韓德強(qiáng),鄭先軍,解 松

(北京東方雨虹防水技術(shù)股份有限公司,北京 101399)

煤礦巷道冒頂事故多發(fā)于掘進(jìn)工作面和巷道交叉處,高冒區(qū)內(nèi)部呈現(xiàn)破碎狀態(tài)的煤體具有適宜的漏風(fēng)供氧通道和蓄熱環(huán)境,容易自燃發(fā)火[1-2]。如何治理高冒區(qū)是許多礦井安全生產(chǎn)的難題。一般礦井采用臨時(shí)噴漿封閉、風(fēng)障引風(fēng)、風(fēng)機(jī)抽排等方式進(jìn)行瓦斯治理,雖然解決了環(huán)境瓦斯含量超標(biāo)的問(wèn)題,但高冒區(qū)內(nèi)部瓦斯依然異常涌出,需要反復(fù)處理,不能徹底解決瓦斯根源[3]。數(shù)值模擬結(jié)果顯示,在風(fēng)流影響區(qū)不會(huì)發(fā)生瓦斯積聚;環(huán)形紊流區(qū)中心有較少一部分瓦斯移動(dòng),含量較低;瓦斯主要會(huì)在無(wú)風(fēng)區(qū)積聚,是瓦斯治理的重點(diǎn)區(qū)域[4]。在通風(fēng)技術(shù)不能有效解決瓦斯積聚的情況下,工程技術(shù)研究與實(shí)踐表明,采用空穴充填置換技術(shù)是解決瓦斯問(wèn)題的有效途徑。傳統(tǒng)充填材料如黃土、粉煤灰[5]、矸石等從經(jīng)濟(jì)和技術(shù)上已不能滿足空穴充填的要求。我國(guó)大部分煤礦礦井主要采用有機(jī)高分子類、膏水類、無(wú)機(jī)泡沫類等幾種空穴充填材料進(jìn)行空穴充填。有機(jī)高分子類充填材料[6],如酚醛泡沫、聚氨酯泡沫、脲醛樹(shù)脂泡沫等具有充填速度快、充填倍數(shù)高、泡體輕質(zhì)的特點(diǎn),常用于巷道冒頂區(qū)、上下隅角、工作面冒頂?shù)葏^(qū)域的快速充填密閉。但是,有機(jī)高分子充填材料反應(yīng)溫度高(一般大于90℃),甲醛等有害物質(zhì)釋放量大,在高瓦斯礦井里使用存在嚴(yán)重的安全隱患;高分子充填材料為易燃品,為了達(dá)到阻燃性能要求,往往會(huì)摻入阻燃劑成分,阻燃劑成分著火會(huì)產(chǎn)生煙霧,使自救器失效,容易出現(xiàn)生命危險(xiǎn)。膏水類充填材料[7]由于其含水量大、自重大、配套工藝復(fù)雜,不適合在高冒區(qū)充填。無(wú)機(jī)泡沫類充填材料[8]具有自重輕、堆積效果明顯、泡體密實(shí)、固化后強(qiáng)度高的特點(diǎn),正逐漸應(yīng)用于冒頂區(qū)充填密封、巷道密閉墻構(gòu)筑、采空區(qū)高溫及著火煤層防滅火等方面。

1 輕質(zhì)快硬無(wú)機(jī)泡沫

1.1 輕質(zhì)快硬無(wú)機(jī)泡沫性能特點(diǎn)

