张英超1,2 张汉青2
（1.黑龙江科技学院，黑龙江 哈尔滨 150000；2.兖矿集团南屯煤矿，山东 邹城 273500）
【摘 要】我国煤矿自燃发火非常严重，有56%的煤矿存在自燃发火问题，随着南屯煤矿矿井回采向纵深发展，七采区深部、九采区回采形成的采空区逐渐连成一片，形成大面积采空区相连的复杂采区，采空区范围的增加，采空区被采区煤柱、孤岛煤柱、边角煤柱等不同形式的煤柱所分割。因此，针对南屯煤矿七采区深部、九采区大范围采空区存在较为严重的冲击、瓦斯和自然发火重大隐患，开展具有自燃危险区域下大面积采空区冲击灾害的防冲密闭技术研究，对确保南屯煤矿的安全生产具有十分重要意义。
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关键词 自燃发火；采空区；防冲密闭
作者简介：张英超（1987—）,男,2009年毕业于黑龙江科技学院安全工程专业矿井通风方向,山东兖州矿业集团南屯煤矿,助理工程师，从事通防技术管理工作。
1 泡沫混凝土特点
泡沫混凝土是利用机械方式将发泡剂(水溶液)制作成泡沫，再将泡沫混入到硅质材料(砂、粉煤灰)、钙质材料(水泥、石灰)等以及各种外掺料和水组成的混合料中，搅拌均匀浇筑成各种所需的规格，经养护而成的含有大量封闭气孔的轻质混凝土。由于具有大量封闭的细小孔隙，所以采用泡沫混凝土充填具有许多独特优点，其中包括：
1）轻质高强。泡沫混凝土具有较低的密度，实际应用中，常见泡沫混凝土的密度等级为300kg/m3～1200 kg/m3，近年来，密度更低的超轻泡沫混凝土也开始出现，但在建筑工程中尚未得到较大范围的应用。实际工程中泡沫混凝土的密度可以降至200kg/m3～700kg/m3。
2）密度和强度可调节。与容重的可调节原理一样，通过改变轻质土中各种成分的比例，其强度可在0.3MPa～7MPa的范围内调整。
3）流动性。气泡混合轻质土具有良好的流动性，可通过泵送，其最大输送距离可达500m，如果通过中继泵，还可输送更远的距离，最大泵送高度可达240m。
4）固化后的自立性。气泡混合轻质土由于使用水泥作为固化剂，通常在浇筑4h后就会开始固化自立，固化后对挡土结构几乎没有推挤力，因而可以进行垂直填筑。
5）密度和强度可调节。气泡混合轻质土由于具有良好的流动性和固化后的自立性，且浇筑时不需要振捣和碾压作业，可进行远距离或在窄小空间内施工。此外，气泡混合轻质土混有大量的气泡群，成品的体积可达到原材料体积的3倍以上，提高了施工材料的运送效率。
6）耐久性。气泡混合轻质土属于水泥内材料，与高分子材料相比，其耐久性、耐热及抗油污能力强，具有水泥混凝土材料同等的耐久性。
7）其他性能。泡沫混凝土除了具备以上的多种优异性能外，在制作过程中可以大量掺加工业废渣，这样，不仅有效利用资源、变废为宝、利于环保，而且还大大降低了泡沫混凝土的成本。
2 研究开发内容
2.1 高泡充填密闭防冲材料研究
通过室内试验，揭示原材料组成对高泡充填材料强度（抗压强度和抗折强度）的影响规律，提出轻质高强泡沫混凝土配合比；在此基础上，对不同密度泡沫混凝土材料（300kg/m3、400kg/m3、500kg/m3、600kg/m3、700kg/m3、800kg/m3）的高温性能进行测试，通过不同温度（600℃、800℃和1000℃）条件下材料质量及强度损失率，揭示泡沫混凝土充填材料的耐高温性能，为火灾条件下充填密闭效果提供参考。
3 主要经济技术指标
提出一种高泡充填材料。该材料各项性能可现场要求调节：密度范围：250～600kg/m3，单轴抗压强度范围：0.4～2.5MPa；充填成本控制在185～260元/方。提供一套完善的高泡充填密闭配套设备。该设备具有自动发泡，自动计量，自动配比功能，生产效率10～15m3/h，工人劳动强度低、生产效率高，生产安全。
