泡沫混凝土在煤矿回填应用工程案例分享

泡沫混凝土在煤矿回填应用工程案例分享
楚风臣
1泡沫混凝土的特性发泡混凝土通常是用机械方法将泡沫剂水溶液制备成泡沫，再将泡沫加入到含硅质材料、钙质材料、水及各种外加剂等组成的料浆中，经混合搅拌、浇注成型、养护而成的一种多孔材料。

由于泡沫混凝土（泡沫轻质土）中含有大量封闭的孔隙，使其具有良好的物理力学性能。

（1）轻质。

泡沫混凝土（气泡混合轻质土）的密度小，密度等级一般为300~1800k-m，常用泡沫混凝土的密度等级为300~1200kg/m3，近年来，密度为160k-m的超轻泡沫混凝土也在建筑工程中获得了应用。

由于泡沫混凝土的密度小，在建筑物的内外墙体、层面、楼面、立柱等建筑结构中采用该种材料，一般可使建筑物自重降低25%左右，有些可达结构物总重的30%~40%。

而且，对结构构件而言，如采用泡沫混凝土代替普通混凝土，可提高构件的承截能力。

因此，在建筑工程中采用泡沫混凝土具有显著的经济效益。

（2）保温隔热性能好。

由于泡沫混凝土中含有大量封闭的细小孔隙，因此具有良好的热工性能，即良好的保温隔热性能，这是普通混凝土所不具备的。

通常密度等级在300~1200kg/m3范围的泡沫混凝土，导热系数在0.08~0.3w/（m-K）之间。

采用泡沫混凝土作为建筑物墙体及屋面材料，具有良好的节能效果。

（2）隔音耐火性能好。

泡沫混凝土属多孔材料，因此它也是一种良好的隔音材料，在建筑物的楼层和高速公路的隔音板、地下建筑物的顶层等可采用该材料作为隔音层。

泡沫混凝土是无机材料，不会燃烧，从而具有良好的耐火性，在建筑物上使用，可提高建筑物的防火性能。

（4）其它性能。

泡沫混凝土还具有施工过程中可泵性好，防水能力强，冲击能量吸收性能好，可大量利用工业废渣，价格低廉等优点。

2泡沫混凝土在煤矿中的应用
根据国家煤矿安全监察局2010年春节对全国煤矿统计，全国共有在籍煤矿15119处，总生产能力36.91亿吨；新建项目1081个，总能力6.85亿吨；另据国土资源部对已颁发的采矿许可证情况统计，全国具有煤炭采矿许可证的煤矿共14423处，总产能36.6亿吨。

随着一大批大型现代化煤矿陆续投产，煤炭开采过程中就开采后带来的安全、环境等方面的问题将日益突出。

鉴于泡沫混凝土存在上述特点，作者认为其在解决目前煤矿中存在的诸多问题方面将大有可为，具体表现在以下几个方面。

2.1采空区回填
在煤炭开采过程中，地面会因为地下的煤炭被运出而产生塌陷，几乎所有矿区都不可避免的面临此类问题。

我国因煤炭开采造成的地面塌陷已达585万公顷，且每年新增沉陷面积4万公顷，同时地面塌陷在地质、环保和安全等方面的负面影响也是不可估量的，有效地解决因采煤而产生的地面塌陷问题已经成为了煤炭行业亟待解决的问题。

经统计，在我国煤炭储量中有超过30%的煤炭埋藏在山下、水底下、建
筑下、城市下等不允许产生开采后塌陷现象的区域。

目前对矿山地下开采空区的的处理方法通常有封闭、崩落、加固和充填四种方案，但由于地质等特殊原因，前面的三种处理方法都不能有效的解决地面塌陷的问题只有充填是最有效的解决方法。

传统水泥胶结混凝土充填材料中所用水泥一般为42.5普通硅酸盐水泥，用量为150~300kg/m3，水灰比约1.2~1.3，28d混凝土抗压强度5.0~10.0MPa，水泥在胶结充填成本中占30~60%。

一般吨煤成本约增加40元/吨。

降低水泥用量及成本，是寻找适用于矿山新型充填材料的有效途径。

泡沫混凝土具有输送方便、流动性好、价格便宜，利用不同级配的尾矿粉和水泥进行配比，可以保持一定的强度，完全可以作为一种新型的充填体在煤矿采空区回填中使用。

2.2巷道支护
2.2.1喷射混凝土支护
喷射混凝土喷射方法分为两种：干喷法和湿喷法。

十几年前，干喷法在施工中一直占据统治地位，特别在我国煤矿领域更是占据绝对地位。

由于干喷技术存在施工效率低、回弹率高、粉尘大、喷射强度得不到保证，喷浆只能作为岩层的防风化保护层，不能作为有效的支护手段等的问题，近些年来，随着混凝土喷射工艺的进步和发展，湿喷工艺以其独有优势慢慢占据了主导地位，而且已成为一种发展趋势，特别是湿拌喷射混凝土技术的发展，大大扩展了喷射混凝土在地下工程中的使用范围。

