矿用无机固化泡沫充填材料研究及应用*

易　欣，康付如，邓　军，向　崎，马　砺

(1. 西安科技大学 安全科学与工程学院，陕西 西安 710054；2. 陕西省煤火防治重点实验室，陕西 西安 710054)

0　引言

采空区和巷道等地方漏风是我国煤矿自燃火灾产生的主要原因，要杜绝煤层火灾所引发的安全生产事故，有必要对煤矿井下漏风严重的区域采取堵漏风措施。彭本信[1]采用黏土、膨润土、飞灰和塑化剂等制成可塑性胶泥，该材料具有一定的堵漏效果，但此种材料配制过程较为复杂；吴士坤[2]将罗克林和水玻璃混合，混合物在所需地点立刻发泡到原体积的30倍左右，可有效的控制漏风，消除自燃隐患，但该材料价格高，且必须要做一定的保护措施；王维等[3]以水泥、减缩剂、聚丙烯纤维、水玻璃、增稠剂等研制出一种新型的注浆堵漏材料，该材料结构紧致，裂隙较小，满足堵漏风的要求，但也存在密度较大的缺点。在目前的井下堵漏风措施中，施工密闭墙是堵住通往采空区漏风的重要手段[4-6]。但密闭过程需要大量人力资源、劳动强度高，且建起的密闭墙在矿压作用下会产生大量裂隙，难以达到堵漏的效果，在很大程度上影响了煤矿的正常生产。

因此，针对上述问题，研制了一种无机固化泡沫充填材料。该材料采用水泥为基料，与复合发泡剂[7]产生的泡沫均匀混合制备而成。作为胶凝材料与泡沫的复合体，其具有质轻、密闭效果好、经济节约、易制备、施工速度快等特点[8]，可用于堵漏风和建立密闭墙，能有效防治煤层自燃，具有广阔的市场和良好的前景。

1　实验材料和方法

1.1　实验材料及仪器

实验材料：普通硅酸盐水泥P.O42.5、低碱度硫铝酸盐水泥L.SAC42.5、复合发泡剂、标准立方体(100 mm×100 mm×100 mm)成型模具、玻璃板(400 mm×400 mm×5 mm)。

实验仪器：压缩空气发泡机、微机控制电子式万能实验机(WDW-100E)、维卡仪、NJ-160水泥搅拌机、净浆流动度试模、数码显微镜、电子天平、秒表、直尺、刮刀。

1.2　实验方法

1.2.1充填材料制备

将纯发泡剂与水进行混合稀释成浓度为1∶30的发泡液，在50℃条件下，利用压缩空气发泡机通入0.5 m3/h的压缩空气预先发泡，然后将预先配置好的胶凝材料浆液添加到复合发泡剂产生的高性能泡沫中，按照一定比例均匀混合，得到固化充填材料，其中水灰比为1∶2，1∶1.8，1∶1.6和1∶1.4，胶凝材料为普通硅酸盐水泥和硫铝酸盐水泥，泡沫掺量为1倍、2倍和3倍。实验室制取固化泡沫充填材料的过程如图1所示。

图1　固化泡沫充填材料制备流程Fig.1　Preparation of the solidified foam filling material

1.2.2凝固时间及流动度测试

1)先将初凝针或终凝针调整到与模子齐平的高度，然后自由释放，观察针进入水泥浆体的长度，初凝针在水泥中距离底板高度为4 mm左右(误差1 mm)时认为水泥达到初凝状态；将水泥模子翻转180°测试，当终凝针进入硬化浆体表面0.5 mm时可认为水泥达到终凝状态。

2)流动度测试时，首先将流动度测试仪放置在透明玻璃板中央，并保证其干净且位于水平位置；随后将浆体倒入流动度测试仪中并用刮刀刮平；最后，迅速沿竖直方向提起净浆流动度测试仪，待浆体在玻璃板上流动30 s之后，量取最大直径和与其相互垂直方向的直径，2直径数据平均得到浆体流动度。

1.2.3抗压强度测试

2　实验结果与分析

2.1　充填材料成型过程中凝固时间、流动度实验

充填材料成型过程中的凝固时间和流动度如图2所示。分析图2可知：

图2　充填材料的初凝时间、流动度Fig.2　Initial setting time and fluidity of filling material

1)2种胶凝材料制备的充填材料初凝时间都随着水灰比的增大而增大；从纵向看，泡沫掺量增大，材料的初凝时间也随之增加。普通硅酸盐水泥充填材料胶凝时间在3种泡沫掺量下最小、最大初凝时间分别为7 h和18 h，而硫铝酸盐水泥充填材料最小、最大初凝时间分别为3h和6.2h，初凝时间为前者的31%～44%。

