淺談煤礦采空區(qū)防填海技術(shù)

0尾砂泡沫混凝土礦產(chǎn)資源是不可替代的資源。資源開(kāi)發(fā)逐漸深入，地壓?jiǎn)栴}變得明顯。而且隨著采礦技術(shù)的進(jìn)步和環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng),充填采礦法所占比重將逐年增加。專家學(xué)者們?cè)诔涮畈牧虾统涮罟に嚪矫孀隽舜罅康墓ぷ?膠結(jié)充填已從低濃度轉(zhuǎn)向高濃度,相繼產(chǎn)生了膏體充填和似膏體充填等先進(jìn)工藝,但都或多或少存在一些問(wèn)題,尾砂泡沫混凝土正是在這種情況下研發(fā)出的一種新型充填材料。泡沫混凝土是通過(guò)發(fā)泡機(jī)的發(fā)泡系統(tǒng)將發(fā)泡劑用機(jī)械方式充分發(fā)泡,并將泡沫與水泥漿均勻混合,然后經(jīng)過(guò)發(fā)泡機(jī)的泵送系統(tǒng)進(jìn)行現(xiàn)澆施工或模具成型,經(jīng)自然養(yǎng)護(hù)所形成的一種含有大量封閉氣孔的新型輕質(zhì)材料。它具有如下特性:輕質(zhì),保溫隔熱性能好,隔音耐火性能好,整體性能好,低彈減震性好,防水性能強(qiáng),生產(chǎn)加工方便,環(huán)保性能好,施工方便(可輕易實(shí)現(xiàn)泵送,可實(shí)現(xiàn)垂直高度200m遠(yuǎn)距離輸送),抗壓強(qiáng)度高(0.5~22.2MPa),沖擊能量吸收性能好,可大量利用工業(yè)廢渣,價(jià)格低廉等。近年來(lái)以尾砂為骨料的泡沫混凝土已在礦山充填中開(kāi)始應(yīng)用,為礦山充填提供了一條新的途徑。1泡沫混凝土的起源和國(guó)內(nèi)外的發(fā)展1.1當(dāng)代工業(yè)泡沫混凝土的源頭—起源原始的泡沫混凝土是大約5000年前,古埃及人用一些天然物質(zhì)混合后產(chǎn)生氣體而制成的多孔材料。2000多年前,古羅馬人發(fā)明了原始的混凝土。沒(méi)過(guò)多久,他們又意外地發(fā)現(xiàn),在混凝土內(nèi)加入動(dòng)物血液,混合攪拌后,就會(huì)產(chǎn)生氣泡,使其成為一種穩(wěn)定的多孔材料,而且他們找出了解決混凝土收縮開(kāi)裂的辦法?？梢哉f(shuō),古羅馬人創(chuàng)造的這種多孔材料,應(yīng)是當(dāng)代泡沫混凝土技術(shù)的源頭。真正意義的近代工業(yè)泡沫混凝土,開(kāi)始于18世紀(jì)末、19世紀(jì)初。此前的原始泡沫混凝土中的氣泡量是沒(méi)有控制技術(shù)手段的。瑞典極端寒冷的冬天,迫使他們急于找到一種高效保溫材料,他們對(duì)泡沫混凝土進(jìn)行了系統(tǒng)全面的研究。1923年,歐洲人首次提出了用預(yù)制氣泡和水泥砂漿相拌合生產(chǎn)多孔混凝土的方法,世界上比較現(xiàn)代的泡沫混凝土就此產(chǎn)生了。1.2泡沫混凝土的應(yīng)用20世紀(jì)初,北歐各國(guó)及前蘇聯(lián),在泡沫混凝土技術(shù)開(kāi)發(fā)方面都投入了大量的精力。自此以后,泡沫混凝土開(kāi)始較快地發(fā)展。20世紀(jì)30年代初至50年代初的20年,是泡沫混凝土工業(yè)化技術(shù)體系形成的時(shí)期。