然而，目前我国的煤矿依然还采用的是干喷技术，这就使得将湿喷技术应用到煤矿中显得尤为重要。

另一方面，虽然湿
喷技术较之干喷技术有较大的优势，但其依然还存在混凝土在料罐、管道中易于凝固、粘结造成堵塞，并且清洗麻烦，设备比较笨重等弊端。

因此很有必要对现有的湿喷工艺进行改进，使其更好的为煤矿及地下工程服务。

将泡沫泡沫混凝土作为湿喷混凝土材料，不但能克服干喷法施工碰到的回弹率高、粉尘大、喷射强度得不到保证等缺点，而且还能解决现有湿喷法存在的过快凝固、堵管等问题，更重要的是，由于泡沫混凝土本身是一种轻质、多孔结构，因此该技术还能大大节省材料，尤其是水泥用量，从而在很大程度上节省成本。

2.2.2沿空留巷支护
沿空留巷技术自20世纪50年代在我国开始使用以来，一直是我国煤炭开采的重要技术发展方向。

到目前为止，我国在沿空留巷理论与技术研究方面做了大量的工作，在条件较好的薄及中厚煤层采煤工作面的沿空留巷技术已日趋完善，巷旁支护、巷内支护、加强支护及煤帮加固技术已趋成熟，但在条件困难的中厚煤层或厚煤层较大断面巷道中采用沿空留巷技术仍存在着一些技术难题，使得一些矿井在应用沿空留巷技术时没有取得预期的效果，甚至留巷失败，从而限制了沿空留巷技术在我国更广泛地推广应用。

沿空留巷技术成败关键在于支护措施的采取，而巷旁支护作为沿空留巷支护技术的难点，在我国一直没有得到很好地解决。

目前应用较多的巷旁支护形式主要有：木垛、密集支柱、研石带、砌块和巷旁充填带等。

这些支护方式存在支护阻力、可缩性等力学性能与沿空留巷围岩变形不相适应、效果差和劳动效率低等缺点因此，迫切需要研究出一套经济、适用、高效的巷旁支
护系统，使其更好的为煤矿及地下工程服务。

通过在钢管中充填特种轻型泡沫混凝土，利用泡沫混凝土延性好，当材料单向受压达到屈服极限后，随着变形的增加，材料仍能保持较高的承载能力，借助钢管壳的约束作用使混凝土处于三向受压状态，从而使夹心泡沫混凝土具有更高的抗压强度和抗变形能力的特点。

生产出不同直径、不同抗压强度的罐型墩柱，使其能满足不同工况下的支护需求。

该技术的优势在于，它解决了传统木垛及密集支柱支护过程中存在的研石沉缩量大、巷内支架变形严重、维护工作量大、工人垒砌研石的工效低、劳动强度大、安全性差等问题，并且该支护技术施工方便、成本低廉.
2.2.3壁后填充层
我国目前在煤矿中使用的U型钢支架，如果按均布载荷计算，理论承载能力并不低，拱形支架为0.7MN/架，马蹄形支架约为2MN/架。

然而井下实际使用过程中，由于支架受力条件恶化，U型钢支架的实际承载能力很低，拱形支架仅为0.2 MN/架左右，马蹄形等封闭式支架约0.4MN/架，支护阻力不足0.05~0.1MPa，实际支护阻力远低于理论计算值，说明支架所拥有的承载能力远没有发挥，这是现用U型钢可缩性支架不能有效控制巷道围岩强烈变形的主要原因。

造成U型钢支架支撑能力不能充分发挥的原因很多，有支架结构和选型不合理，型钢加工成型质量低劣，支架间缺少拉杆而失稳等。

但主要原因是支架没有实施壁后充填。

目前采用的巷道掘进和支护工艺，都不可避免地在支架背后存在壁后空间，该空间不能及时有效地充填，一方面使支架周边与围岩呈不规则的点、线接触，当围岩变形时
支架受到不均匀集中载荷和偏心载荷作用，恶化结构受力条件，不能充分发挥支架性能；另一方面，现阶段所采用的各种巷道支架均为被动承载结构，所以架后临空围岩得不到支架的支撑，从而使围岩变形加剧，破碎范围扩大，支架变形严重.若能及时用力学性能良好的柔性材料充填架后空间，使围岩-充填体-支架三者形成共同力学承载体系，既能吸收一部分围岩释放的变形能，又能充分的承载能力，大幅度地提高支架的工应具有一定的强度（一般情况下单轴抗压强度
3~4MPa即可），以保证在支架极限承载能力范围内具有良好的传载和承载性能；应具有一定的可缩性，以实现围岩变形、围岩压力与支架可缩二者之间的良好匹配；应具有良好的隔水性和在细小围岩裂隙中的渗透性，以满足封闭和加固围岩的要求；应具有良好的工艺性能，例如可泵性能和及时支护性能等。

