岳文萍 ，凌 偉 ，劉 超

（1.西京學(xué)院 土木工程學(xué)院，陜西 西安 710123；2.教育部西部礦井開采及災(zāi)害防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710054；3.西安科技大學(xué) 安全與科學(xué)工程學(xué)院，陜西 西安 710054）

隨著煤礦開采深度不斷增加、地應(yīng)力升高、煤層透氣性降低，瓦斯事故日益突出，已成為威脅煤礦安全生產(chǎn)的重大難題[1]。治理瓦斯問題的根本方法是瓦斯抽采[2]，然而，抽采鉆孔成孔后，在地應(yīng)力的作用下，以及擾動(dòng)破壞等因素，常會(huì)造成煤體變形、坍塌[3]，嚴(yán)重影響瓦斯抽采效果。因此，抽采鉆孔有效支護(hù)是保障瓦斯抽采的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一[4]。我國(guó)煤礦常用的抽采鉆孔塌孔防護(hù)技術(shù)包括打鉆過程中的保護(hù)孔壁技術(shù)和鉆孔成形后的保護(hù)孔壁技術(shù)[5-9]。相關(guān)研究大部分采用下護(hù)孔管的方式解決塌孔問題，但是由于護(hù)孔管直徑相對(duì)鉆孔直徑過小，不足以為孔壁提供支護(hù)作用，加之有些孔內(nèi)含水量較大等問題，常常出現(xiàn)護(hù)孔管被堵塞的情況，難以持續(xù)為鉆孔內(nèi)瓦斯抽采提供保障。因此，結(jié)合泡沫混凝土高強(qiáng)度、大孔隙、高連通的特點(diǎn)，考慮研發(fā)一種既能為孔壁提供支護(hù)作用又能為瓦斯流動(dòng)提供通道的新型高透通孔型泡沫混凝土材料。而發(fā)泡劑對(duì)泡沫混凝土能否滿足井下鉆孔孔壁支護(hù)起著決定性作用，結(jié)合井下情況，采用控制單因素變量法從孔隙率、抗壓強(qiáng)度和發(fā)熱量3 個(gè)方面對(duì)不同發(fā)泡劑進(jìn)行了考察，初步確定一種適合井下使用的發(fā)泡劑，為下一步鉆孔護(hù)孔泡沫混凝土的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)及推廣應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

1 發(fā)泡劑選擇及發(fā)泡原理

發(fā)泡劑的選擇對(duì)泡沫混凝土整體性能的影響至關(guān)重要，為了確定出能較好滿足井下鉆孔孔壁支護(hù)的要求，試驗(yàn)分別選取鋁粉和氧化鈣、碳酸氫鈉和硫酸鋁以及雙氧水作為抽采鉆孔護(hù)孔泡沫混凝土的發(fā)泡劑，進(jìn)行了控制單因素變量試驗(yàn)。

鋁粉和氧化鈣：鋁粉是一種膨脹劑[10]，其與水反應(yīng)產(chǎn)生的氫氣可以很好的保存在混凝土漿液內(nèi)部，使混凝土體積膨脹并產(chǎn)生許多氣孔，但是由于鋁的還原性較小，所以該反應(yīng)程度很低。

因此，在反應(yīng)中加入一定量的氧化鈣可以有效的改善這種情況，這是因?yàn)镃aO 與水發(fā)生置換反應(yīng)會(huì)生成 Ca（OH）2。

接著，生成的Al（OH）3與Ca（OH）3發(fā)生置換反應(yīng)，使得Al(OH)3消耗掉，反應(yīng)式（1）向右進(jìn)行，繼續(xù)產(chǎn)生氫氣。

碳酸氫鈉和硫酸鈉：碳酸氫鈉與硫酸鋁是干粉式滅火器的主要成分，是一種吸熱型發(fā)泡劑。在一定條件下，碳酸氫鈉與硫酸鋁會(huì)反應(yīng)生成二氧化碳?xì)怏w，同樣可以達(dá)到氣體發(fā)泡的效果。

雙氧水：雙氧水在堿性條件下會(huì)發(fā)生分解反應(yīng)，產(chǎn)生氧氣和水，產(chǎn)生的氧氣被漿液包裹后固化下來即形成泡沫混凝土的氣孔結(jié)構(gòu)。