4 现场实施
根据充填材料及施工设备配套的研究结果，决定对我矿93下01轨顺采空区密闭进行充填试验。
充填施工工艺：
水和水泥混合后进行搅拌，水和发泡剂的稀释溶液发泡后，共同通过高压泵进行高压输送，最终浇注成型进行充填
根据煤矿巷道特点，实施分段、分成施工方案，每段填充又个分为四步进行：
第一步：木板壁施工；
第二步：巷道下部填充；
第三步：巷道中部填充；
第四步：巷道上部填充。
５ 对煤矿安全生产的影响
5.1 对煤矿安全生产的影响
一方面由于泡沫混凝土充填技术能够很好的解决现在煤矿充填技术中存在的瓶颈问题——原料及时供应，充填效率很高，因此，采用该技术能很好的保证巷道在第一时间得到及时充填。另一方面，泡沫混凝土具有良好的延性，整体性好，抗震性能高。因此，能够在围岩有一定变形条件下依然能够起到封闭支护的作用，并且能很好的吸收变能，有效缓解矿震的发生。鉴于以上两方面的原因，泡沫混凝土充填、巷旁支护及抗震密闭墙修筑技术的采用将能够提高现有煤矿生产的安全性。
5.2 对煤矿工作环境和人员健康的影响
本课题所提出的泡沫混凝土充填工艺及技术，主要原材料为水泥和泡沫剂，水泥为普通袋装硅酸盐水泥，泡沫剂为松香、动物蛋白质提纯得到，无色无味，无毒无害。由于泡沫混凝土本身特点，在试验取得初步成功以后，甚至可以将搅拌设备放在井上，通过管路输送到施工现场，可以为井下矿工创造了一个良好的工作环境，大大提升了工人的劳动生产率；工作面现场粉尘含量大为降低，一方面可以更好的保护矿工的安全健康，降低防护成本，每年可为企业节约可观的矿工个体防护、尘肺病治疗、防尘管理和技术专项资金。
综上所述，该研究是对国内外现有煤矿充填技术的一次大胆革新和探索，研究成果将大大提高充填的作业环境和工作效率，并减少产生成本，具有重要的推广价值和广泛的应用前景。
６ 经济、社会效益分析
6.1 经济效益
6.1.1 直接经济效益。与目前南屯煤矿现有的充填和支护措施相比，泡沫混凝土充填将较以往充填成本降低25%～40%，支护费用较木垛支护节省成本50%左右，密闭墙的构筑技术综合支护成本平均降低30％以上，还可以避免了后续维修，提高了生产效率，其经济效益相当可观。
6.1.2 间接经济效益
包括减少巷道二次支护工作量、缩短采准系统形成时间周期以提高效率、提高采场生产能力、增加出煤量、提高作业安全程度和改善工人劳动条件等方面。综合考虑，每年产生间接经济效益应远大于所产生的直接经济效益。
6.2 社会效益
巷道施工过程中避免了工程事故的发生。避免了后续翻修，降低了工人劳动强度，改善了巷道通风条件和生产环境，高了产煤效率。本课题所提出泡沫混凝土应用技术，能有效解决传统施工的工效低、劳动强度大、安全性差、巷道容易被压裂、压垮，需要反复维修等问题。一方面能够更好的保障了人员设备的安全，另一方面改善了巷道通风条件和生产环境，保证了矿井的安全、高效生产，维护了矿区的和谐、稳定，可取得良好的社会效益。
７ 结论
通过对南屯煤矿泡沫混凝土技术的研究，验证了该技术的可靠性、有效性和合理性。该研究成果提高采场生产能力、增加出煤量、提高作业安全程度和改善工人劳动条件，为矿井的安全生产和井下人员的生命安全提供了技术保障。
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参考文献
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［责任编辑：曹明明］