在這一時(shí)期“二戰(zhàn)”爆發(fā),生產(chǎn)加氣混凝土的鋁粉供應(yīng)緊張,于是歐洲各國(guó)紛紛轉(zhuǎn)向以泡沫取代鋁粉,刺激了泡沫混凝土在“二戰(zhàn)”前后及戰(zhàn)爭(zhēng)期間的研發(fā)及生產(chǎn),形成了其發(fā)展的第一個(gè)高潮,其應(yīng)用領(lǐng)域以建筑保溫為主。前蘇聯(lián)為泡沫混凝土技術(shù)成熟并走向工業(yè)化生產(chǎn)起到了關(guān)鍵性作用。從1926年開(kāi)始研發(fā)到1930年工業(yè)化生產(chǎn),前蘇聯(lián)只用了4年時(shí)間。到1936年他們已在成功生產(chǎn)自然養(yǎng)護(hù)泡沫混凝土的基礎(chǔ)上,實(shí)現(xiàn)了蒸壓泡沫混凝土的工業(yè)化生產(chǎn),生產(chǎn)的泡沫混凝土砌塊、墻板、屋面板、樓板等開(kāi)始大量應(yīng)用于工業(yè)與民用建筑。1946—1958年,前蘇聯(lián)制定實(shí)行了泡沫混凝土制品一系列國(guó)家標(biāo)準(zhǔn),是世界上最早形成泡沫混凝土制品標(biāo)準(zhǔn)體系的國(guó)家,比中國(guó)早50多年?？梢哉f(shuō),前蘇聯(lián)奠定了泡沫混凝土技術(shù)體系的基礎(chǔ)?，F(xiàn)在主要使用的動(dòng)植物型發(fā)泡劑也均為前蘇聯(lián)所發(fā)明。目前,世界上泡沫混凝土最為發(fā)達(dá)的3個(gè)地區(qū)是:歐洲、北美、亞洲的中日韓及東南亞。在其他地區(qū),泡沫混凝土也有一定的應(yīng)用?？偟膩?lái)看,泡沫混凝土基本普及應(yīng)用到全世界。1.3中國(guó)泡沫混凝土現(xiàn)澆歷史20世紀(jì)50年代是中國(guó)泡沫混凝土研發(fā)的高潮期(僅次于歐洲),當(dāng)時(shí)也是蘇聯(lián)援建中國(guó)的高潮期,為把泡沫混凝土先進(jìn)技術(shù)及時(shí)傳播到中國(guó)創(chuàng)造了條件。1952年,中國(guó)科學(xué)院土木建筑研究所成立了泡沫混凝土試驗(yàn)中心,當(dāng)時(shí)研發(fā)泡沫混凝土的首要目的,就是用于工業(yè)管道及儲(chǔ)槽的保溫隔熱材料。1952—1959年是中國(guó)泡沫混凝土發(fā)展的第一個(gè)高潮期,形成了一定的生產(chǎn)規(guī)模。但是此后,由于隨后的中蘇關(guān)系惡化,蘇聯(lián)專家撤走,再加上緊接其后的文化大革命,致使中國(guó)泡沫混凝土發(fā)展從1960—1980年,整整20年之久,基本處于停滯階段。泡沫混凝土在中國(guó)第二次興起是從現(xiàn)澆開(kāi)始并發(fā)展起來(lái),這與20世紀(jì)50年代以制品為主的第一個(gè)高潮時(shí)期有著根本性的不同。在1980年前后,歐洲的泡沫混凝土現(xiàn)澆技術(shù)開(kāi)始進(jìn)入中國(guó)的廣東地區(qū)。由于廣東及其周邊地區(qū)夏季炎熱,對(duì)屋面保溫需求強(qiáng)烈,泡沫混凝土屋面現(xiàn)澆率先在廣東流行。繼其之后,泡沫混凝土地面保溫層現(xiàn)澆自韓國(guó)在20世紀(jì)90年代末期傳入中國(guó),率先在靠近韓國(guó)的膠東半島和遼東半島成功地應(yīng)用。由于其適應(yīng)了工程建筑節(jié)能的需求,獲得了迅猛的發(fā)展,并從2005年起進(jìn)入發(fā)展高潮。