2)充填材料成型过程中流动度随着泡沫掺量的增加而降低，随水灰比的增加而增大，且普通硅酸盐水泥的流动度大于硫铝酸盐水泥。在泡沫掺量为1倍和2倍时，普通硅酸盐水泥充填材料流动度随着水灰比增大而增大的趋势比泡沫掺量为3倍时明显。硫铝酸盐水泥充填材料的流动度在加入1倍泡沫掺量时，流动度明显大于加入泡沫掺量为2倍和3倍时的流动度，且泡沫掺量2倍和3倍时的流动度比较接近，即随着泡沫掺量的增加流动度减小趋势变小。

2.2　充填材料抗压强度实验研究

不同条件下固化泡沫充填材料抗压强度如图3所示。由图3可知：

图3　不同条件下固化泡沫充填材料抗压强度Fig.3　Compressive strength of solidified foam filling material under different conditions

1)放置时间和水灰比相同时，2种充填材料的抗压强度均随泡沫掺量增加而降低，2种充填材料仅在1倍泡沫掺量时的最大抗压强度大于2 MPa。

2)水灰比在1∶2～1∶1.4之间，泡沫掺量和放置时间相同时，硫铝酸盐水泥泡沫充填材料抗压强度随着水灰比的增加而降低，即水灰比为1∶2时的抗压强度最大。普通水泥泡沫充填材料抗压强度在泡沫掺量为1倍和泡沫掺量为2倍且放置时间为1 d时，水灰比为1∶1.8时的抗压强度最大，其他情况下水灰比为1∶2时的抗压强度最大。

3)在泡沫掺量和水灰比相同时，放置时间由1 d增加到7，28 d时，抗压强度随之增加。

4)泡沫掺量、水灰比和放置时间相同时，硫铝酸盐水泥泡沫充填材料比普通水泥泡沫充填材料的抗压强度大。因为普通水泥初凝时间较泡沫的稳定时间长，不利于泡沫在胶凝材料中的固泡，易引起发泡后的浆体塌陷，从而影响后期充填材料的特性。

2.3　充填材料密度

固化泡沫充填材料密度如图4所示。由图4可知，随着水灰比的增大，密度缓慢降低。泡沫掺量越大充填材料密度越小，且在相同泡沫掺量情况下普通水泥泡沫充填材料的密度略小于硫铝酸盐水泥充填材料。泡沫的添加，可以大大降低充填材料的密度，其中泡沫掺量为1，2和3倍时，充填材料密度依次为620～782 kg/m3，355～565 kg/m3和276～396 kg/m3，分别是未添加泡沫时材料密度的40%～46%，23%～33%和18%～24%。

图4　固化泡沫充填材料密度Fig.4　Density of solidified foam filling material

2.4　充填材料内部孔结构研究

充填材料失去流动性或者开始凝固时单个泡沫会在胶凝材料中形成密闭孔隙结构。形成充填材料的胶凝材料、水灰比和泡沫掺量不同，其流动性和凝固时间也不相同，因此充填材料内部孔结构会存在差异。此外，多孔材料的强度不仅决定于其基体材料的强度，也取决于其孔结构，包括孔隙率、孔尺寸和孔形状[13-17]。因此，泡沫充填材料作为一种高气孔含量的材料，对其气泡率、孔结构和孔隙大小进行实验研究具有重要意义。

2.4.1充填材料气泡率

充填材料气泡率一般用以下公式计算[18]：

(1)

式中：P为材料气泡率，100%；ρm为充填材料密度，kg/m3；ρ0为纯水泥成型后材料密度，kg/m3。

2种充填材料气泡率比较如图5所示。

图5　固化泡沫充填材料气泡率对比Fig.5　Comparison of bubble ratio of solidified foam filling material

由图5可知，随着水灰比的增大，气泡率大致呈线性关系增加，但增加量不大。气泡率随泡沫掺量的增加而增加。泡沫掺量为1倍时，2种水泥形成的充填材料气泡率均在54%～60%之间，气泡率相近；在泡沫掺量为2倍和3倍时，普通水泥泡沫充填材料的气泡率明显大于硫铝酸盐水泥泡沫充填材料。泡沫掺量为2倍时，普通水泥、硫铝酸盐水泥泡沫充填材料气孔率分别为72%～77%，67%～70%；泡沫掺量为3倍时，气泡率分别为78%～82%和75%～77%。

2.4.2充填材料孔隙结构

分布在充填材料内部的泡沫在材料失去流动性之后，固定在所处位置，待泡沫消泡后充填材料内部形成封闭泡孔，泡孔按孔径尺寸分为微孔(孔径<1 mm)、中孔(孔径1～3 mm)、大孔(孔径>3 mm)[19]。将成型材料内部刨开选取较平整的部分，用数码显微镜分析材料内部结构，并测量孔径，孔径标定时尽可能多的选取较完整的孔结构，标定圆形孔直径和非圆形孔的最大孔径。2种水泥充填材料显微结构如图6所示，硫铝酸盐水泥泡沫充填材料内部显微结构如图7所示。

图6　普通水泥泡沫充填材料内部显微结构Fig.6　Internal microstructure of ordinary cement foam filling material

