粉煤灰在矿井密闭中的应用

李 浩

(西山煤电集团 杜儿坪矿， 山西 太原 030022)

矿井永久密闭分为瓦斯抽采密闭、采空区密闭、水永久密闭和一般类型的挡风墙密闭。矿井密闭阻止空气向火区通道流动，是一种对火区隔绝氧气的防火技术，也是一种阻止煤层发生自燃的重要方法。传统的永久密闭墙体主要使用沙子、料石、黄土、水泥等作为施工材料，以砖砌的墙作为表面，中间用水泥、料石及黄土制成的混凝土填充。该施工方法所使用材料成本高，所费工时多，工人劳动强度大，效率低。

粉煤灰是煤燃烧后形成的一种粉状物，化学性质不活泼，与黄土类似。使用粉煤灰作为矿井密闭墙体的填充物，在理论上是可行的。

西山煤电集团杜儿坪矿永久密闭因矿井年代久，通风系统老旧等原因，存在一定的漏风问题。因此，该矿在井下北一辅助运输大巷绕道处的独头巷道口(巷道断面：宽5.8 m，高4 m)处，利用粉煤灰灌浆的新工艺施工了1道永久密闭墙体，厚度2 m，以此来试验新工艺是否可行。

1 粉煤灰的特性

粉煤灰是发电厂中煤燃烧产生的一种火山灰质矿物外加剂，主要由结晶体、二氧化硅等玻璃体、三氧化铝以及少量未燃尽的碳粒所组成。外观与水泥相似，颜色在乳白到灰黑色之间变化，颜色越深，粉质越细，含碳量越高。粉煤灰的物理性质中，细度和粒度比较重要，直接影响粉煤灰的其他性质，粉煤灰越细，细粉占的比重越大，其活性也越大[1].

粉煤灰是一种人工火山灰质混合材料，它本身略有或没有水硬胶凝性能，但当以粉状及水存在时与氢氧化钙发生化学反应，生成具有水硬胶凝性能的化合物，成为一种增加强度和耐久性的材料[2].

2 水泥粉煤灰试块强度试验

为了解水泥和粉煤灰混合后的抗压效果，杜儿坪矿委托太原城通工程检测有限公司对应用于井巷工程的水泥粉煤灰浆液进行检验。该水泥粉煤灰浆液是用粉煤灰代替沙子、料石、黄土，将其与水泥按一定比例制作的，共制作了5种不同浆液配合比(粉煤灰∶水泥∶速凝剂)的粉煤灰水泥试块，样品数量为每种浆液配合比各3块，尺寸均为长70.7 mm×宽70.7 mm×高70.7 mm，并对其进行了标准养护。根据JGJ/T 70-2009《建筑砂浆基本性能试验方法标准》，分别对无缺损的试块进行抗压测试，抗压测试结果见表1.

由表1可以看出，当保持水泥和速凝剂的配合比不变，降低粉煤灰的配合比会显著提升粉煤灰、水泥和速凝剂三者混合后试块的抗压效果；当维持粉煤灰和水泥的配合比不变，提高速凝剂的配合比会略微提高粉煤灰、水泥和速凝剂混合后试块的抗压强度；若保持粉煤灰、水泥和速凝剂配合比不变，增加钢筋网片则对试块的抗压强度没有影响；保持粉煤灰和速凝剂配合比不变，提高水泥配合比会显著提高水泥、粉煤灰和速凝剂混合后的抗压强度。

表1 水泥粉煤灰浆液试块抗压强度检验报告表

综上所述，水泥粉煤灰浆液中，在满足抗压强度的前提下，适当的提高粉煤灰配比在一定程度上节约水泥用量。根据杜儿坪矿施工经验，0.4 MPa抗压强度能满足该矿巷道支护要求，故选定粉煤灰、水泥、速凝剂配合比为12∶4∶1.

3 施工粉煤灰永久密闭

3.1 施工工艺

在施工永久密闭处打设2道临时板闭，间距为2 m，临时板闭内侧铺设防水布(防止灌入的浆液流出)，首先把粉煤灰、水泥、速凝剂按照质量配比12∶4∶1加入水进行搅拌，将搅拌后的浆液利用风泵抽排，通过专用管路灌入临时密闭墙内，每天早班进行作业，施工高度0.5 m. 采用新施工工艺后由搅拌机和风泵代替人工上料，填充。机械化程度提高，人工行走路程缩短。

3.2 施工效果

抗冲击性和气体密闭性是检测矿井密闭墙是否可靠的主要指标。采用新工艺施工后，墙体经检测：严密不漏风(以手触无感觉、耳听无声音为准)；墙体平整(1 m内凸凹不大于10 mm)；无裂缝(用雷管脚线不能插入)、重缝和空缝。在半年的巡查结果中并没有发现该粉煤灰永久密闭出现墙体变形、漏风、破损等情况，说明该设施施工工艺及施工质量完全符合《煤矿安全规程》中对永久设施的质量要求。

3.3 效益对比

使用粉煤灰施工永久密闭，每天一个班2人同时作业，墙体灌浆时间10天，每天作业3 h，总计灌浆30 h，合计60工时，以335元/工时计算，人工成本约为20 100元。断面23.2 m2，厚度2 m，共46.4 m3，共计使用物料40粉煤灰(10元/ m3)、10 m3水泥(430元/ m3)、3 m3速凝剂(600元/ m3)，材料费共计6 500元。使用粉煤灰施工永久闭总计成本26 600元，密闭墙成本573元/m3.

施工传统料石永久密闭，每天一个班需要6人同时作业，施工同样尺寸的永久密闭需要10天，每天作业3 h，总计作业时间30 h，合计180工时，人工成本约为63 000元。使用料石8.4 m3(305元/ m3)，水泥2 m3(430元/ m3)、沙子9 m3(140元/ m3)，黄土17 m3(13元/ m3)，材料成本共计4 903元。施工传统料石永久闭总计成本65 203元，密闭墙成本1 405元/m3.

综合对比，使用传统料石施工永久密闭是使用粉煤灰施工永久闭总成本的2.45倍。

3.4 粉煤灰作为填充材料的优点以及缺点

使用粉煤灰作为主要的填充材料，只需用泵送混合物及喷浆机喷浆，可远距离施工，减少因材料运输而造成的人力浪费。泵送施工节省了劳动力，每班两人即可作业，施工简单，劳动强度低。且泵送施工机械化程度高，适应性强，作业范围广，泵送管道可以铺设到人力施工难以到达的地方，满足各种施工要求；输送和喷浆作业是连续的，提高了工作效率，减少了工时，使工程进度加快。而且施工途中减少了工人的参与量，降低了施工风险，保证了作业安全。

粉煤灰作为填充材料存在墙体凝固时间较长，在使用前应进行试验，确定合适的配合比；在施工过程中由于使用电气设备，需要严格把关现场安全及管理，每天工作结束后需要对管路用水进行冲洗，确保管路在下一次使用前不会发生堵管等影响施工进度的故障。

4 结 语

粉煤灰做为燃煤电厂排出的主要固体废物，将其用于永久密闭墙体中，形成新型粉煤灰填充密闭墙。相比传统的永久密闭墙而言，采用泵送混凝土更加均匀、紧密、可塑，提高了密闭墙体的耐久性、抗压性、整体密封性，同时实现了粉煤灰的资源化利用。