從20世紀(jì)90年代開(kāi)始,泡沫混凝土現(xiàn)澆在中國(guó)的建筑及巖土工程回填中應(yīng)用,成為中國(guó)的第三大應(yīng)用領(lǐng)域。幾乎同一時(shí)期煤炭科學(xué)研究總院從國(guó)外引進(jìn)了泡沫混凝土工程填充技術(shù),并應(yīng)用到開(kāi)灤煤礦特大陷落空區(qū)回填處理中,在中國(guó)開(kāi)創(chuàng)了泡沫混凝土用于處理采空區(qū)的先河。其后,現(xiàn)澆泡沫混凝土又成功地應(yīng)用于建筑補(bǔ)償?shù)鼗畛洹⑺こ坦苈坊靥畹取?000年以后,泡沫混凝土在地下隧道工程中開(kāi)始應(yīng)用。隨后以現(xiàn)澆為代表的泡沫混凝土,在中國(guó)于2006年以后又進(jìn)入了一個(gè)快速發(fā)展時(shí)期,北京奧運(yùn)會(huì)鳥巢周邊地下通道工程中也應(yīng)用了泡沫混凝土現(xiàn)澆回填技術(shù)。目前,中國(guó)的泡沫混凝土基本以現(xiàn)澆為主制品為輔,中國(guó)泡沫混凝土技術(shù)無(wú)論從生產(chǎn)裝備技術(shù)還是發(fā)泡劑的研制方面已接近或達(dá)到發(fā)達(dá)國(guó)家的水平,在某些方面甚至已超過(guò)了發(fā)達(dá)國(guó)家,居世界領(lǐng)先水平。2尾砂泡沫混凝土泡沫混凝土按其使用骨料(主要是砂)的不同可分為河砂泡沫混凝土、分級(jí)尾砂泡沫混凝土和全尾砂泡沫混凝土。泡沫混凝土以其良好的特性,廣泛應(yīng)用于建筑、水力、國(guó)防、礦山等工程中。如港口擋土墻、管線回填、儲(chǔ)罐底腳的支撐、國(guó)防工程、礦山充填、密閉墻等等。3充填法在礦山中的使用比例及使用比例將增加隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng),生態(tài)環(huán)保將是衡量地下開(kāi)采礦山采礦方法優(yōu)越與否的標(biāo)準(zhǔn)之一,因此充填法在礦山的使用比例近期和今后都必將增加。而且在中國(guó)長(zhǎng)期開(kāi)采形成的大量空區(qū)中較大比例都沒(méi)有處理,具有較大安全隱患。3.1充填體的充填技術(shù)中國(guó)是一個(gè)礦產(chǎn)生產(chǎn)和消費(fèi)大國(guó)。長(zhǎng)期開(kāi)采形成大面積的沉陷區(qū),據(jù)不完全統(tǒng)計(jì),至2005年全國(guó)僅煤礦沉陷面積已達(dá)70萬(wàn)ha。開(kāi)采沉陷導(dǎo)致大量農(nóng)田棄耕,地表水系破壞,造成嚴(yán)重的生態(tài)災(zāi)難。而采空區(qū)回填是根治地表沉陷及采動(dòng)危害的最直接、最有效的方法。長(zhǎng)期以來(lái),國(guó)內(nèi)外主要采用干式充填、水砂充填以及膠結(jié)充填3種充填方法。膠結(jié)充填采礦法多在金屬礦山應(yīng)用,一般以碎石、河砂或尾砂等作為骨料,與水泥或石灰類膠結(jié)材料經(jīng)拌合形成漿體或膏體,再以管道泵輸送或重力自流方式送到充填區(qū)。與水砂充填相比,膠結(jié)充填的材料膠結(jié)后強(qiáng)度大,可用于埋藏深、地壓大、圍巖不穩(wěn)固的中厚以上礦體開(kāi)采。中國(guó)近年來(lái)試驗(yàn)成功并推廣應(yīng)用了高濃度膠結(jié)充填和高水速凝全水固化膠結(jié)充填等新技術(shù)。