N，在井下可以很好抵抗冒落區初次來壓；位移為6.00 mm以上時，隨著位移的增大試驗力緩慢增加且趨于平穩；位移達到30.00 mm時變形力值不再降低，泡沫體受壓變形好、不開裂，在煤礦冒落區充填密閉工程中能起到承壓和讓壓的作用。

1.5 其它性能

材料初凝時間為120 s，可一次性堆積8 m以上不坍塌，水灰比(質量比)為2∶1，不含有害物質。

2 無機充填密閉技術

2.1 無機充填設備

無機充填密閉材料為單一粉體，采用專用注漿泵實現與水混合、發泡、泵送一體化；施工用水需要清潔水，供水流量不小于100 L/min；專用注漿泵進水接口尺寸為A25型，出漿管路接口尺寸為A32型，漿料泵送距離為100 m；專用注漿泵設備的電機功率為11 kW，額定電壓為1140 V,輸出流量為100～150 L/min，漿料輸出壓力為1.2 MPa，最大泵送距離不低于300 m。

2.2 發泡泵送工藝

無機粉料倒入專用注漿泵加料口，水由進水口進入注漿泵，注漿泵將無機粉料和水快速攪拌數秒即可發泡，然后泵送至施工地點，實現混合發泡泵送一體化，泵送最大距離超過300 m，工人注漿操作時可以遠離冒落危險區，同時可以克服掘進工作面水源和電源不足的困難。無機充填密閉材料泵送流程圖如圖3所示。

圖3 無機充填密閉材料泵送流程圖

3 工程應用

3.1 工程概況

淮北礦業臨渙煤礦為高瓦斯礦井，Ⅱ1031機巷巷道寬度為4 m，高度為3 m。2013年7月2日早班，綜掘一區2隊施工過程中遇斷層，迎頭發生冒落，冒落長度約為8 m，最大冒頂高度約為8 m，空頂體積約為200 m3，事故發生后掘進工作面已經無法施工。

3.2 施工技術難點分析

冒落區礦壓不穩定，冒落區域較大，若采取清矸處理，則有再次冒落造成人員傷亡的危險；冒落區有瓦斯涌出，一方面應當盡早進行充填，防止瓦斯泄漏造成更大損失，另一方面應當使用低溫不燃充填材料，施工過程中盡量遠離冒落區；充填密閉后，不影響巷道的后續掘進施工。

3.3 施工工藝

2013年7月3日上午，進行充填施工。充填區共布置6根充填管，4根長度為4 m，1根為6 m，1根為8 m，均撞至巷道頂板。將專用泵安裝在掘進機后，距迎頭約為30 m，充填管與專用泵之間用出漿管連接。施工過程中，冒落區瓦斯被無機充填密閉材料擠出，巷道瓦斯有增大趨勢，回風流瓦斯從0.1%增至0.3%。一個中班即施工完畢，共使用無機充填材料20 t，Ⅱ1031機巷冒落區充填剖面布置如圖4所示。

圖4 Ⅱ1031機巷冒落區充填剖面布置圖

3.4 施工效果檢測

2013年7月4日上午，施工區隊按方案要求打撞楔超前護頂恢復施工，順利進入掘進區，瓦斯濃度處于正常水平，無掉頂現象發生。經過1 a的觀測表明，無機充填密閉材料有效充填高冒區，防止了冒落區頂板繼續垮落，冒頂區無瓦斯積聚，未發生再次冒落的事故。

4 結論

新型無機充填密閉材料為單一粉料,與水混合攪拌10 s即可起泡，泡沫體濕密度為0.236 g/cm3，1 kg干粉灰漿料能夠形成12.7 L泡沫，泡沫體受壓變形30%抗壓強度不降低，在冒落區充填密閉工程中能起到讓壓的作用。

新型無機充填工藝技術實現攪拌、發泡、泵送一體化操作，可以產生30 m3/h的泡沫體，最大輸送距離超過300 m，工人注漿操作時可以遠離冒落危險區，同時可以克服掘進工作面水源和電源不足的困難。

新型無機充填密閉材料現場應用表明，能夠對高瓦斯礦井巷道高冒區進行快速有效的充填密閉。

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