區(qū)別于傳統(tǒng)無(wú)機(jī)類發(fā)泡材料,輕質(zhì)快硬無(wú)機(jī)泡沫主要成分包括水硬性膠凝材料、發(fā)泡劑、穩(wěn)泡劑、泵送劑、促凝劑、填料等制成的發(fā)泡型干粉,使用時(shí)直接與水混合,通過(guò)專用施工設(shè)備注漿施工即可制得輕質(zhì)、快硬的無(wú)機(jī)充填材料。輕質(zhì)快硬無(wú)機(jī)泡沫具有優(yōu)異的性能,在凝固時(shí)間、材料強(qiáng)度、充填倍數(shù)、泵送操作方面與普通發(fā)泡水泥有較大差別。其最大特點(diǎn)是將發(fā)泡劑集成在粉體材料中,利用注漿設(shè)備實(shí)現(xiàn)施工工藝的一致性、連續(xù)性和高效性。輕質(zhì)快硬無(wú)機(jī)泡沫使用時(shí)直接與大量的水混合,發(fā)泡倍數(shù)可達(dá)10倍以上,充填空間用料量小,單方用料量不到100 kg,所形成的充填體不到300 kg,對(duì)架棚、頂板、側(cè)幫壓力較小。無(wú)機(jī)泡沫是一種不燃材料,反應(yīng)溫度低(小于40℃),無(wú)任何安全隱患。因此適用于井下較大冒頂空穴、溶腔、冒落區(qū)充填密封,以及高溫及著火煤層或區(qū)域防滅火使用。無(wú)機(jī)泡沫成型前是一種泡沫漿體,因此可以在其凝結(jié)固化前通過(guò)管路遠(yuǎn)距離輸送,泵送距離高達(dá)300 m,通過(guò)調(diào)整泵送適應(yīng)性,亦可設(shè)計(jì)成超遠(yuǎn)距離泵送施工。一般材料凝結(jié)時(shí)間短,泵送出管口后60 s內(nèi)不流動(dòng),3 min內(nèi)即具有很好的堆積性,堆積范圍直徑小于5 m;成型速度快,輕質(zhì)高泡;材料完全硬化后不收縮,形成的泡孔為閉孔,不透氣,受壓下具有承壓密實(shí)性,不易開(kāi)裂,在較大頂板變形情況下亦保證良好的密封性能。輕質(zhì)快硬無(wú)機(jī)發(fā)泡材料主要性能指標(biāo)如表1所示。

表1 輕質(zhì)快硬無(wú)機(jī)發(fā)泡材料主要性能指標(biāo)Table 1 Main performance indicators of lightweight and fast hardening inorganic foam

無(wú)機(jī)泡沫的材料性能和工藝技術(shù)均可根據(jù)工程需求實(shí)時(shí)調(diào)整。例如,在具有較好支護(hù)和密閉的條件下,材料強(qiáng)度可提高至2 MPa以上,作為井下密閉承壓支護(hù)使用;在采空區(qū),不需要考慮強(qiáng)度、凝結(jié)時(shí)間時(shí),可將無(wú)機(jī)泡沫調(diào)整到15倍以上發(fā)泡,降低單方造價(jià),單獨(dú)作為充填、防瓦斯、降溫、防滅火等材料使用。

1.2 不同水灰質(zhì)量比條件下材料性能試驗(yàn)及分析

傳統(tǒng)充填材料制泡和制漿工藝分離,充填體發(fā)泡倍數(shù)取決于制泡的質(zhì)量,而在此使用的輕質(zhì)快硬無(wú)機(jī)泡沫為集成式制備充填泡沫,其性能指標(biāo)與水的添加量有很大關(guān)系。為了滿足不同工況的充填需求,以充填材料的漿液失流時(shí)間、硬化時(shí)間、發(fā)泡倍數(shù)及1 d抗壓強(qiáng)度作為考察指標(biāo),分析不同水灰質(zhì)量比條件下充填材料的性能指標(biāo)關(guān)系。

1.2.1試驗(yàn)材料

試驗(yàn)采用預(yù)先混合好的輕質(zhì)快硬無(wú)機(jī)發(fā)泡材料粉料,要求材料在保質(zhì)期內(nèi),各組分混合均勻,無(wú)受潮、無(wú)結(jié)塊。試驗(yàn)用水為生活用水,符合JGJ 63混凝土用水標(biāo)準(zhǔn)要求。