20世紀(jì)90年代初,煤炭科學(xué)研究總院從國(guó)外引進(jìn)了泡沫混凝土工程填充技術(shù),并成功應(yīng)用于開(kāi)灤煤礦特大陷落空區(qū)回填。傳統(tǒng)膠結(jié)充填和混凝土充填材料中所用水泥一般為強(qiáng)度等級(jí)42.5普通硅酸鹽水泥,用量為150~300kg/m3,水灰比約1.2~1.3,28d混凝土抗壓強(qiáng)度5.0~10.0MPa,水泥在膠結(jié)充填成本中占30%~60%。降低水泥用量及成本,是尋找適用于礦山新型充填材料的有效途徑。泡沫混凝土輸送方便、流動(dòng)性好、價(jià)格便宜,利用不同級(jí)配的尾砂或全尾砂和水泥進(jìn)行配比,可以保持一定的強(qiáng)度,完全可以作為一種新型的充填體在采空區(qū)回填中使用。通過(guò)調(diào)節(jié)發(fā)泡倍數(shù)以及改變水灰比來(lái)提高泡沫混凝土抗壓強(qiáng)度,最大可以提高到13MPa左右。當(dāng)材料單向受壓達(dá)到屈服極限后,隨著變形的增加,材料仍能保持較高的承載能力。因材料結(jié)構(gòu)為閉孔型,故具有良好的氣密性。這種利用泡沫混凝土充填采空區(qū)的方法可使處理采空區(qū)的工作實(shí)現(xiàn)機(jī)械化,施工安全,速度快,能有效充滿空區(qū),防止冒頂范圍繼續(xù)擴(kuò)大,并可防止空區(qū)內(nèi)有害氣體積聚,防止發(fā)火,是一項(xiàng)有許多優(yōu)點(diǎn)的新技術(shù)。3.2尾砂泡沫混凝土充填充填采礦法可以分為塊石干式充填和水力充填兩大類。塊石干式充填又分為塊石充填和塊石膠結(jié)充填;水力充填按是否含膠結(jié)劑和料漿濃度的高低分為水砂充填、膠結(jié)充填、高水充填、膏體充填、似膏體充填等。由于充填材料自身的特性及輸送方式的制約,這些方法不可避免地都存在一些問(wèn)題。例如:(1)干式充填存在效率低和充填極不易充滿空區(qū)的問(wèn)題;(2)水力充填(膠結(jié)充填)須脫水而造成周期較長(zhǎng),脫水導(dǎo)致主要巷道污染嚴(yán)重影響正常生產(chǎn)并加大了井下的排水量;易離析而導(dǎo)致強(qiáng)度不均,尾砂利用率低(50%~60%)等,對(duì)采場(chǎng)生產(chǎn)能力制約大等問(wèn)題;(3)膏體充填雖然解決了脫水和強(qiáng)度不均的技術(shù)難題,但又存在投資大、工藝復(fù)雜、運(yùn)行管理要求苛刻等問(wèn)題。尾砂泡沫混凝土就是在尾砂漿中加入發(fā)泡劑發(fā)泡(通過(guò)專用設(shè)備)后的泡沫砂漿,原理是利用泡沫代替部分自由水,提高砂漿濃度,同時(shí)減少砂漿的離析,并使其強(qiáng)度分布均勻。泡沫的加入方式一般不在攪拌桶中加入,以避免由于高速攪拌機(jī)的剪切作用,發(fā)生大面積消泡現(xiàn)象,通常是在制好的水泥尾砂漿的管路中直接加入,利用管道中砂漿的流動(dòng)對(duì)砂漿進(jìn)行混合。尾砂泡沫混凝土具有整體性能好、低彈減震性好、防水性能強(qiáng)、生產(chǎn)加工方便、環(huán)保性能好、施工方便、抗壓強(qiáng)度高(0.5~22.2MPa),沖擊能量吸收性能好、可利用全尾砂等優(yōu)點(diǎn)。它相對(duì)于傳統(tǒng)的尾砂充填具有輕質(zhì)、基本不用脫水、充填接頂性好、自立性好等特點(diǎn),能較好地解決充填法礦山存在的尾砂量不足、二步采采場(chǎng)礦石貧化率高和井下環(huán)境污染嚴(yán)重、排水費(fèi)用大等問(wèn)題,對(duì)提高采場(chǎng)生產(chǎn)能力意義重大。