新型无机发泡充填材料的研究及应用

于维雨 王继勇 郭建明 陈 杨 马 磊

(1.煤炭科学技术研究院有限公司矿用油品分院，北京市朝阳区， 100013；2.煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室，北京市朝阳区， 100013；3.国家能源煤炭高效利用与节能减排技术装备重点实验室，北京市朝阳区， 100013)

随着我国煤矿井下开采深度的逐渐增加，普遍存在围岩地压大、断层构造多、岩层松散易破碎和遇水膨胀等恶劣条件，巷道掘进过程中发生大范围冒顶事故比例逐步上升。冒顶事故处理不当，不仅影响掘进施工速度，还会引发二次冒顶和瓦斯等有害气体积聚，严重危害煤矿安全。传统治理巷道冒顶的方法包括金属支架木垛法、锚网喷法以及钻注法等，均存在操作不便且无法保障施工安全的问题；聚氨酯和酚醛树脂等有机高分子发泡材料，施工过程中释放刺激性有害气体，产生大量的热量而引起烧芯现象，已造成多起火灾事故，该类产品已被明令禁止使用；无机发泡材料具有不燃性和环保特性，但目前国内无机发泡材料均存在性能低、发泡倍数为2～5倍、凝结时间长、难以有效接顶并且多为两种组分，施工过程中一种组分制浆，另一种组分发泡，再将泡沫与浆体均匀混合形成泡沫材料，存在操作工艺复杂、设备体积大、输出量低和输送距离短等众多不足。

针对目前国内无机发泡充填材料发泡倍数低、施工操作复杂的难题，研究开发了单一粉体无机材料，实现发泡材料性能高、施工工艺简便且能够快速有效地解决高瓦斯矿井巷道高冒区充填密闭的难题。

1 无机发泡充填密闭材料性能研究

新型无机充填密闭材料为单一无机粉料，按水灰比2∶1混合后，经高速搅拌装置搅拌即可快速发泡。根据现场使用的要求，对无机发泡充填密闭材料的发泡性能、反应温度、阻燃性能和抗压性能等关键指标进行了研究。

1.1 发泡性能

无机充填密闭材料的干粉灰浆料堆积密度为0.95 g/cm3，干粉料与水按水料比(重量比)2∶1混合后，经专用高速混合器快速搅拌，10 s即可起泡，40 s泡沫搅拌均匀结束。发泡过程为纯物理搅拌发泡，不产生任何有毒有害气体。泡沫稳定后测定泡沫体湿密度为0.236 g/cm3，1 kg干粉灰浆料能够形成12.7 L无机泡沫体。无机泡沫体14 d龄期外观如图1所示。

1.2 反应温度

测量方法如下：搅拌发泡结束后，迅速将泡沫体放入内径规格为100 mm×100 mm×100 mm的试模中，2 min后泡沫体不流动，用精度为±0.1℃的电子温度计测定泡沫体中心温度。初始温度为26.4℃，最高反应温度出现在1～1.5 h，为34.1℃。

图1 无机泡沫体14 d龄期外观

1.3 阻燃性能

采用《煤矿井下用聚合物制品阻燃抗静电性通用试验方法和判定规则》(MT113-1995)，检测泡沫体阻燃性能。泡沫体龄期为14 d，酒精喷灯、酒精灯的有焰燃烧、无焰燃烧、火焰扩展长度均为0，无机充填泡沫体阻燃等级为不燃。

1.4 抗压性能

试件尺寸为100 mm×100 mm×100 mm，养护环境温度为20℃±3℃,湿度为90%以上。养护至龄期进行测试，24 h龄期抗压强度为0.11 MPa，14 d龄期抗压强度为0.238 MPa。14 d龄期试验力与位移之间曲线关系如图2所示。

图2 14 d龄期试验力与位移之间曲线关系

由图2可以看出，位移在0～3.00 mm时试验力迅速增加，位移为1.00 mm时，变形试验力为410 N；位移为2.00 mm时，变形试验力为1130 N；位移为3.00 mm时，变形试验力为1580 N；位移为3.00 mm～6.00 mm时，试验力平缓增加；位移为6.00 mm时，变形力值为2012 N，在井下可以很好抵抗冒落区初次来压；位移为6.00 mm以上时，随着位移的增大试验力缓慢增加且趋于平稳；位移达到30.00 mm时变形力值不再降低，泡沫体受压变形好、不开裂，在煤矿冒落区充填密闭工程中能起到承压和让压的作用。