1.2.2試驗(yàn)方法

根據(jù)不同水灰質(zhì)量比設(shè)計(jì)試驗(yàn)。稱取粉料和水置于KENWOOD KVL65廚師機(jī)中進(jìn)行發(fā)泡體制備,如圖1所示,攪拌速度700 r/min,攪拌時(shí)間40～60 s。攪拌途中可以適當(dāng)搖動(dòng)攪拌器,攪拌結(jié)束后,迅速將漿料倒入10 cm×10 cm×10 cm的試模中,用鋼板尺刮平試模表面,刮掉四周多余漿料,使?jié){料與試?？谄烬R,并對(duì)漿液性能進(jìn)行測(cè)試?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)通過(guò)使用一體化泡沫制備平臺(tái)進(jìn)行發(fā)泡體制備,如圖2所示,在正常運(yùn)行條件下進(jìn)行取樣測(cè)試。

1)漿液失流時(shí)間。將試模緩慢傾斜,直至試模傾斜45°漿液不流動(dòng)為止,此時(shí)間為漿液失流時(shí)間。

2)硬化時(shí)間。將樣品表面用膠布蓋嚴(yán),帶模靜置于養(yǎng)護(hù)箱中進(jìn)行養(yǎng)護(hù),使用維卡儀測(cè)試樣品的終凝時(shí)間,此時(shí)間為材料的硬化時(shí)間。

3)發(fā)泡體倍數(shù)。測(cè)試樣品的質(zhì)量和體積,得出發(fā)泡體的密度。通過(guò)計(jì)算發(fā)泡體的密度與粉體的密度比值,得出材料的發(fā)泡倍數(shù)。

4)1 d抗壓強(qiáng)度。參考JGJ/T 70 建筑砂漿基本性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn),將養(yǎng)護(hù)1 d的樣品使用300 kN的壓力機(jī)進(jìn)行抗壓強(qiáng)度測(cè)試。

圖1 實(shí)驗(yàn)室材料攪拌制泡Fig.1 Foam prepared by stirring laboratory materials

圖2 設(shè)備平臺(tái)制備充填泡沫體Fig.2 Filling foam prepared by equipment

1.2.3試驗(yàn)結(jié)果

不同水灰質(zhì)量比條件下,充填材料在漿液失流時(shí)間、硬化時(shí)間、發(fā)泡倍數(shù)以及1 d抗壓強(qiáng)度上表現(xiàn)出不同的性能指標(biāo),試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 不同水灰質(zhì)量比的充填材料性能Table 2 Performance of filling materials with different water cement ratios

由上述試驗(yàn)結(jié)果可知:

1)漿液失流時(shí)間隨水灰質(zhì)量比增大而延長(zhǎng)。當(dāng)水灰質(zhì)量比為1.0時(shí),失流時(shí)間為48 s,材料表現(xiàn)為快速成型狀態(tài);水灰質(zhì)量比增加到1.5時(shí),失流時(shí)間為65 s,增加了35%左右;水灰質(zhì)量比增加到2.0時(shí),失流時(shí)間為96 s,增加了100%;水灰質(zhì)量比為2.5時(shí),失流時(shí)間為188 s,延長(zhǎng)了291%以上。這是因?yàn)樗屹|(zhì)量比越大,漿液中促凝成分被大量稀釋,材料凝固時(shí)間越長(zhǎng)。

2)材料硬化時(shí)間也隨水灰質(zhì)量比增加而延長(zhǎng)。水灰質(zhì)量比為1.0時(shí),硬化時(shí)間為72 min;水灰質(zhì)量比為1.5、2.0、2.5時(shí),硬化時(shí)間分別延長(zhǎng)了23%、77%、202%。因此,在速凝充填材料凝結(jié)時(shí)間方面,水越多,時(shí)間越長(zhǎng),因此在密封不良條件下,充填漿液順著縫隙大量流淌,難以實(shí)現(xiàn)有效充填和接頂。