已在白銀有色金屬公司和廣東凡口鉛鋅礦成功應(yīng)用,幾種充填方法技術(shù)指標(biāo)比較見(jiàn)表1。3.3泡沫混凝土填充巷道利用。在一般巷道混凝土一直在礦山地下井巷工程中立井井筒、井底車場(chǎng)、各種硐室以及不受采動(dòng)影響巷道的現(xiàn)澆墻體使用。剛性現(xiàn)澆混凝土在圍巖壓力作用下只產(chǎn)生彈性變形,在承受較大剛性位移時(shí),失效現(xiàn)象較為普遍。泡沫混凝土由于具有一定的柔性、可壓縮性大,具有一定的強(qiáng)度,可以作為礦井以下幾種支護(hù)形式進(jìn)行使用:1)作為可縮性支護(hù)的墊層,可減輕和緩和支架的受力,保持支架承載均勻,并能有效釋放圍巖的初始彈性變形能。2)制成泡沫混凝土砌塊,用于巷道砌筑和立即支護(hù),用于構(gòu)筑承重墻體和通風(fēng)密閉墻。近年來(lái),利用泡沫混凝土砌塊構(gòu)筑通風(fēng)密閉墻,已經(jīng)在中國(guó)諸多礦井推廣應(yīng)用,由于其可縮性好、整體密閉性能優(yōu)越,受到現(xiàn)場(chǎng)工程技術(shù)人員的一致好評(píng)。3)制成罐形墩柱。罐形墩柱(也叫泡沫混凝土支架)在美國(guó)、澳大利亞等國(guó)家的應(yīng)用已經(jīng)有10余年的歷史,近年來(lái),該墩柱在中國(guó)已經(jīng)開(kāi)始使用。2009年3月,山西亞美大寧能源有限公司大寧煤礦從澳大里亞引進(jìn)一批墩柱,最大載荷達(dá)到1961N。該墩柱在大寧煤礦井下雙測(cè)回采的402沿空動(dòng)壓巷道中進(jìn)行了試驗(yàn),試驗(yàn)取得較為滿意的效果:通過(guò)和木垛進(jìn)行比較,木垛最大承載力為329.5N,平均承載力為279.3N;而墩柱的最大承載力為1232N,平均承載力為743N,分別為木垛的3.75倍和2.66倍。從巷道的表面位移量來(lái)看,使用木垛支護(hù)的地段,平均頂?shù)灼骄平繛?21.6mm,兩幫平均移近量為154.5mm;而使用墩柱支護(hù)的區(qū)域,頂?shù)装迤骄平繛?5.37mm,兩幫平均移近量為34.2mm,分別為木垛的38.5%和22.1%。墩柱的支護(hù)效率是普通木垛的3~5倍。3.4泡沫混凝土改性注漿堵水是礦井水防治的重要技術(shù)之一。目前礦山井巷堵水注漿材料大都選用水泥類漿料或水泥-水玻璃類漿體。其主要優(yōu)點(diǎn)是成本低、材料來(lái)源廣,但由于其硬化后易收縮而產(chǎn)生細(xì)小裂隙,在水力沖刷下裂隙逐漸擴(kuò)大,堵水效果不甚理想。采用泡沫混凝土作為堵水材料,由于不受收縮變形的影響,閉孔結(jié)構(gòu)可以有效吸收收縮變形和增加水流路徑,可達(dá)到堵水的目的。中國(guó)石化勝利油田采用泡沫水泥堵水取得了一定效果,平均有效期為375d。4全尾砂泡沫混凝土礦山利用建議泡沫混凝土在中國(guó)已經(jīng)有幾十年的生產(chǎn)歷史,但主要在建筑行業(yè)的應(yīng)用研究較多,在礦山領(lǐng)域的應(yīng)用不夠廣泛。尾砂泡沫混凝土作為一種新型材料和許多新生事物一樣有其優(yōu)點(diǎn)與不足:1)尾砂泡沫混凝土輕質(zhì),可以利用等量的尾砂充填更多的采空區(qū),解決某些礦山尾砂量不足問(wèn)題。2)可利用礦山全尾砂,延長(zhǎng)尾礦庫(kù)服務(wù)年限。5)輕