水力采煤与管道运输20.pdf

j l‘2期 水 力 采煤 与 管 道 运 输 2 0 0 3年 6月 烽矿采掘工作面冒落空洞昀处理方法 窦国辉黄旭 河 北唐 山 开 澡 勘 察 设 计 有 限 公 司 摘要 煤矿采掘 工作面由于地质构造、 煤岩结构性质等 易产生冒落空洞， 对冒落空洞 的处理 不仅 影响 生产 ， 而且也 相 当危 险 、 成本 高， 但 用 泡沫 水泥对 冒落空洞进 行处理 ， 不仅 节省 了处 理 成本 ， 而且 也大 大 改 善 了工 人 劳 劝环 境 ， 极 大 的提 高 了施 工 的安 全 性 ， 是 一种 比较 经济 ， 易于； 沲工且 非常 安全 的一种 新型 处理 冒落空 洞的方法 。 关键词 工作 面 冒落 空洞 泡沫水 泥 处理 1 概况 煤矿 的 采 掘 工作 面 ， 由于 断 层 、 裂 隙 、 破 碎带 等 构 造 或因 煤 岩 性质 等 影 响 ， 经 常 形 成 较 多 的 冒 落 空 洞 ， 小 则 数 m ， 走则 数 百 m。 。 国 内常用 的 冒落空 洞处理 是人 工搭土 垛的 支 护方 法 ， 此 方法 不但 消耗 大量 的坑木 ， 工人 须 进 入 冒落 空 洞 内作 业 ， 围岩 随时 可能 坍 塌 危 及人身安全， 数年后还可能引起煤体 自燃 。 针 对 上述 情 况 ， 对 冒落 空 洞 处理 技 术 进 行 了认 真研 究 。 德 、 英 、 美等 国的研 究表 明 断 裂 岩层 只要 支护 阻力与 岩石 摩擦阻 力大 于岩 层 的 白重就 不会 继续 冒落 。根据 西德支 护与 岩石 力学 艾森 中 心 的实 测 ， 冒落岩 块 有 8 7 的厚度 小 于 4 0 c m， 只需 9 ． 6 k t a的支 护阻 力 来支 撑 。英 、 美 的研 究表 明， 只要 提供 7 ． O ～ 2 8 k P a均 匀 支 护 阻 力就 可 阻 止 6 4 ～9 O 的顶板 继 续 冒落 。 因此 ， 国 内外 先 后研 制 出一种 新 型 井 下 充填 材料 ， 即泡 沫 水泥 。 它具有 不燃 、 重量轻 、 密度 可 调 、 气 密性 好 、 腐 蚀性 小 ， 抗 压适 当、 保 存和使用方法等优点。它可应用于充填冒落 空 洞 、 封 闭废 巷 、 采 空 区 永久 密 闭 、 防 止瓦 斯 积 聚和 煤层 白燃 等 。 2 泡沫水泥及性能 2 ． 1 泡沫 水泥 形成 泡沫 的机理 泡 沫 水 泥 中 泡 沫 的 形 成 是 一 个 物 理 过 - 程 ， 即泡 沫水 泥与 水搅拌 或泵送 过程 中 ， 水泥 添 加 剂 引入 空 气 形成 小 而均 匀 的气 泡 孔 径 0 ． 1 ～ 0 ． 8 mm ， 并 稳 定 保 持 到 水 泥 胶 凝 硬 化 。 添 加 剂 中 的泡 沫 剂 分 子 由至 少 5 0 0 0 2 0 0 0 0的高起 泡 性 的多肽 所 组成 。当它 吸附 在 气泡 表面 ， 降低 了水 的表面 张 力 ． 因而 使泡 沫 稳 定 。水 泥 浆是 饱 和 C a的 碱性 固 液 混合 体 。 泡沫 剂不 会与 C a生成沉 淀 。 因此 使水 泥 浆保 持 了 较好 的起 泡性 能 ， 不会 在 水 泥 浆 射 流的 机械搅 动 下跨 泡 、 破泡 。