3)隨著水灰質(zhì)量比增大,材料發(fā)泡倍數(shù)也增大。水灰質(zhì)量比為1.0時(shí),發(fā)泡倍數(shù)為2倍以上;水灰質(zhì)量比為2.0時(shí),材料可以達(dá)到10倍的發(fā)泡。充填材料是一種物理發(fā)泡材料,發(fā)泡原理是由發(fā)泡劑水溶液物理攪拌形成的大量氣泡引發(fā)的。水灰質(zhì)量比越小,漿液越黏稠,發(fā)泡效果越差;水灰質(zhì)量比越大,漿液越稀,發(fā)泡劑更容易攪拌形成泡沫,所得漿液成型后發(fā)泡倍數(shù)越大。

4)輕質(zhì)快硬充填材料的1 d抗壓強(qiáng)度隨水灰質(zhì)量比的增大而減小。水灰質(zhì)量比為1.0時(shí),抗壓強(qiáng)度為2.68 MPa;水灰質(zhì)量比為1.5時(shí),抗壓強(qiáng)度為1.02 MPa;水灰質(zhì)量比為2.0時(shí),抗壓強(qiáng)度為0.46 MPa;水灰質(zhì)量比為2.5時(shí),抗壓強(qiáng)度為0.28 MPa。隨著水灰質(zhì)量比的增大,抗壓強(qiáng)度分別降低29%、68%、80%。

由此,考慮到現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際需求,可以參考表2結(jié)果,選擇適當(dāng)?shù)乃屹|(zhì)量比。如,當(dāng)冒頂區(qū)承壓需求較強(qiáng)時(shí),可采用較小的水灰質(zhì)量比,使充填材料固化后抗壓強(qiáng)度保持在2 MPa以上;當(dāng)運(yùn)輸困難,需要遠(yuǎn)距離泵送施工時(shí),可選擇時(shí)間較長(zhǎng)的水灰質(zhì)量比;當(dāng)進(jìn)行空穴充填、采空區(qū)充填,對(duì)凝膠時(shí)間和強(qiáng)度要求不大時(shí),為了節(jié)約成本,降低單方用料量,可采用較大的水灰質(zhì)量比。

2 施工工藝技術(shù)

傳統(tǒng)施工工藝一般將制漿、制泡、注漿等工藝分離,其設(shè)備主要包括制漿機(jī)、制泡機(jī)、潛水泵、注漿機(jī)等。首先通過(guò)制漿設(shè)備將水泥等水硬性材料混合均勻,制成漿體,同時(shí)將發(fā)泡劑通過(guò)發(fā)泡機(jī)制成泡沫,然后,潛水泵將漿體和泡沫輸送至注漿機(jī),最后通過(guò)注漿機(jī)的注漿作用將泡沫和漿體混合后注入施工地點(diǎn)[9-10]。傳統(tǒng)施工工藝復(fù)雜、操作繁瑣、占用勞動(dòng)力多、要求操作空間大、所制得充填泡沫質(zhì)量不穩(wěn)定、無(wú)法實(shí)現(xiàn)連續(xù)作業(yè)、不能滿足井下安全高效生產(chǎn)要求。因此,針對(duì)材料特點(diǎn)和工程需求,有必要應(yīng)用一種一體化泡沫制備輸送平臺(tái),實(shí)現(xiàn)連續(xù)式的施工工藝。

2.1 一體化泡沫制備輸送平臺(tái)