图7　硫铝酸盐水泥泡沫充填材料内部显微结构Fig.7　Internal microstructure of sulphoaluminate cement foam filling material

由图6和7，对固化泡沫充填材料孔隙形态分析可知，泡沫掺量越大，材料内部孔越不规则、不均匀。2种固化泡沫充填材料在泡沫掺量为1倍时，材料内部能形成规则、均匀的球形孔，且孔与孔之间相互分离，形成单独的密闭孔；泡沫掺量为2倍时，材料内部也能形成单独球形孔，但个别孔的孔壁之间相互连通，单孔也不能保持规则球形；泡沫掺量为3倍时，难以形成单独、规则的密闭孔，硫铝酸盐水泥泡沫充填材料的微孔结构明显好于普通水泥泡沫充填材料。此外，随着水灰比的增大，完整孔数量减少，串孔数量增加，材料成型变差。

由图8，泡孔直径随着泡沫掺量增加而增加，泡沫掺量3倍时材料泡孔均为中孔，远大于泡沫掺量为1倍和2倍时的孔径；水灰比也是影响材料孔径的主要因素，水灰比越大孔径越大；相同泡沫掺量、水灰比时，普通水泥泡沫充填材料的孔径均大于硫铝酸盐水泥泡沫充填材料。

图8　固化泡沫充填材料孔径Fig.8　Aperture of solidified foam filling material

原因可能是：泡沫掺量越大，泡沫充填材料凝结能力越差，过多的泡沫使得单个气泡在胶凝材料中分布密集，气泡发生串孔，导致最终形成的发泡材料孔结构增大；水灰比越大，胶凝时间越长，气泡增长时间越长，泡孔越大；普通水泥胶凝时间远大于硫铝酸盐水泥，单个泡沫在胶凝材料内部随时间增加其直径变大，所以其直径大于硫铝酸盐水泥泡沫充填材料。

1.红砖墙；2.充填料浆；3.充填管；4.巷道顶板；5.巷道底板。图9　充填空间结构示意Fig.9　Sketch map of filling space structure

3　工程应用

2014年神木哈拉沟煤矿采空区发生煤自燃，31403工作面的CO浓度达到1 273×10-6。分析发现，56号联络巷入口侧密闭墙封闭不严且周边煤体破裂，采空区漏风，从而引发自燃。本文选择哈拉沟煤矿31405工作面进行工业试验(图9)，在31405工作面进口侧密闭10个联络巷。

联络巷断面近似长方形，宽5.6 m，高4 m，断面面积为22.4 m2，充填厚度为2 m，底部覆盖2 m高的黄土，上部灌注无机固化泡沫充填材料，注浆体积为22.4 m3。测量无机固化泡沫材料充填后距工作面距离25,50,75,100,125 m处采空区中氧气浓度。

根据实验结果，无机固化泡沫充填材料的最优原料及配比选取如下：硫铝酸盐水泥为胶凝材料，泡沫掺量为1倍，水灰比1∶2。

图10为充填无机固化泡沫材料前后采空区布点位置氧气浓度变化曲线，填充固化泡沫材料后，采空区氧气浓度明显降低。说明该充填材料可以有效控制联络巷对采空区的漏风，缩小自燃和蓄热区的宽度。所以，无机固化泡沫材料对抑制采空区煤自燃具有重要作用。

图10　充填前后采空区布点位置氧气浓度 Fig.10　The oxygen concentration of the layout point location before and after filling

图11为充填后30 d内5号联络巷密闭墙周边围岩位移量变化曲线，由图可知，充填后围岩位移量很小，顶底板位移量和两帮移近量分别为19 mm和17 mm，在22 d前后位移量基本稳定。表明无机固化泡沫充填材料有足够的力学强度承受矿山压力。

图11　充填后5号联络巷密闭墙周边围岩 位移量变化曲线Fig.11　Displacement curve of surrounding rock around sealed wall after filling

4　结论

1)随着泡沫掺量的增加充填材料初凝时间增加，流动度减小；随着水灰比的增大初凝时间增加，流动度增大。硫铝酸盐充填材料的初凝时间是普通水泥充填材料的31%～44%，且流动度小于前者，可以大大缩短施工周期。

2)硫铝酸盐水泥固化泡沫充填材料抗压强度大于普通水泥固化材料，2种充填材料的抗压强度均随泡沫掺量增加而明显降低。泡沫掺量越大材料密度越小，随着水灰比的增大，密度减小。泡沫的添加大大降低了充填材料的密度，泡沫掺量为1，2，3倍时，是未添加泡沫时材料密度的40%～46%，23%～33%，18%～24%，可以显著降低劳动强度。

3)随着泡沫掺量的增加和水灰比的增大材料气泡率越大，材料内部孔径变大，孔结构变差、发生串孔。硫铝酸盐固化充填材料在内部孔结构方面优于普通水泥固化材料。

4)现场应用表明，无机固化泡沫充填材料用于密闭墙可有效控制采空区煤自燃，且具有较好的力学强度，具有广阔的应用空间。

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