与此 相 反 C a与 泡 沫 剂 的 结合 物 吸 附在 气 泡周 围， 形 成 较高 机械 强度 的薄 膜 ， 增 强了气 泡稳 定性 。 当加 入 稳泡 剂 ， 可使 气泡膜 更加 牢固 。 要保证 水泥 泡 沫 不塌 陷 、 不 收缩 ， 这 就要 求水 泥浆有 触变 性 和迅速胶凝。因此 。除了水泥本身应选用快 硬 品种外 ， 还 要加入 相应 的速凝 剂和 增稠 剂 。 2 ． 2 泡 沫水 泥的性 能 见附表 泡 沫水 泥 的发 泡倍 数与干 料用 量的关 系 如 图 1所示 。 抗 压 强 度 与 养 护 时 间 的关 系 如 图 2所 示 。从 图 1 可 以看 出 ， 充填 1 n l 空 洞最 少 用 料 7 O k g ， 为了 获得 较 高强 度 ， 可 降低 发 泡 倍 数， 即每 m 空洞干料用料量提高到 2 0 0 k g ， 发泡 倍数可以简单地通过改变水灰 比来 调 节 ， 如 图 1 。 2 1 维普资讯 第 2期 水 力 采煤 与 管 道 运 输 2 0 0 3年 6月 充填体强度随时间而增长 ， 从 图 2中可 见 强度增长很快 。泡沫泥浆 喷 出后 5 ～1 O mi n胶 凝 ， 一天 可达最 终强 度的 7 O ， 三天 基 本达 到最 终强 度 ， 这 对及 时支护 顶板 ， 迅速 恢 复生产是非常有利的。 当泡沫水泥达到屈服极限后 ， 随变形的 继 续增 加 ， 材 料仍保 持很 高的 承载 能力 ， 保持 对 顶板 的 良好 支护 状态 。 ． 2 ． 3 泡沫 水 泥的贮 存 配 置好 的泡沫 水泥 内 由于添 加剂 易吸 潮 而 结块 ， 影响强度和稳泡性 能， 以致 不能使 用。 所以泡沫水泥配好后， 必须马上装入代塑 料袋 的 编 织袋 内 ， 放 在通 风 、 干 燥 处 ， 贮 存 期 可达 三个 月 。 附裹 发 泡 倍 数 2 2 图 1 发泡倍数与干料量关系 抗 压 强 l l0 度 力 。0 , 8 0 ,6 0 ． 4 0 ． 2 图 2抗 压 强 度 与 养 护 时 间 关 系 3 空洞充填工艺和方法 充 填 材 料 与水 按 需 要 配 置成 任 意 比例 ， 充分 混 合 后与 一 定 量 的空 气 混合 输 送 ， 利 用 紊流效应使其在输送过程中产生稳定的泡沫 对充 填 区进行 充填 。 充填 机和 泡沫 水泥 材料 应设 置在通 风干 燥距 充填 点 1 0 0 m 以内的巷 道 内 。以便 于信 号联 系 ， 巷道 内应 配有 水源 和 电源 。 充 填机要 安 设平 稳 ， 用 大于 1 ． 6 Mp a的胶 管联 接 充填 机 到充 填 点 。其 中直接 与 充填 机联 接 的 t I , 1 9 mm 胶 管 长 度 不 得 低 于 2 0 m， 其 余 为 t i , 2 5 mm 胶管 ， 直接 联 到 充填地 点 ， 总长 度 不得 少 于 5 0 m。一 切联 接 准 备妥 后 ， 检 查水 的 流量 是否达 到 要求 ， 管路 是否 畅通 ， 充填机 运 转是 否正 常 。 待 这些 工作 无误 后 ， 按预定 的水 灰 比 通 过减 速 器 手轮 调 整供 料器 的 转速 ， 调定 供 料 量 。