一體化泡沫制備輸送平臺(tái)充分利用無(wú)機(jī)泡沫采用的一次發(fā)泡工藝,從施工角度考慮采用連續(xù)式泵送施工技術(shù)。其基本原理是將無(wú)機(jī)泡沫粉料通過(guò)螺桿式注漿泵進(jìn)行混合、攪拌制泡、遠(yuǎn)距離輸送等,從而實(shí)現(xiàn)一體化連續(xù)施工、簡(jiǎn)化操作工藝、降低勞動(dòng)力、減少運(yùn)輸成本、提高生產(chǎn)效率。平臺(tái)泵送距離300 m以上,輸送流量可達(dá)到40 m3/h,大大減少了材料運(yùn)輸需求。通過(guò)一體化泡沫制備輸送平臺(tái),可以實(shí)現(xiàn)無(wú)機(jī)泡沫粉體材料與水按不同比例定量混合,根據(jù)冒落區(qū)充填設(shè)計(jì)的需求,調(diào)整泡體性能指標(biāo),控制材料用量,提高注漿充填性價(jià)比。一體化泡沫制備輸送平臺(tái)主要參數(shù)指標(biāo)如表3所示。

表3 平臺(tái)主要參數(shù)指標(biāo)Table 3 Main platform parameters

充填材料(如圖3中箭頭所示)被平臺(tái)裝置進(jìn)行制漿、制泡、強(qiáng)制輸送,實(shí)現(xiàn)從粉體材料到輕質(zhì)泡沫體的連續(xù)生產(chǎn)與輸送。材料制備工藝及裝置如圖3所示。

圖3 工藝及裝置簡(jiǎn)圖Fig.3 Process and device diagram

施工工藝流程如下:

1)將粉料從上料平臺(tái)倒入料斗。

2)料斗內(nèi)通過(guò)定量下料,螺桿將粉料推入混料倉(cāng)。

3)在混料倉(cāng)位置定量注入混合用水,其水灰質(zhì)量比可以按設(shè)計(jì)要求進(jìn)行調(diào)整,料斗位置調(diào)整下料速度,混料倉(cāng)位置調(diào)整進(jìn)水流量,使材料始終滿足預(yù)定要求。

4)料與水在混料倉(cāng)中通過(guò)電機(jī)帶動(dòng)攪拌桿充分?jǐn)嚢杈鶆蛐纬蓾{體,攪拌桿加裝螺旋槳,漿液在倉(cāng)中一邊攪拌,一邊輸送到螺桿泵處。

5)螺桿泵在電機(jī)帶動(dòng)下,將混合好的漿液快速擠壓、輸送。經(jīng)輸送管路遠(yuǎn)距離泵送施工,實(shí)現(xiàn)作業(yè)區(qū)充填。

所有定量下料、混合攪拌、長(zhǎng)距離漿液充填的動(dòng)力均由設(shè)備平臺(tái)的一臺(tái)電機(jī)提供,根據(jù)礦井下特殊條件需求,實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離作業(yè),減少物料搬運(yùn),大大降低勞動(dòng)成本。施工操作方便快捷,現(xiàn)場(chǎng)施工只需要3人即可完成,其中兩名工人負(fù)責(zé)操作設(shè)備,一名工人負(fù)責(zé)充填注漿。由于充填材料采用無(wú)機(jī)材料,設(shè)備清洗與維護(hù)方便快捷,克服了使用有機(jī)類材料設(shè)備難清洗,容易污染環(huán)境的問(wèn)題。

2.2 不同工藝參數(shù)對(duì)漿液性能的影響

一體化泡沫制備輸送平臺(tái)所采用的工藝是一個(gè)連續(xù)施工的過(guò)程,漿料在攪拌倉(cāng)和輸送管路中分別經(jīng)歷了初次發(fā)泡和再次發(fā)泡過(guò)程,逐漸與內(nèi)部空氣混合、發(fā)泡、凝膠,由此可以通過(guò)調(diào)整管路長(zhǎng)度、大小和泵送速度控制漿料充填的發(fā)泡倍數(shù)、凝膠時(shí)間、堆積性能等技術(shù)參數(shù)。為了更好了解充填材料的性能,在水灰質(zhì)量比2∶1的基礎(chǔ)上,通過(guò)正交試驗(yàn),測(cè)試漿液失流時(shí)間和發(fā)泡倍數(shù)等性能參數(shù),對(duì)充填材料進(jìn)行應(yīng)用性能研究。