2 試驗(yàn)及分析

2.1 試樣制備

A 組：①用賽多利斯電子秤稱取200.00 g 的超細(xì)水泥；②稱取鋁粉8.00 g 和氧化鈣8.00 g；③再用量筒量取100 mL 水；④將膠凝材料（超細(xì)水泥）和發(fā)泡劑（鋁粉和氧化鈣）倒入燒杯中充分混合攪拌均勻；⑤加入水后攪拌3～5 min，至漿液充分?jǐn)嚢杈鶆驗(yàn)橹?；⑥將攪拌好的混凝土漿液倒入直徑50 mm、高 100 mm 的標(biāo)準(zhǔn)試件模具中，并在（19±2）℃、相對(duì)濕度為95%的條件下進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，A 組試樣截面圖如圖1。

圖1 A 組試樣截面圖Fig.1 The section diagram of sample A

B 組：①稱取200.00 g 的超細(xì)水泥；②稱取碳酸氫鈉8.00 g 和硫酸鋁8.00 g；③用量筒量取100 mL的水；④將膠凝材料（超細(xì)水泥）和發(fā)泡劑（碳酸氫鈉和硫酸鋁）倒入燒杯中充分混合攪拌均勻；⑤加入水后攪拌3～5 min，直至漿液充分?jǐn)嚢杈鶆驗(yàn)橹?；⑥將攪拌好的混凝土漿液倒入直徑50 mm、高100 mm的標(biāo)準(zhǔn)試件模具中，并在（19±2）℃、相對(duì)濕度95%的條件下進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，B 組試樣截面圖如圖2。

C 組：①稱取200.00 g 的超細(xì)水泥；②用容量為100 mL 的量筒量取100 mL 的水；③將超細(xì)水泥與水倒入燒杯中，攪拌3～5 min，直至漿液充分?jǐn)嚢杈鶆驗(yàn)橹梗虎苡萌萘?0、5 mL 的量筒共量取15 mL 的雙氧水，并倒入混凝土凈漿中再次攪拌均勻；⑤將攪拌好的混凝土漿液倒入直徑50 mm、高100 mm的標(biāo)準(zhǔn)試件模具中，并在（19±2）℃、相對(duì)濕度95%的條件下進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，C 組試樣截面圖如圖3。

圖2 B 組試樣截面圖Fig.2 The section diagram of sample B

圖3 C 組試樣截面圖Fig.3 The section diagram of sample C

2.2 性能測(cè)試

2.2.1 孔隙率試驗(yàn)

由于直接法測(cè)量泡沫混凝土的孔隙率較為困難，因此常采用間接法進(jìn)行測(cè)量[11]，試驗(yàn)采用排水法對(duì)泡沫混凝土的孔隙率進(jìn)行測(cè)算[12]。

將干燥后的樣品分別稱重，試驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄見表1；在容量為1 000 mL 的量杯中裝入700 mL 的水；將樣品置入盛水的量杯一段時(shí)間后讀取量杯刻度，并記錄；靜置24 h 后取出稱重。

從表1 可以看出，A 組試樣的干重為135.5 g，相較于B 組和C 組而言，該組試樣的干質(zhì)量最小，這是因?yàn)榧尤脘X粉后的膨脹作用，導(dǎo)致A 組單位體積內(nèi)的質(zhì)量小于另外2 組，同時(shí)也是因?yàn)榕蛎涀饔脤?dǎo)致A 組的孔隙率高于B、C 2 組。B 組的干質(zhì)量最高而孔隙率最低，這是因?yàn)镃O2易溶于水，所以其氣泡率最低。對(duì)比表中數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，A 組和C 組的孔隙率較高。

表1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄表Table 1 The test data record form

2.2.2 單軸壓縮試驗(yàn)

試驗(yàn)采取萬(wàn)能試驗(yàn)儀對(duì)不同樣品進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)[13]，各組試樣抗壓強(qiáng)度與齡期關(guān)系曲線圖如圖4。

圖4 各組試樣抗壓強(qiáng)度與齡期關(guān)系曲線圖Fig.4 Correlative curves relationship between compressive strength and curing age

從圖4 中可知，B 組的抗壓強(qiáng)度最高，即以碳酸氫鈉與硫酸鋁為發(fā)泡劑制備的樣品強(qiáng)度最高，這是因?yàn)槠淇紫督Y(jié)構(gòu)較少，內(nèi)部排列緊密，密實(shí)度好。