然 后打 开料 斗 闸板开 始充填 。在 向料 斗 加料 时 ， 一 定要 通过 上面 的筛 网 ， 防 止杂物 掉入料斗， 以防止发生堵泵、 堵管的故障。充 填 泵操 作和 向料 斗加 料一般 2 ～ 3人操作 。 在 整个 充 填过 程 中 ， 要 密切 注意 充填 机 的运 转 情况 ， 如发 现异 常现 象马 上停泵 处理 。 为 了防 止堵泵 、 堵管， 在充填过程中不能停电、 停水。 充填完毕后要用水清洗泵和整个管路 ， 直到 流 出清水 为止 ， 其工 艺如 图 3所示 。 维普资讯 弟 2期 煤 矿来 掘 工 作 面 冒 落空 溉 的 处 理 方 法 2 0 0 3年 6月 图 3 巷道 冒顶空洞充填示意图 4 充填实 例 首先 在 吕家 坨矿 业分 公 司一8 0 0 m 水 平 二采区回风斜 石门冒落空洞进行实际充填。 该 斜 石 门 总 回风 石 门 倾 角 1 9 。 1 9 0 7 ， 断 面 3 ． 2 2 ． 6 m0 ， 该 回风 石 门总长 l 1 5 m。 当施工 到 1 0 4 m 时 见 7 ‘ 煤 层 ， 由于 煤层 较 软 、 较 厚 ， 造成 大面 积 冒顶 形成空 洞 。通过 钻 孔 分 析 ， 预 计 达 1 0 4 m ， 测 试 瓦 斯 浓 度 达 1 6 ％以上。采用泡沫水泥充填冒落空洞的技 术解 决 了 瓦 斯 超 限 这 一 难题 ， 其工 程 如 图 4 所示 。 首先往 1 孔注入泡沫水泥， 同时将瓦斯 鉴定仪分别放莅 2 、 3 孔附近 。 由于 2 孔未 图 4 注浆工程示意图 见 空洞 ， 无 瓦斯 显 示 ， 3 孔有 少 量瓦 斯 涌 出 。 当注 入 2 t 多泡 沫水 泥 时 ， 鉴定仪 开 始报 警 ， 原 因是 随 着 泡沫 水 泥的 注 入 充填 ， 使 得 空洞 逐渐 减小 ， 瓦斯 受到 挤压 ， 通过 岩石裂 隙及 钻 孔 涌 出。 由于 3 孔瓦斯 的 涌 出， 为了保 障 注 浆 工 作 继 续 进 行 ， 将 风 筒 引 出 了三 通 ， 直 吹 2 、 3 孔位置 ， 以降低工作面瓦断浓度。 待空 洞 充 填满 后 ， 再 将 1 、 3 孔 位 置 用 钻机 重 新 打 透 ， 经 测 定 ， 瓦 斯 浓 度 分 别 为 0 ． 0 6 、 0 ． 0 8 ， 达 到 规程要 求 。 两周后 进入 了剩余 工 程 的掘 进 ， 顺 利通 过 了 冒顶 区 。 5 结束语 1 实现 冒落 空洞处 理 的机 械 化 ， 无需 进 入空 洞 内进行 作业 ， 改善 了工 人的 劳动条 件 ， 提高 了施 工的 安全 性 。 2 可 以有 效 地 防止 瓦斯 等 有 害气 体 在 冒落 空 洞 内积 聚 ， 防止煤 炭 自燃发 火 ， 消 除矿 井 事故 隐患 。 3 为井 下快 速构 筑 密闭墙 、 巷 帮充填 密 闭防 止 漏 风 、 采 空 区防 火等 工 程提 供 了 新 材 料 、 新 工艺 。 4 代 替 坑木 ， 降低 坑 木消 耗 ， 减 少 材 料 消耗， 降低成本 。 收稿 日期 f 2 0 0 3 - 0 5 1 4 2 3 维普资讯