綜合考慮平臺(tái)的工藝參數(shù)及發(fā)泡材料性能,選定攪拌速度、輸入水量、輸送距離3個(gè)因素,設(shè)計(jì)三因素三水平的正交試驗(yàn)方案(如表4所示);并以充填材料的漿液失流時(shí)間、發(fā)泡倍數(shù)作為考察指標(biāo)。正交試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。

表4 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)表Table 4 Orthogonal test design table

表5 正交試驗(yàn)結(jié)果Table 5 Orthogonal test results

通過(guò)對(duì)上述正交試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行綜合比較分析,各因素R值如表6所示。

表6 各因素R值Table 6 R-values of each factor

從表6可知,各因素對(duì)漿液失流時(shí)間的影響程度為C>B>A,即輸送距離>輸入水量>攪拌速度。C因素輸入距離的極差最大,為35.33 m,說(shuō)明輸送距離對(duì)漿液失流時(shí)間影響最大,輸送距離越長(zhǎng),漿液在管路中的時(shí)間越長(zhǎng),漿液從管口流出后,材料凝膠越快。A因素?cái)嚢杷俣鹊臉O差最小,為9.33,說(shuō)明平臺(tái)攪拌速度對(duì)漿液的失流時(shí)間影響最小,攪拌速度為400 r/min也能達(dá)到良好效果。

各因素對(duì)發(fā)泡倍數(shù)的影響程度為C>A>B,即輸送距離>攪拌速度>輸入水量。C因素輸入距離的極差最大值為314.33 m,說(shuō)明管路越長(zhǎng),漿液在管路中更能充分?jǐn)嚢璋l(fā)泡,其發(fā)泡倍數(shù)越大。A因素和B因素的極差幾乎一致,說(shuō)明攪拌速度和輸入水量對(duì)材料發(fā)泡性能影響保持一致。

正交試驗(yàn)方案A3,B1,C3,即攪拌速度600 r/min,輸入水量40 L/min,輸送距離220 m時(shí),漿液失流時(shí)間為43 s,發(fā)泡倍數(shù)為1 200%,所得材料性能表現(xiàn)為快凝高發(fā)泡狀態(tài)。方案A2,B3,C1,即攪拌速度為500 r/min,輸入水量為80 L/min,輸送距離為100 m時(shí),漿液失流時(shí)間為102 s,發(fā)泡倍數(shù)為580%,所得材料性能表現(xiàn)為低發(fā)泡慢凝膠長(zhǎng)流動(dòng)狀態(tài)。

由此可知,現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用時(shí)應(yīng)充分考慮設(shè)備攪拌速度、輸入水量、輸送距離的影響,適當(dāng)調(diào)整各因素的技術(shù)參數(shù),如需要漿液具有較好的流動(dòng)性,可犧牲少量發(fā)泡倍數(shù),適當(dāng)加大輸入水量,減少輸送管路長(zhǎng)度,提高漿液在冒頂區(qū)矸石、碎煤堆中的充填密實(shí)度;如對(duì)于空間較大的冒頂區(qū),對(duì)材料凝膠時(shí)間要求快,發(fā)泡倍數(shù)要求高,單方用量要求少,對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)減少承壓性的需求,可適當(dāng)減少輸入水量,提高設(shè)備攪拌速度,增加部分輸入管路長(zhǎng)度,實(shí)現(xiàn)充填漿液快速凝固,快速成型,提高發(fā)泡體倍數(shù),降低單方材料用量。