在鉆孔內(nèi)支護(hù)研究方面，王振峰曾利用囊袋和注漿給鉆孔孔壁提供了1 MPa 左右的支護(hù)力，即達(dá)到了良好的鉆孔孔壁裂隙封堵的效果[14]，抗壓強(qiáng)度記錄見表2。從表2 可以看出，A、B、C 組 3 d 的抗壓強(qiáng)度均超過1 MPa，基本可以滿足鉆孔內(nèi)的支護(hù)要求。

表2 抗壓強(qiáng)度記錄表Table 2 The record form of compressive strength

2.2.3 反應(yīng)熱試驗(yàn)

將HT-9815 鑫思特四通道接觸式測(cè)溫儀的溫度傳感器完全浸入剛剛制備完成的漿液內(nèi)，根據(jù)4通道反饋的溫度數(shù)值，求出其平均值作為反應(yīng)的溫度，記錄下10 min 內(nèi)反應(yīng)過程中的溫度變化，反應(yīng)溫度與反應(yīng)時(shí)間關(guān)系曲線如圖5。

圖5 反應(yīng)溫度與反應(yīng)時(shí)間關(guān)系曲線圖Fig.5 Correlative curves relationship between reaction temperature and time

從圖5 可以看出，A 組漿液反應(yīng)溫度上升最快，最高溫度達(dá)到36 °C；B 組漿液反應(yīng)溫度上升較緩且產(chǎn)生的反應(yīng)熱遠(yuǎn)小于A 組漿液，反應(yīng)最高溫度為24.2 °C；C 組漿液溫度先上升，后降低，溫度降低到16.5 °C 后漿液溫度開始回升。A 組漿液溫度上升較快是因?yàn)殇X粉及氧化鈣水解時(shí)均產(chǎn)生大量的熱，B組漿液上升較緩是因?yàn)殡p氧水分解時(shí)產(chǎn)生很小的熱，C 組漿液溫度先上升是因?yàn)樗嗨瘯r(shí)放出的熱，而后下降是因?yàn)榱蛩徜X與碳酸氫鈉反應(yīng)時(shí)吸收了一部分水化熱。

根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》的規(guī)定“生產(chǎn)礦井采掘工作面空氣溫度不得超過26 °C，機(jī)電設(shè)備硐室的空氣不得超過30 °C”[15]，A 組不能較好的滿足井下的使用條件。

2.3 試驗(yàn)小結(jié)

1）通過孔隙率試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，A 組試樣的孔隙率為47.84%，B 組試樣的孔隙率為17.36%，C 組試樣的孔隙率為43.27%，其中A 組和C 組的孔隙率較高。

2）通過單軸壓縮試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，A 組試樣3 d 抗壓強(qiáng)度為1.47 MPa，B 組試樣3 d 抗壓強(qiáng)度2.41 MPa；C 組試樣3 d 抗壓強(qiáng)度為1.98 MPa。

3）通過反應(yīng)熱試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在室溫為19.3 °C 時(shí)，A 組漿液最高溫度為36 °C；B 組漿液最高溫度為24.2 °C；C 組漿液呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)，最低溫度為16.5 °C。

3 結(jié) 論

1）通過控制單因素法，試驗(yàn)了 3 種不同發(fā)泡劑對(duì)泡沫混凝土性能的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)不同的發(fā)泡劑對(duì)泡沫混凝土的性能影響很大。

2）以鋁粉和氧化鈣為發(fā)泡劑制備的試樣孔隙率為 47.84%，3 d 抗壓強(qiáng)度為1.47 MPa，反應(yīng)時(shí)放熱較多；以硫酸鋁和碳酸氫鈉為發(fā)泡劑制備的試樣孔隙率為17.36%，3 d 抗壓強(qiáng)度為2.41 MPa，反應(yīng)時(shí)吸熱；以雙氧水為發(fā)泡劑的試樣孔隙率為43.27%，3 d 抗壓強(qiáng)度為1.98 MPa，反應(yīng)時(shí)放熱較少。

3）結(jié)合井下使用條件，鋁粉與氧化鈣反應(yīng)時(shí)放熱較大，硫酸鋁與碳酸氫鈉氣泡率較低，而雙氧水在孔隙率、抗壓強(qiáng)度和發(fā)熱量方面均能較好的滿足鉆孔支護(hù)泡沫混凝土的使用要求。