1.5 其它性能

材料初凝时间为120 s，可一次性堆积8 m以上不坍塌，水灰比(质量比)为2∶1，不含有害物质。

2 无机充填密闭技术

2.1 无机充填设备

无机充填密闭材料为单一粉体，采用专用注浆泵实现与水混合、发泡、泵送一体化；施工用水需要清洁水，供水流量不小于100 L/min；专用注浆泵进水接口尺寸为A25型，出浆管路接口尺寸为A32型，浆料泵送距离为100 m；专用注浆泵设备的电机功率为11 kW，额定电压为1140 V,输出流量为100～150 L/min，浆料输出压力为1.2 MPa，最大泵送距离不低于300 m。

2.2 发泡泵送工艺

无机粉料倒入专用注浆泵加料口，水由进水口进入注浆泵，注浆泵将无机粉料和水快速搅拌数秒即可发泡，然后泵送至施工地点，实现混合发泡泵送一体化，泵送最大距离超过300 m，工人注浆操作时可以远离冒落危险区，同时可以克服掘进工作面水源和电源不足的困难。无机充填密闭材料泵送流程图如图3所示。

图3 无机充填密闭材料泵送流程图

3 工程应用

3.1 工程概况

淮北矿业临涣煤矿为高瓦斯矿井，Ⅱ1031机巷巷道宽度为4 m，高度为3 m。2013年7月2日早班，综掘一区2队施工过程中遇断层，迎头发生冒落，冒落长度约为8 m，最大冒顶高度约为8 m，空顶体积约为200 m3，事故发生后掘进工作面已经无法施工。

3.2 施工技术难点分析

冒落区矿压不稳定，冒落区域较大，若采取清矸处理，则有再次冒落造成人员伤亡的危险；冒落区有瓦斯涌出，一方面应当尽早进行充填，防止瓦斯泄漏造成更大损失，另一方面应当使用低温不燃充填材料，施工过程中尽量远离冒落区；充填密闭后，不影响巷道的后续掘进施工。

3.3 施工工艺

2013年7月3日上午，进行充填施工。充填区共布置6根充填管，4根长度为4 m，1根为6 m，1根为8 m，均撞至巷道顶板。将专用泵安装在掘进机后，距迎头约为30 m，充填管与专用泵之间用出浆管连接。施工过程中，冒落区瓦斯被无机充填密闭材料挤出，巷道瓦斯有增大趋势，回风流瓦斯从0.1%增至0.3%。一个中班即施工完毕，共使用无机充填材料20 t，Ⅱ1031机巷冒落区充填剖面布置如图4所示。

图4 Ⅱ1031机巷冒落区充填剖面布置图

3.4 施工效果检测

2013年7月4日上午，施工区队按方案要求打撞楔超前护顶恢复施工，顺利进入掘进区，瓦斯浓度处于正常水平，无掉顶现象发生。经过1 a的观测表明，无机充填密闭材料有效充填高冒区，防止了冒落区顶板继续垮落，冒顶区无瓦斯积聚，未发生再次冒落的事故。

4 结论

新型无机充填密闭材料为单一粉料,与水混合搅拌10 s即可起泡，泡沫体湿密度为0.236 g/cm3，1 kg干粉灰浆料能够形成12.7 L泡沫，泡沫体受压变形30%抗压强度不降低，在冒落区充填密闭工程中能起到让压的作用。

新型无机充填工艺技术实现搅拌、发泡、泵送一体化操作，可以产生30 m3/h的泡沫体，最大输送距离超过300 m，工人注浆操作时可以远离冒落危险区，同时可以克服掘进工作面水源和电源不足的困难。

新型无机充填密闭材料现场应用表明，能够对高瓦斯矿井巷道高冒区进行快速有效的充填密闭。

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