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

3.1 應(yīng)用試驗(yàn)方案

某礦Ⅱ32主運(yùn)石門巷為拱形巷道,斷面尺寸為4 000 mm×3 600 mm,拱頂最高處4 500 mm。其中,該巷道約70 m長(zhǎng)度范圍內(nèi),由于巷道頂部出現(xiàn)不同程度的變形和U型鋼棚上部有松散冒落現(xiàn)象,冒落深度不一,據(jù)測(cè)量分析,冒落區(qū)最高處可達(dá)11 m,最低處3.5 m。為保證巷道正常使用,該段區(qū)域采用U型鋼棚支護(hù),棚頂及兩幫噴漿處理,在最高處冒落空間位置,棚頂局部地方被壓彎,可見(jiàn)矸石碎塊。整個(gè)冒落區(qū)棚頂有多處開(kāi)裂,有滲漏水,水量小。冒頂區(qū)在巷道頂板兩側(cè)壓力較大,兩幫有變形。為了該巷道的安全運(yùn)行,需要對(duì)此段巷道進(jìn)行冒落區(qū)頂部充填和換棚修復(fù),以恢復(fù)巷道的設(shè)計(jì)斷面和整體支護(hù)能力。

通過(guò)對(duì)井下巷道矸石冒落區(qū)特點(diǎn)進(jìn)行分析,冒落區(qū)U型鋼棚內(nèi)部有松散矸石,頂部空間不一,采用輕質(zhì)、快硬無(wú)機(jī)泡沫充填,降低了對(duì)頂板鋼棚的壓力。冒落區(qū)深度不一,內(nèi)部空間情況不明,為保證充填材料充填密實(shí),設(shè)計(jì)從最高處開(kāi)始進(jìn)行多點(diǎn)充填、每隔2～5 m鉆一個(gè)注漿孔,整個(gè)冒落區(qū)鉆5～8個(gè)孔。鋼棚上有較多矸石冒落,充填材料具有一定的流動(dòng)性,一方面冒落區(qū)較小空間能夠被充填密實(shí),另一方面,可以適當(dāng)滲透冒落的矸石層,材料固化后膠結(jié)矸石形成一體,提高充填空間整體密實(shí)性和承壓能力。

為減輕注漿過(guò)程中對(duì)現(xiàn)有鋼棚的壓力,一方面局部補(bǔ)打單體,提高鋼棚支撐力;另一方面,充填材料設(shè)計(jì)成輕質(zhì)速凝、高泡快硬的類型,單方濕重量不大于300 kg/m3。同時(shí),為保證充填施工順利進(jìn)行,頂部注漿充填孔須從最頂部進(jìn)行布孔注漿,注漿管采用3.33 cm管,深度為4～5 m,管口外漏部分套上A32快接頭。注漿孔以巷道斷面傾斜約60°向上深入到巷道拱頂位置,孔間距以2～4 m為宜。高冒區(qū)充填設(shè)置如圖4所示。根據(jù)正交試驗(yàn)結(jié)果,選擇一體化泡沫制備及輸送平臺(tái)施工參數(shù)為攪拌速度500 r/min,輸入水量40 L/min,輸送距離180 m。

圖4 高冒區(qū)充填設(shè)置簡(jiǎn)圖Fig.4 Filling diagram in top coal caving zone

3.2 現(xiàn)場(chǎng)注漿充填工藝

現(xiàn)場(chǎng)注漿充填工藝如下:

1)準(zhǔn)備現(xiàn)場(chǎng)所需材料,等待設(shè)備到位,布置注漿鋼管。

2)連接注漿管、電源、水源,調(diào)試設(shè)備準(zhǔn)備注漿。

3)注漿開(kāi)始應(yīng)有專人負(fù)責(zé)加料(2人),專人負(fù)責(zé)觀測(cè),一人負(fù)責(zé)指揮聯(lián)絡(luò)。

4)注漿時(shí)注意進(jìn)料速度,進(jìn)水速度,嚴(yán)格控制水料質(zhì)量比,平均1.5 t/h。

5)注漿開(kāi)始后3 min時(shí)測(cè)量漿液的比重,觀測(cè)出料情況,如發(fā)現(xiàn)配比不正確及時(shí)進(jìn)行調(diào)整。