通过前面对泡沫混凝土特点的分析可以发现：它完全满足上述壁后填充材料性能要求。

2.3密闭墙修筑
井煤层自然发火的主要原因之一，就是由采空区或巷道等漏风而造成的。

为了防止煤层自燃或者为了防止有害气体扩散而影响安全生产，常常需要将易自燃区或有害气体源进行隔离。

目前在井下砌筑密闭墙的材料主要有：料石、混凝土砌块、风帐、木板、沙袋和砖石等。

从使用效果来看，现有的材料要么存在着无法保证完全密实的问题（譬如：风帐、木板和沙袋），要么建设周期长、劳动强度大、成本较高，且由于是刚性建筑，变形适应能力差，常常使得密闭墙被压裂、压垮，甚至导致伤亡事故（譬如：料石、混凝土砌块和砖石）。

针对这些问
题，目前有人开发了一些可用于封堵的材料，如高水材料、高分子材料等，虽然有较好的封堵效果，但其成本较高，充填固状物抗压强度低，而且有一定的气味，不能在煤矿井下广泛应用。

另外，随着煤矿开采深度的增加，地压越来越大，采空区密闭墙的砌筑愈加困难而且维修量加大，管理难度增加，甚至有的在短时间内即被压坏，不得不重砌，造成敞口盲巷，给煤矿的安全生产带来隐患。

因此，迫切需要研制出一种新材料，采用新技术对密闭墙进行砌筑。

将沫混凝土材料应用于密闭墙的修筑具有如下优点：施工方便，速度快，能有效解决工人垒砌密闭墙的工效低、劳动强度大、安全性差等问题；强度高，延性好，并且当材料单向受压达到屈服极限后，随着变形的增加，材料仍能保持较高的承载能力，能有效解决刚性密闭墙被压裂、压垮等问题；节省成本，造价低，由于泡沫混凝土本身是一种轻质、多孔结构，因此该技术还能大大节省材料，尤其是水泥用量，从而在很大程度上节省成本。

3工程案例分析3.1工程简介
山西省朔州市安家岭井工二矿年产煤1500万吨，该矿在采矿过程中产生了很多采空区，在后续的采煤过程中，需要从采空区通过，如果不对采空区进行充填，在采煤过程中就会发生冒顶，严重影响煤矿的安全生产。

冒顶是在地下煤矿开采中，由于原先平衡的矿山压力遭到破坏而造成上部岩层自燃塌落的现象。

对于煤矿冒顶现象，如果不及时采取措施预防，会对矿工人身安全造成极大的危险。

3.2项目实施方案与工程
针对井工二矿的要求，我们制定了泡沫混凝土的充填方案.共有
A.B.C.D.E，F、G七个采空区，总体积约20000m，七个采空区分布在采煤巷道的两侧。

利用9煤巷道布置充填系统，是将充填系统及主要施工在B909运输顺槽的专门充填硐室内进行，在小密老空巷道内向采空区沾注浆孔，通过管路将泵站与注浆孔连接进行注浆施工。

由于泡沫混凝土具有很好的流动性，在充填采空区之前，需先对采空区进行密闭处理，防止泡沫混凝土流入巷道。

密闭处理是指在采空区与巷道的连接处建筑一道水泥墙，从而将采空区隔离成为一个独立的密闭空间。

将采空区隔离成密闭空间后，再从B909运输顺槽向采空区钻孔施工。

在对采空区进行密闭处理后，从B909运输顺槽向各个采空区进行钻孔。

按照煤矿要求，制备发泡水泥的机器必须全部采用防爆设备，为此，我公司与南阳防爆研究所合作开发了适用于660V电压的防爆水泥发泡机。

安置好水泥发泡机后，从钻孔内向采空区注入泡沫混凝土。

4结论
泡沫混凝土在我国已经有几十年的生产历史，但主要在建筑行业的应用研究较多，在煤矿领域的应用不够广泛。

基于泡沫混凝土的特点，对其能在煤矿中发挥的作用进行了分析，认为至少在采空区回填、巷道支护（包括：喷射混凝土支护、沿空留巷支护、壁后填充层）和密闭墙修筑三个方面具有广泛的应用前景。