6)注漿過(guò)程應(yīng)通過(guò)觀察孔隨時(shí)觀測(cè)出料情況。當(dāng)有大量漿料從頂部流出時(shí),更換注漿方向。

7)最后接頂時(shí)應(yīng)連續(xù)注壓一定時(shí)間,當(dāng)漿液從頂板大量流出無(wú)法進(jìn)行封堵時(shí)方可停泵注漿,以保證充填效果。

3.3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)效果評(píng)測(cè)

1)現(xiàn)場(chǎng)充填過(guò)程中,通過(guò)對(duì)高冒區(qū)進(jìn)行觀測(cè),充填空間填滿率達(dá)95%以上。通過(guò)電視探孔觀察,冒頂區(qū)在預(yù)定最高點(diǎn)處,還存在少量未接頂情況。由于無(wú)機(jī)發(fā)泡材料屬于物理發(fā)泡,漿液在成型完畢后基本上不再發(fā)泡,材料對(duì)冒頂空間最高點(diǎn)的充填效果依賴于整體模板的密封程度和充填壓力。因此,由于重力原因,無(wú)機(jī)發(fā)泡材料還存在一定的接頂問(wèn)題。

2)現(xiàn)場(chǎng)工藝參數(shù)調(diào)整后,漿液失流時(shí)間為45 s,發(fā)泡倍數(shù)為1 020%;充填后,發(fā)泡體能快速凝固,對(duì)空間兩幫的側(cè)壓力比較小,現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)兩邊擋板未見(jiàn)明顯變形。

3)充填后第二天打開(kāi),觀察材料固化情況,充填材料泡沫密實(shí)性好,發(fā)泡體1 d抗壓強(qiáng)度為0.4 MPa,泡沫整體均勻性保持一致,表明連續(xù)充填施工運(yùn)行穩(wěn)定,材料配合比無(wú)變化,能充分發(fā)揮充填泡沫的優(yōu)異性能。

4 結(jié)論

1)無(wú)機(jī)泡沫充填材料快硬、輕質(zhì)、不燃、低溫等特殊性質(zhì)可以取代目前有機(jī)高分子泡沫充填材料在采空區(qū)、高冒區(qū)、上下隅角等區(qū)域的應(yīng)用。材料為單一粉體,優(yōu)化了性能指標(biāo),集合了發(fā)泡充填工藝,同時(shí)提高了泡沫質(zhì)量。

2)不同水灰質(zhì)量比條件下,充填材料在漿液失流時(shí)間、硬化時(shí)間、發(fā)泡倍數(shù)以及1 d抗壓強(qiáng)度上表現(xiàn)出不同的性能指標(biāo)。水灰質(zhì)量比越大,漿液失流時(shí)間和硬化時(shí)間越長(zhǎng),材料發(fā)泡倍數(shù)越大,但1 d抗壓強(qiáng)度降低。施工現(xiàn)場(chǎng)可根據(jù)對(duì)充填泡沫質(zhì)量的實(shí)際需求選取不同的水灰質(zhì)量比。

3)一體化泡沫制備及輸送平臺(tái)可根據(jù)實(shí)際工程需求,通過(guò)調(diào)整攪拌速度、輸入水量、輸送距離等因素對(duì)失流時(shí)間、發(fā)泡倍數(shù)等性能指標(biāo)進(jìn)行及時(shí)調(diào)整。

4)輕質(zhì)快硬泡沫注漿充填工藝可實(shí)現(xiàn)連續(xù)式注漿,在冒頂區(qū)充填密封、巷道密閉墻構(gòu)筑、采空區(qū)高溫及著火煤層防滅火等方面能夠大大提高勞動(dòng)效率,節(jié)約人力物力。